瀝青混合料微裂縫自愈性能研究綜述

王林立 王通 潘鑫

摘要：基于國內外有關瀝青混合料自愈的研究和報道，分別對瀝青混合料自愈研究成果、自愈機理、評價與測試方法、自愈能力改善等方面進行了總結，為進一步的系統(tǒng)研究提供幫助。

關鍵詞：自愈； 成果；機理；方法

1、概述

建于1939 年的阿爾及利亞瀝青混凝土斜墻壩漏水，在未加修理的情況下自我修復并停止漏水，這一現(xiàn)象引起了人們對瀝青混合料自愈性能的注意。1967 年，Bazin等人率先進行了有關瀝青混合料自愈特性的研究，隨后多位學者、研究人員做了大量有關瀝青混合料自愈合研究。近50年，國內外學者在瀝青混合料自愈特性和機理方面取得了巨大的成就。對于瀝青材料自愈合行為的進一步合理解釋、量化評價以及自愈能力增強措施優(yōu)化具有深遠的意義。

2、研究成果

國內外研究人員在瀝青混合料自愈合方面已經做了大量的研究，從不同角度證實了自愈的存在以及對瀝青混合料疲勞開裂壽命的顯著影響。

1967年，Bazin等率先報道了瀝青混合料疲勞損傷自愈合特性，并指出瀝青材料的自愈合即勁度和強度的一個復雜的自我修復過程，它發(fā)生在損害過程中，停歇狀態(tài)下或高溫期間。

2001年，White的研究團隊提出微膠囊自愈合這一概念，通過環(huán)氧樹脂環(huán)境下微膠囊中的自愈和化學藥物產生觸變反應實現(xiàn)自愈合。

2003年，Kim研究了受到剪切荷載的瀝青膠漿在間歇期內的愈合情況，發(fā)現(xiàn)材料的疲勞壽命同樣有所增加。

2007年，Little和 Bhasin提出，瀝青材料裂縫的兩個界面一旦發(fā)生接觸，瀝青分子就會開始互相擴散，直到裂縫完全關閉，材料力學性能得到恢復。

2009年，Garcia和Erik Schlangen首次提出電磁感應加熱瀝青自愈合的概念。

2009年，Bommavaram等發(fā)現(xiàn)某些填料（如消石灰）可增強瀝青混合料的疲勞自愈合速率。

2010年，荷蘭代爾夫特理工大學的Liu通過試驗驗證了添加鋼絲絨的瀝青膠漿和多孔瀝青混合料通過感應加熱愈合的可行性，并顯著改善了瀝青混合料的飛散損失。

2011年，Bhasin研究了在間歇期內瀝青的老化和溫度對自愈的影響。結果表明老化對瀝青自愈有負面影響，而溫度的升高可以提高自愈效率。

2013年，東南大學楊軍等對瀝青混合料疲勞自愈合特性和關鍵影響因素進行了研究，結果顯示自愈率主要由瀝青膠結料性質決定，瀝青含量與自愈合能力的關聯(lián)度較小。

2013年，天津工業(yè)大學的Su制備出一種新型微膠囊，試驗結果顯示，這種微膠囊添加到瀝青混合料中，能加強其自愈效果。

3、自愈機理

目前，大量學者對瀝青自愈機理做了大量的研究。主要有以下幾種。

3.1 表面能理論

1984年，Schapery于1984年提出了基于表面能理論的瀝青自愈，并提出了材料斷裂定律和愈合定律。裂縫表面能理論模型表征了愈合速率與裂縫表面能之間的關系，但無法揭示裂縫愈合的過程，且相關參數(shù)的標定需要進行大量的基礎性研究。

3.2 表面擴散理論

Phillops在Kim建立的擴散模型的基礎上提出了基于表面擴散理論的瀝青自愈。裂縫表面擴散理論模型從界面潤濕和固有愈合兩方面表征了瀝青自愈合過程并建立了對應的關系式，但其中參數(shù)獲得比較困難。基于擴散模型的瀝青自愈機理研究主要借鑒聚合物材料的相關研究成果，其對于瀝青材料的適用性還有待進一步檢驗。

3.3 毛細流動理論

荷蘭代爾夫特理工大學的álvaro García提出了基于毛細流動理論的瀝青混合料自愈合理論模型。毛細流動理論模型在表面擴散理論的基礎上，結合毛細動力學分析了毛細作用下的瀝青自愈合，但該模型要求瀝青處于牛頓流體狀態(tài)，因此對低溫下的瀝青自愈可能不再適用。

3.4 相變理論

瑞典皇家工學院道路和鐵道工程研究所的Butt等采用“相變理論”解釋了瀝青的自愈。瀝青不是人們肉眼看到的均勻物質，而在其中存在“相分離”。隨著溫度的升高，瀝青膠體結構會變得越來越均勻，瀝青依靠熱能或力學能量減少相分離而均勻化的特征就是瀝青自愈性能的基礎。

4、評價與測試方法

近五十年來，國內外針對瀝青自愈行為評價指標及測試方法進行了大量研究，主要評價指標有拉伸強度比、疲勞壽命比、變形恢復率、劈裂強度比、拉伸強度比、復數(shù)模量比、耗散蠕變應變能變化率、復合剪切模量衰減和恢復率、模量比、循環(huán)加載次數(shù)比等。

5、自愈合增強技術

目前國內外關于瀝青自愈增強技術主要有主動增強和被動增強兩種技術。其中微膠囊法、電磁感應加熱法和噴灑修復劑法被廣泛研究。

6 、結語

有關瀝青自愈合行為的研究目前還處于試驗研究階段，研究較為零散。有些研究結果存在爭議，有些甚至有悖于傳統(tǒng)的認知。當前，還沒有哪一種理論能夠全面地解釋瀝青自愈合行為，也沒有系統(tǒng)的評價指標和測試方法，關于瀝青混合料自愈合能力的增強技術也并不完善。因此，系統(tǒng)總結國內外研究者關于瀝青自愈合行為的研究成果十分必要。

盡管在過去的50年內，國內外學者在瀝青及瀝青混合料自愈合方面的研究取得了巨大的成就，但尚有諸多技術難題有待解決。如：實施愈合養(yǎng)護的時機、誘導加熱的深度、加熱的均勻性、自愈合膠囊的強度、存活率等。有關瀝青混合料自愈的機理、表征方法以及增強技術等還有待進一步系統(tǒng)地研究和完善。

參考文獻：

[1]黃明，汪翔，黃衛(wèi)東，橡膠瀝青混合料疲勞性能的自愈合影響因素分析，中國公路學報，2013.

[2] 楊軍，王昊鵬，廖輝，瀝青混合料疲勞自愈性能關鍵影響因素，東南大學學報（自然科學版），1001-0505（2016）01-0196-06.

[3]楊軍，龔明輝，王征。瀝青混合料疲勞自愈性多層次研究現(xiàn)狀，中國科技論文，2095-2783（2013）05-0435-06.

（作者單位：武漢市漢陽市政建設集團有限公司）