自修復微膠囊在瀝青混合料中的應用

王燕春

(山西交通職業技術學院 公路工程系，山西 晉中 030031)

1 前言

瀝青路面在長期服役過程中受車輛荷載與環境因素的作用，極易產生裂縫，而針對裂縫最常用的處治方式為灌縫，但目前灌縫多依賴于人工修補，處治時間較為滯后，往往是裂縫擴展至路表才能發現并修補，無法對裂縫實現及時實時自動修復。

自修復微膠囊的研發為瀝青路面裂縫的實時自發修復提供了新的思路，從而引起了業界的廣泛關注。將再生劑采用微膠囊的形式添加到瀝青混合料中，可以解決直接將再生劑添加到瀝青中造成的路面抗滑性能減小及有害環境等問題。其修復機理如圖1所示。

圖1 含微膠囊的瀝青混合料自修復機理示意圖

當瀝青混合料內部出現微裂紋時，在傳播途中遇到微膠囊，這時裂縫尖端刺破微膠囊，從而使微膠囊破裂釋放出再生劑對微裂紋進行修復。SU等研究指出，瀝青路面中的集料顆粒間的砂漿膜厚約為50 μm，為了避免瀝青混合料在拌和及碾壓過程中微膠囊發生破裂，微膠囊的尺寸應該小于50 μm，但同時為了保證微膠囊中可以包裹足夠量的再生劑，其尺寸不應小于10 μm。而微膠囊的大小可以通過控制核心與殼材料的質量比(核/殼比)及攪拌速度來調節。此外，微膠囊的摻量應小于瀝青體積的30%，以保證混合料的路用性能。而核/殼比與攪拌速度對微膠囊的殼厚度影響并不大，再生劑對裂縫的填充速度則取決于微膠囊在瀝青中所占的體積比。因此需要對混合料的路用性能及微膠囊的修復速率進行平衡。Garcia等對5種微膠囊的強度與組成進行了表征，并將其添加到瀝青混合料中，通過量化微膠囊在瀝青混合料中的間接拉伸強度、模量及疲勞壽命，對其抗拌和及壓實的能力進行研究，研究表明：尺寸大的微膠囊含修復劑的量較大，但強度小于小尺寸的微膠囊。另外，大多數的微膠囊可以抵抗混合料的拌和及壓實的作用，但由于微膠囊的強度小于所需強度，因而其間接拉伸強度及模量有所降低，而微膠囊對瀝青混合料的疲勞壽命無顯著影響。

綜上所述，目前針對自修復微膠囊的研究主要集中在其機理、制備與表征方面，但針對其在瀝青路面中的應用研究較少。這主要是由于微膠囊技術還不成熟，在與瀝青混合料的拌和過程中易破裂，存活率低，且目前并沒有標準的評價體系對于微膠囊對瀝青混合料的修復作用進行量化表征。該文針對以上問題，在研究討論瀝青種類、環境溫度、瀝青老化程度等因素對摻有自修復微膠囊的瀝青結合料的延度及模量恢復的影響的基礎上，結合光纖測裂縫技術，對不同環境荷載條件、不同級配類型以及不同集料最大粒徑條件下微膠囊瀝青混合料的修復水平進行試驗研究。

2 原材料與試驗方案

2.1 原材料

瀝青采用SK70#基質瀝青、5%SBS改性瀝青及20%膠粉改性瀝青，技術性質如表1所示。制備得到的微膠囊技術性質如表2所示。所采用的3種礦料級配取JTG F20-2004《公路瀝青路面施工技術規范》中AC-10(骨架密實)、SMA-10(懸浮密實)及OGFC-10(骨架空隙)的中值，石料采用石灰巖，油石比均為15%，礦粉用量為25%，以使混合料可以免壓密實。

表1 瀝青結合料技術性質

表2 微膠囊技術性質

2.2 試驗方案

首先進行結合料部分的試驗。采用控制變量法，選擇3種瀝青種類(基質瀝青、SBS改性瀝青、膠粉改性瀝青)、3個溫度水平(0、20、40 ℃)、3種PAV老化溫度(52、64、76 ℃)、4種微膠囊摻量(2%、4%、6%、8%)，測量微膠囊對瀝青結合料的延度恢復及模量恢復的作用效果。采用DSR往復剪切試驗測得瀝青的初始模量，然后在破壞后給予一定時間修復愈合，試驗溫度選擇20 ℃，應力選擇0.4 MPa，加載頻率10 Hz，愈合后再次測得初始模量，每個試驗設置3組平行試件，剔除明顯異常點后取均值。

然后在確定的因素水平條件下進行混合料試驗。試驗結合光纖測裂縫技術，對比微膠囊在瀝青混合料中的修復效果，為保證光纖不在碾壓成型過程中發生損耗及破壞，混合料采用澆筑式瀝青混合料級配免壓實成型。礦料級配采用3種類型(AC-10、SMA-10、OGFC-10)及3種單一最大粒徑(13.2、9.5、4.75 mm)。為模擬自然環境及荷載作用下自修復微膠囊對混合料裂縫的修復作用，分別對不同加速加載次數(荷載0.7 MPa，速率60次/min)、不同凍融作用次數(-40 ℃與40 ℃凍融各6 h為作用1次)、不同溫差作用次數(-40 ℃與40 ℃冷熱交替各6 h為作用1次)、不同紫外線照射時長下混合料的平均裂縫寬度進行測量，每個試驗設置3組平行試件，剔除明顯異常點后取均值。

2.3 光纖測裂縫簡介

將光纖與行車方向從一定角度埋入瀝青混合料中，從光纖一端注入穩定的光功率，在另一端采用OTDR光電探測器探測光功率信號，得到兩端光功率的差值即為光功率損耗，這種損耗是由于裂縫的產生而引起了光纖的彎曲損耗，因此裂縫寬度與光功率損耗存在一定相關關系，根據已知寬度的裂縫與光功率損耗的數值進行曲線擬合，可以得到裂縫寬度與光功率損耗間的對應函數，從而可以根據測得的光功率損耗反算出其他點的裂縫寬度。

對裂縫進行測定，首先應采用室內模擬試驗得到裂縫寬度與光功率損耗關系曲線，將已制備好的瀝青車轍板沿與行車方向垂直的方向一分為二切開，得到一條預制裂縫，將車轍板置于裂縫調制器上，然后將PMMA聚合物光纖埋入瀝青混合料中，并使光纖與行車方向的夾角θ為45°，用環氧樹脂進行封裝。打開光源筆和光功率計，連接好設備，調節預制裂縫的寬度，讀取對應的光功率值。

該文采用的光纖埋設方法如圖2所示，得到的裂縫寬度與光功率損耗關系曲線及擬合公式如圖3所示。

圖2 光纖布設示意圖

圖3 裂縫寬度與光功率損耗關系曲線

2.4 評價指標

微膠囊對瀝青延度及模量恢復效果的貢獻率計算方法如式(1)所示，微膠囊對瀝青混合料裂縫寬度的修復水平如式(2)所示。

(1)

式中：HI為延度或初始模量恢復率；S1、S0分別為摻加微膠囊的瀝青斷裂愈合后、無斷裂的延度或初始模量；W1、W0分別為未摻加微膠囊的瀝青斷裂愈合后、無斷裂的延度或初始模量。

ΔL=L0-L1

(2)

式中：ΔL為微膠囊對瀝青混合料試樣裂縫寬度的修復水平；L0、L1為未摻加、摻加微膠囊瀝青混合料試樣的裂縫平均寬度。

3 結果與討論

3.1 微膠囊對瀝青結合料修復效果影響因素研究

3.1.1 延度恢復

不同因素水平下微膠囊對瀝青延度恢復的貢獻率如圖4所示，其中，修復時間為自裂縫產生起無外力作用條件下試樣的靜置時間。

圖4 不同因素對微膠囊瀝青延度恢復貢獻率的影響

由圖4可以看出：隨著修復時間的延長，HI值先急劇增大，后逐漸趨于平穩，也就是微膠囊對瀝青延度的恢復初期幅度較大，這個階段微膠囊在裂縫的作用下發生破裂，微膠囊中的再生劑迅速釋放對裂紋進行修復，后期當修復穩定后，HI值便保持平穩，將這一近似值記為HImax。由圖4(a)可知：瀝青種類對初期的HI值有一定影響，這是由于改性劑的摻入改變了原本瀝青中組分的分布情況，從而造成接觸反應的速率不一致，而隨著修復時間的延長，這種差異逐漸縮小，最終的恢復效果差距不大，可見裂縫的修復需要足夠的修復時間。由圖4(b)可知：溫度對初期HI值影響顯著，隨著溫度升高，HI值增大，4 h時0 ℃的HI值僅為1.14%，而20 ℃的HI值為5.73%；隨著時間的延長，這種差異有所減小，也就是說隨著溫度的升高，微膠囊瀝青達到愈合最大值的時間有所縮短，但極低的溫度對裂縫的修復效果是有影響的，0 ℃條件下24 h后摻加微膠囊瀝青的HI值僅為9.97%。由圖4(c)可知：針對不同老化程度的瀝青結合料，微膠囊對其修復效果有所差異，這是由于再生劑的注入破壞了已老化部分材料的大分子鏈，使其部分恢復原有水平，但由于老化程度不同，當破壞的界面大于修復能力時，再生劑無法使其復原。由圖4(d)可知：隨著微膠囊摻量的增加，裂縫的愈合速率有所提高，但在相同溫度下，當微膠囊摻量達到4%及以上時，HI的極值很接近，此時多余的微膠囊主要對裂縫的二次修復起作用。

3.1.2 模量恢復

不同因素水平下微膠囊對瀝青初始模量恢復的貢獻率如圖5所示。

圖5 不同因素對微膠囊瀝青初始模量恢復貢獻率的影響

由圖5可知：隨著時間的延長，HI值有不同程度的增大，隨后趨于穩定，這與延度恢復的規律具有一致性。由圖5(a)可知：不同瀝青種類的HI值有所差異，但隨著時間的延長，差異逐漸減小。由圖5(b)可知：溫度對HI值影響顯著，隨著溫度升高，HI值增大，對比15 min時0 ℃的HI值為23.52%，而20 ℃的HI值為25.47%；而隨著愈合時間的延長，這種差異有所減小。由圖5(c)可知：微膠囊對不同老化程度的瀝青結合料修復效果有所差異。由圖5(d)可知：隨著微膠囊摻量的增加，裂縫的愈合速率有所提高，但在相同溫度下，當微膠囊摻量達到4%及以上時，HI的極值很接近。因此，DSR試驗結果與延度試驗結果具有一致性，但延度所需修復時間較長，且在混合料的應用中，瀝青砂漿的膜厚約為50 μm，與DSR的瀝青厚度為1 mm更為接近，因此建議在條件允許的情況下，可采用DSR試驗進行微膠囊修復水平的表征。

3.2 微膠囊對瀝青混合料修復效果影響因素研究

3.2.1 環境及荷載作用影響

不同環境及荷載作用下微膠囊對瀝青混合料試樣裂縫寬度的修復水平如表3所示，試驗溫度為20 ℃。

由表3可知:不同環境及荷載作用下微膠囊對瀝青混合料的修復效果有所不同。在單因素作用下混合料的裂縫寬度較小，未摻加微膠囊的試樣裂縫寬度最大可達3.46 mm，此時摻加微膠囊的試樣裂縫寬度最大為2.24 mm，說明微膠囊對于瀝青混合料早期的微小裂縫具有較好的修復效果，而隨著環境及加載條件的耦合，未摻加微膠囊試樣的裂縫寬度迅速增大，最大達到8.02 mm，而摻加微膠囊的試樣裂縫寬度最大為4.89 mm，說明早期對于微小裂縫的修補起到了防止裂紋擴展的作用，也就是說微膠囊的摻加可以有效對路面早期微小裂縫進行修復，從而防止微小裂紋迅速演化擴展，大大提高路面的服務水平及服役壽命。

表3 不同環境及荷載作用下微膠囊對瀝青混合料試樣裂縫寬度的修復水平

由此可知，瀝青路面產生裂縫是多種作用耦合的結果，由前述DSR試驗可知，在瀝青膜極薄的情況下，微膠囊瀝青在20 ℃環境條件下自修復達到極值的時間最大為30 min，因此該文選擇加速加載6×106次，溫差循環60次，凍融循環40次，紫外線照射28 d作為一個作用周期，相鄰程序及周期間隔30 min作為修復時間。

3.2.2 級配影響

不同級配類型條件下微膠囊對瀝青混合料試樣裂縫寬度的修復水平如圖6所示。

圖6 級配類型對微膠囊對瀝青混合料試樣裂縫寬度的修復水平的影響

由圖6可以看出：在外部環境及荷載的作用下，隨著作用周期的增大，微膠囊對瀝青混合料試樣裂縫寬度的修復水平逐漸減小，從第4個作用周期開始接近于0，說明微膠囊的修復作用在第4個作用周期時已達到極限值；而對于不同級配類型的混合料，微膠囊對其修復效果有所差異，這可能一方面與不同級配類型的混合料在外部環境及荷載條件下作用力傳遞與應力集中不同有關；另一方面是由于在相同瀝青用量下，不同級配類型的混合料中砂漿膜厚有所差異，產生裂縫的難易性也有所差異。針對該文所選的3種級配，微膠囊對SMA-10的修復效果最好。

3.2.3 單一粒徑大小影響

不同單一粒徑條件下微膠囊對瀝青混合料試樣裂縫寬度的修復水平如圖7所示。

圖7 微膠囊對單一集料粒徑瀝青混合料試樣裂縫寬度的修復水平的影響

由圖7可知：隨著粒徑的增大，微膠囊修復效果達到極值的作用周期數減小，且同一作用周期下，大粒徑混合料的ΔL值較小粒徑混合料大，說明大粒徑的混合料在環境及荷載作用下更易發生開裂，且開裂尺寸較大，因此微膠囊中的再生劑迅速大量釋放進行裂縫的修復，也因此修復次數有所減小。

4 結論

該文結合光纖測裂縫技術，通過對影響微膠囊在瀝青結合料及瀝青混合料中修復效果的試驗分析，得出以下結論：

(1)微膠囊對瀝青延度的恢復初期幅度較大，后期趨于平穩。針對不同老化程度的瀝青結合料，微膠囊對其修復效果有所差異。隨著微膠囊摻量的增加，裂縫的愈合速率有所提高，但在相同溫度下，當微膠囊摻量達到4%及以上時，微膠囊對瀝青延度恢復的貢獻率達到極值。

(2)DSR試驗結果與延度試驗結果具有一致性，但耗時較短，且DSR的瀝青厚度與混合料中瀝青砂漿的膜厚(約50 μm)更為接近，因此建議采用DSR試驗進行微膠囊對瀝青結合料修復水平的表征方法。

(3)不同環境及荷載作用下微膠囊對瀝青混合料的修復效果有所不同。在單因素作用下混合料的裂縫寬度較小，而隨著環境及加載條件的耦合，未摻加微膠囊試樣的裂縫寬度迅速增大，而微膠囊早期對于微小裂縫的修補起到了防止裂紋擴展的作用。

(4)在外部環境及荷載的作用下，隨著作用周期的增大，微膠囊對瀝青混合料試樣裂縫寬度的修復水平逐漸減小，其修復作用在第4個作用周期時達到極限值；而對于該文所選的3種級配類型的混合料，微膠囊對SMA-10的修復效果最好；隨著粒徑的增大，微膠囊修復效果達到極值的作用周期數減小。