基于毛细管理论的沥青材料自愈合影响因素研究

陶小磊，梁 胡，农纪源，韦 宗

(1.广西路建工程集团有限公司，广西 南宁 530001；2.广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

沥青混合料是一种由沥青、石料、矿粉、改性剂、外加剂等不同特性材料组成的结合料，在其服役周期内受外界多场耦合作用，沥青混合料内部薄弱点尤其是不同材料的界面处，往往容易出现微小损伤，形成微裂纹，若没有得到有效抑制，将会逐渐演变为肉眼可见的裂缝。相关研究表明[1-2]，由于沥青属于温度敏感性材料，在一定的温度场和荷载作用下，沥青混合料的内部微损伤存在自动愈合的现象。针对这种现象，一些道路工作者尝试从理论上进行解释，从而指导实际的试验研究。目前解释沥青自愈合现象的理论包括有微观和宏观两方面的[3-4]，其中微观理论以表面能理论、分子扩散模型、相场模型理论为主；宏观理论主要以断裂力学模型理论和触变模型理论为主。而毛细管流动扩散理论是由lvaro García提出的分子扩散理论[5]。为了更好地认识基于毛细管流动扩散理论的沥青自愈合现象，并且探明在此理论条件下沥青材料的自愈合影响因素，本文将阐明沥青毛细管流动理论及扩散模型，并以试验温度和时间为变量研究沥青材料自愈合的影响因素。

1 毛细管流动扩散理论

1.1 沥青毛细管流动理论

毛细管作用广泛存在于自然界和日常生活中，指的是在细管状的物体内部，由于管壁的内聚力和附着力相互作用，当液体与管壁的附着力大于液体自身的内聚力，液体可以克服地球引力而上升到一定高度的现象，如图1所示。

为了更好地表征毛细管作用，人们主要采用毛细管试验测试液体的上升高度，用以表征不同管径条件下的毛细管作用力。大体设计思路为：将一根细长的玻璃管垂直置于装有液体的装置中，液体可根据试验需要自行选用，一般采用蒸馏水。此时会观察到玻璃管的液面明显高于装置四周液面，并且玻璃管管壁的液面高于中心液面。这主要是因为，在细玻璃管中管壁对液体形成附着力和表面张力，直到液体表面张力小于液体自重时，液体才会停止上升。相关研究显示，玻璃管直径越小，毛细管作用越明显，液柱高度越大。

图1 毛细管现象示意图

液柱上升高度的计算公式为[6-7]：

(1)

式中：γ——表面张力；

θ——接触角；

ρ——液体密度；

g——重力加速度；

r——细管半径。

当前，一部分研究者认为沥青混合料愈合期间存在沥青的毛细管流动现象。2012年，lvaro García着手开展了沥青材料的毛细管试验研究，结果表明，在一定温度条件下沥青逐渐向裂缝流动，直至充满整个裂缝，其主要原因是毛细管流动扩散作用。

当沥青材料内部存在裂缝时，往往呈现毛细管状，从而存在压力差。但沥青材料在高温条件下逐渐呈现出流动态，压力作用将会促使沥青在裂缝中扩散流动，从而起到自修复自愈合的作用。显而易见，裂缝越小，温度越高，毛细管作用越明显，沥青的自愈合能力越强。

在研究中，利用CT扫描技术对沥青混合料小梁的自愈合进程进行了图像观察。如图2所示，可以观察到沥青混合料的微裂缝随愈合时间的延长在不断地“闭合”，即沥青材料的自愈合现象。

图2 沥青混合料小梁愈合过程的CT扫描图

1.2 沥青毛细管流动扩散模型

沥青是一种粘弹性材料，沥青内部裂缝的毛细管作用与温度、时间和裂缝大小关系密切。温度越高，沥青黏度越小，流动性越强，随着时间的延长，沥青的毛细管现象越明显。在沥青毛细管扩散流动中，沥青裂缝的主要作用力包括有表面张力、液体粘滞力和液体自重力。其力学模型如下[8]：

(1)表面张力，用2πrγcos(θ)表示，其中，r为裂缝的宽度；γ为液体的表面张力；θ为沥青润湿处的接触角，在计算中假设为一个常数。

(3)液体自重力，被认为是裂缝根部的静水压力，用pghp-pgh(t)表示，其中，pghp为正静水压力；ρ为液体的密度；hp为材料表面至愈合的最低处的距离，当考虑材料整体时，hp被认为是一个定值H。

根据力的平衡原理，可建立以下方程：

(2)

如果引入一个耗散参数β，式(2)可写为：

(3)

由于裂缝的直径非常小，对于一个非黏性的液体在多孔介质中运动，可将式(3)简化为式(4)，最终毛细管作用的平衡高度为h(t)，如式(5)所示。

(4)

(5)

由式(5)可知，当时间为无穷大时，毛细管作用的平衡高度为：

(6)

毛细管作用过程中的速度为：

(7)

当愈合时间为t，则内部存在裂缝的沥青材料修复面积A为：

(8)

通过对沥青自愈合的毛细管流动扩散理论和模型进行总结分析，能够为后续沥青毛细管试验方案设计和影响因素的设定提供理论依据。

2 沥青毛细管试验方案

2.1 原材料

(1)基质沥青：国创泰普克A-70#道路石油沥青。

(2)SBS改性沥青：采用星型SBS，掺量为5%。

(3)橡胶改性沥青：由广西交科新材料有限公司提供，橡胶粉目数为20～80目，掺量为20%。

对上述沥青材料的关键技术指标进行检测，试验结果如表1所示。

表1 沥青材料技术指标表

2.2 试验仪器设备

试验仪器设备主要包括锥形瓶、玻璃毛细管、橡皮塞、恒温水浴箱、烘箱、电子游标卡尺等。

通过沥青在玻璃毛细管中的上升高度评价沥青的毛细管流动能力，但是毛细管直径对沥青的上升高度具有较大影响，如下页图3所示。本次试验选用的玻璃毛细管内径为1.5 mm，外径为3.4 mm。

2.3 毛细管试验方法

(1)将流动的沥青倒入锥形瓶中，沥青量大概为锥形瓶体积的1/3。

(2)将装有沥青的锥形瓶放入一定温度的恒温水浴箱中(恒温水浴箱中的水分浸没锥形瓶中的沥青即可)，让锥形瓶在特定温度的恒温水浴箱中保温0.5 h左右。此时沥青温度可以达到试验温度，将装有毛细玻璃管的橡皮塞塞紧锥形瓶的瓶口(橡皮塞上应留有孔道，保持锥形瓶内外气压一致，毛细玻璃管应该插入沥青下部，保持与水平面垂直)。

(3)当达到试验时间时，取出锥形瓶，拔下橡皮塞，通过电子游标卡尺测量毛细玻璃管内外沥青柱的高度差h。试验过程如图4所示。

图3 沥青在不同尺寸的毛细管中上升高度随时间变化曲线图

图4 沥青毛细管试验示意图

3 沥青毛细管自愈合影响因素研究

根据毛细管流动扩散理论，可用毛细管上升高度作为自愈合性能的表征指标，毛细管沥青柱上升高度越高，表明沥青扩散能力越强，沥青混合料的自愈合能力越强，反之自愈合能力越弱。本文以温度和持续时间作为研究因子，探究其对沥青毛细管自愈合性能的影响。

3.1 温度对沥青毛细管上升高度的影响

为了分析温度对沥青毛细管流动扩散的影响，将沥青锥形瓶分别放置在50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃恒温水浴下1.5 h，通过毛细玻璃管内外沥青柱的高度差评价沥青在各温度下的毛细管扩散作用强度。沥青柱高度差与温度的关系如图5所示。

由图5可知，沥青柱高度差受温度影响较大，其随着温度升高而逐渐增大，在各温度下，基质沥青的高度差最大，SBS改性沥青次之，橡胶改性沥青最小。当沥青混合料出现微细的疲劳裂缝，在一定的温度下会出现裂缝自愈合的现象，且随着温度的适当升高，愈合效率会增大，这与沥青在毛细玻璃管中的毛细管流动现象有一定程度的类似，因此可以基于沥青的毛细管流动扩散能力探索沥青及沥青混合料的自愈合能力。

随着温度的升高，沥青的流动性能增大，沥青及沥青混合料中的微细裂缝愈合速率将增大。沥青材料的自愈合性能随温度升高而变强的特性有一定的适用范围。从图5中可以发现，随着温度的升高，沥青柱高度差在增大，但是增长率却有一定程度的降低，这说明温度对沥青毛细管扩散的影响有一定的界限。沥青与毛细玻璃管的附着力与沥青重力之间存在着平衡，当温度继续上升，沥青的毛细管扩散作用力也不会增强。

图5 三种沥青柱高度差与温度的关系对比柱状图

根据无定型聚合物材料的粘弹性谱图，当温度低于沥青玻璃态转化点时，沥青分子不具有运动能力，而随着温度上升，分子获得一定的能量，会产生一定的短程运动，沥青分子会扩散和重组，此时的沥青因分子的重构与扩散作用获得一定的自愈合能力。当温度继续升高，沥青开始具有一定的流动性，沥青混合料中较大的裂缝往往是在这个阶段愈合，但是当温度过高，沥青的基本性能会有一定衰减，而且会造成沥青混合料中集料、沥青的位置发生重新组合，将破坏沥青混合料的固有结构。基于以上原理可以解释现实路面情况。例如，东北地区沥青路面在冬季低温的作用下，路面会产生较多的微裂纹，由于东北地区温度较低，微裂缝往往得不到愈合；但是炎热的广西地区却不同，广西的沥青路面在夏季高温、车辆荷载的作用下，其微裂缝会得到一定程度的愈合。

3.2 时间对沥青毛细管上升高度的影响

为了分析时间对沥青毛细管流动扩散的影响，将沥青锥形瓶在70 ℃恒温水浴下分别放置0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h，沥青柱高度差与时间的关系如图6所示。

图6 70 ℃下三种沥青柱高度差与时间的关系对比柱状图

由图6可知，在一定温度条件下，持续时间越长，沥青柱的高度差逐渐增大，沥青材料的毛细管作用越明显，沥青材料的自愈合效果越好；在相同的持续时间里，毛细管上升高度排序为基质沥青>SBS改性沥青>橡胶改性沥青，表明同等温度和持续时间里，基质沥青的自愈合性能最佳，SBS改性沥青次之，橡胶改性沥青最差，这与自愈合时间对沥青材料自愈合特性的影响结果相吻合，这进一步说明了毛细管理论分析沥青及沥青混合料自愈合现象的可行性。

4 结语

通过上述研究，可以得出以下主要结论：

(1)毛细管流动扩散理论及沥青毛细管试验能够较好地表征和反映沥青材料的自愈合特征，能够为研究分析沥青材料的自愈合性能提供理论支撑。

(2)沥青柱高度差受温度影响较大，其随着温度升高而逐渐增大，沥青及沥青混合料中的微细裂缝愈合速率将增大。在不同试验温度条件下，基质沥青的沥青柱高度差最大，SBS改性沥青次之，橡胶改性沥青最小。由于沥青与毛细玻璃管的附着力与沥青重力之间存在着平衡，温度对沥青毛细管扩散的影响有一定的界限，当达到一定温度后即使继续升高温度，沥青的毛细管扩散作用力也不会明显增强，沥青材料的自愈合性能变化不大。

(3)在一定温度条件下，持续时间越长，沥青柱的高度差逐渐增大，沥青材料的毛细管作用越明显，沥青材料的自愈合效果越好。在相同的持续时间里，毛细管上升高度由大到小排序为基质沥青>SBS改性沥青>橡胶改性沥青，表明在同等温度和持续时间里，基质沥青的自愈合性能最佳，SBS改性沥青次之，橡胶改性沥青最差。