復雜環境因素影響下瀝青混合料自愈合性能

崔亞楠， 郭 靖， 馮 蕾， 孫廣寧

(1.內蒙古工業大學 土木工程學院， 內蒙古 呼和浩特 010051； 2.內蒙古綜合交通科學研究院， 內蒙古 呼和浩特 010051)

瀝青路面在長期使用過程中，由于受溫度、光照以及重載交通的影響，力學性能不斷下降，道路表面出現開裂、唧漿、松散、脫落等各種病害現象，最終影響瀝青路面的壽命.目前，國內外學者就瀝青和瀝青混合料的自愈合特性進行了較多的試驗研究，主要集中于瀝青及瀝青混合料自愈合特點、自愈合表征及增強技術等方面，較少從細微觀角度對多因素影響下的瀝青混合料損傷自愈合性能進行研究，現有研究結果不能全面解釋瀝青混合料自愈合機制.Kim等[1]研究了瀝青含量對混合料自愈合性能的影響，得出低瀝青含量(質量分數為6.1%)混合料比高瀝青含量(質量分數為7.2%)混合料具有更快的愈合速率.王昊鵬等[2]通過四點彎曲疲勞試驗得出，養護溫度越高，愈合時間越長，瀝青混合料愈合效果越好的結論.黃衛東等[3]在對應的設計空隙率下，共選取了11種瀝青混合料，通過四點彎曲疲勞試驗進行了未考慮自愈合作用和考慮自愈合作用的瀝青混合料疲勞性能對比試驗研究.苑苗苗[4]在研究瀝青混合料的疲勞特性時結合數字圖像相關方法，得出了瀝青混合料變形開裂特性與裂縫演變過程.為了更加準確地研究瀝青混合料損傷自愈合的試驗方法和評價指標的可靠性，有必要采用宏觀力學和微觀力學相結合的試驗方法，在瀝青混合料自愈合試驗中考慮各種影響因素的綜合作用.

本文共選取3種瀝青混合料，在不同的損傷程度、老化程度、愈合時間和愈合溫度條件下，進行了瀝青混合料損傷自愈合性能對比研究，并通過數字散斑相關技術分析了老化程度對瀝青混合料自愈合性能的影響，進而研究不同因素對瀝青混合料自愈合性能的作用機制.

1 試驗

1.1 原材料

試驗采用90#基質瀝青、SBS改性瀝青和膠粉改性瀝青，其性能指標如表1所示；集料為內蒙古的卓資山玄武巖碎石，分為0～5mm，5～10mm和 10～20mm 3檔規格；礦粉為內蒙古毫沁營礦粉廠的石灰石礦粉.上述3種瀝青混合料均采用AC-16型級配設計.

表1 3種瀝青的基本性能指標

1.2 試驗

1.2.1瀝青混合料半圓彎拉試驗

半圓試件的厚度為25mm，齊邊長度為100mm，在試件底部中間位置設置深度為 10mm，寬度為 2mm 的預制切口，如圖1所示.瀝青混合料半圓彎拉試驗采用UTM-100加載設備，以控制加載位移的方式進行，試驗溫度為15℃，施加荷載速率為0.1mm/s，達到目標損傷豎向位移后以50mm/min的速率迅速卸載[5].彎曲試驗完成后，將損傷的試件靜置于環境箱中在規定溫度和規定時間下愈合，然后將半圓試件冷卻至試驗溫度15℃，再進行半圓彎拉試驗直至試件破壞.瀝青混合料半圓彎拉試驗采用正交試驗設計方法(見表2)，同一條件下安排3次平行試驗，去除誤差大于20%的意外破壞試件，保證最終獲取誤差最小的2組數據進行分析比較.

圖1 半圓試件Fig.1 Semicircular specimen(size:mm)

Sedwick[6]研究認為材料的斷裂能密度(fracture energy density， FED)不會受試驗方式或試件尺寸的影響；斷裂能密度越大，產生破壞所需要的能量越大，材料性能就越好.斷裂能密度是指材料開裂時單位體積所產生的能量，即從開始加載至達到峰值荷載之前荷載-位移曲線下的面積(見圖2陰影部分).斷裂能密度值可通過積分計算得到.

圖2 FED示意圖Fig.2 Calculation diagram of FED

采用斷裂能密度自愈合指標HIFED來表征瀝青混合料自愈合性能.HIFED越大表明瀝青混合料自愈合效果越好，當自愈合指標HIFED為1時，表明瀝青混合料的性能完全恢復.自愈合指標HIFED定義為愈合后試件的斷裂能密度與愈合前試件的斷裂能密度的比值，具體計算公式如下：

(1)

式中：FEDOriginal為未經損傷處理的瀝青混合料試件進行半圓彎拉試驗后獲得的斷裂能密度；FEDHealed為做過損傷處理的試件經一定條件愈合后進行半圓彎拉試驗獲得的斷裂能密度.

1.2.2數字散斑技術

采用數字散斑試驗研究老化程度(未老化、短期老化和長期老化)對瀝青混合料自愈合性能的影響.

加載設備為WDW-10型萬能試驗機.試驗以控制加載位移的方式進行，加載速率為0.1mm/min，持續加載，直至目標損傷的豎向位移為2.6mm，然后以同樣速率卸載，直至外部荷載為0.試驗開始后，加載系統與VIC-3D圖像采集系統同時工作，整個試驗過程分為加載階段、卸載階段和愈合階段.

表2 正交試驗的因素及水平

2 瀝青混合料損傷愈合性能分析

2.1 瀝青混合料半圓彎拉試驗

如表2所示，試驗考慮5個影響因素，每個影響因素取3個水平，各影響因素之間不存在交互作用.當采用瀝青混合料半圓試件的FED作為損傷愈合的評價指標時，各因素條件下的試驗結果如表3所示.為了消除重復水平試驗中的誤差，在表3中設置了2個誤差空列(F,G).試驗采用極差分析法對正交試驗結果進行分析.通過正交試驗得到在不同水平下各影響因素的HIFED值，試驗結果與極差分析見表3.其中Ki(i=1,2,3)為因素水平為i時自愈合指標HIFED值的總和；HIFEDi(i=1,2,3)為Ki的平均值；R表示極差.

由表3中的R值可知，豎向位移(損傷程度)的極差值最大，說明損傷程度對瀝青混合料斷裂能密度的恢復程度影響最顯著，其他4種因素對瀝青混凝土自愈合的影響程度由大到小依次為瀝青種類、老化程度、愈合溫度、愈合時間.

由表3中的HIFEDi值可知：(1)膠粉改性瀝青混合料的自愈合能力最好，其次為90#基質瀝青混合料，最次為SBS改性瀝青混合料.這是由于膠粉改性瀝青中的橡膠粉具有溶脹吸附作用[7]，顆粒表面可形成瀝青質凝膠膜，導致瀝青黏度增大，并且膠粉顆粒具有良好的彈性恢復能力.(2)隨豎向位移的增大(即損傷程度的加大)，瀝青混合料的自愈合能力急劇下降.當豎向位移較小時，試件內部出現微損傷，在溫度和時間的作用下發生愈合效應；若瀝青混合料內部存在宏觀損傷，則難以愈合.(3)瀝青混合料的老化程度越嚴重，其自愈合能力越差.對于90#基質瀝青，老化過程中輕組分在高溫條件下揮發，瀝青質比例增加，流動性降低；對于改性瀝青，老化會令改性劑分子間結構遭到破壞，改性劑對瀝青輕組分的吸附溶脹作用減弱，改性瀝青的流動性變差，瀝青變得硬脆[8].綜上得出，老化作用使瀝青的流動性變差，導致混合料的自愈合能力下降.(4)愈合溫度越高、愈合時間越長，對瀝青混合料的自愈合越有利.當愈合溫度超過40℃時，瀝青混合料自愈合指標迅速增大，即愈合速度更快，此情況與瀝青的流變特性相符.愈合時間小于8h時，瀝青混合料自愈合指標隨時間延長迅速增大；當愈合時間較長時(>8h)，瀝青混合料自愈合能力隨時間的延長而逐漸變低，說明時間達到一定值時，延長愈合時間并不能提高混合料的恢復能力.

2.2 數字散斑試驗

熱老化作用對瀝青混合料的損傷及愈合過程均有一定程度的影響.通過數字散斑技術，進行不同老化程度的基質瀝青混合料損傷自愈合性能研究，觀察試件開始加載—目標損傷—愈合的全過程.在每個試件主裂縫的起裂點左右兩側各取1組點，用這些對應點的水平位移差ΔU=UR-UL(UR，UL分別代表起裂點左右兩側的水平位移)表示該處的裂縫寬度.圖3為未經老化、短期老化及長期老化后基質瀝青混合料試件的ΔU隨時間的變化曲線.其中階段Ⅰ表示加載開始到目標損傷的加載階段；階段Ⅱ為目標損傷完成后進行的卸載階段；階段Ⅲ為在 55℃ 下自愈合120min的愈合階段.

表3 試驗結果與極差分析

圖3 老化程度不同的基質瀝青混合料水平位 移差隨時間的變化Fig.3 Change of ΔU vs time of asphalt mixture with different aging degrees

由圖3可以看出：在荷載施加的初期，ΔU穩定上升，此時ΔU值較小且增長緩慢，此階段由于起裂點處還沒有形成宏觀裂縫，瀝青混合料還具有一定的持荷能力；繼續加載，在某一時刻ΔU突然增大，表明此時有裂縫產生，對比3條ΔU-t曲線發現，經老化后的試件ΔU突變時刻早于未經老化的試件，且老化越嚴重，ΔU突變越早，說明瀝青混合料經溫度老化后開裂時間提前，其持荷能力與抗開裂能力均降低；經老化后的試件ΔU增長速度大于未經老化的試件，在達到目標損傷位移2.6mm時，老化后的試件產生的裂縫較大，說明老化后試件的抗變形能力下降，瀝青混合料變得硬脆.由圖3中的階段Ⅱ曲線可以看出，卸載時的ΔU逐漸變小，裂縫寬度減小.由圖3中的階段Ⅲ曲線可以看出：未老化試件與短期老化試件的ΔU隨愈合時間延長逐漸變小，說明愈合過程中這2種試件的裂縫寬度仍在不斷減小，但速度較為緩慢；長期老化試件在愈合開始的 15min 后ΔU隨時間逐漸增大，說明試件裂縫寬度在逐漸變大；對比愈合階段的3條曲線可以發現，未老化試件裂縫寬度減小的速度略高于短期老化試件，長期老化試件在愈合過程中變形并沒有恢復，反而由于自身的重力作用造成裂縫寬度緩慢增大，這是由于瀝青長期老化后流動性變差，瀝青間的黏聚作用以及瀝青與骨料間的黏附作用減弱，導致瀝青混合料的變形恢復能力下降[9].

3 結論

(1)在5個影響因素中，損傷程度對瀝青混合料的自愈合性能影響最大，然后依次為瀝青種類、老化程度、愈合溫度和愈合時間.隨著損傷程度的不斷加大，瀝青混合料自愈合性能隨之下降，當豎向位移由2.6mm增加到3.2mm時，其自愈合指標下降了19.34%.

(2)3種瀝青混合料中，膠粉改性瀝青混合料的自愈合效果最好，其次為90#基質瀝青混合料，最次為SBS瀝青混合料；當愈合溫度為55℃時，瀝青混合料的自愈合能力最強，這一現象與瀝青的流變特性有關.當愈合時間小于8h時，瀝青混合料自愈合速度較快；當愈合時間大于8h時，瀝青混合料自愈合速度減緩，說明過長的自愈合時間并不能有效提升瀝青混合料自愈合性能.

(3)當采用裂縫兩側點的水平位移差ΔU分析不同老化程度的基質瀝青混合料損傷自愈合性能時發現：在損傷階段，瀝青混合料經老化后流動性能變差，抗裂性能降低；在愈合階段，未老化試件自愈合能力略高于短期老化試件，而長期老化試件由于裂縫較大，較難愈合.