瀝青混合料自愈合增強(qiáng)技術(shù)研究綜述

許云龍 楊小龍 李自齊

Summary of Research on Self-healing Enhancement Technology of Asphalt Mixture

XU Yun-long YANG Xiao-long LI Zi-qi

摘要：瀝青路面在使用過程中經(jīng)受行車荷載和各類環(huán)境因素影響，不可避免會(huì)產(chǎn)生老化、變硬進(jìn)而導(dǎo)致路用性能降低和疲勞開裂，如果未來能研制出裂紋自動(dòng)愈合的智能型路面，那么必然能夠大大延長(zhǎng)道路的使用壽命。大量的研究證實(shí)了當(dāng)給予破壞的瀝青混合料一定的間歇期，瀝青混合料會(huì)發(fā)生裂紋閉合，性能有所回升的現(xiàn)象——瀝青混合料自愈合。結(jié)合瀝青混合料的自愈合機(jī)理，分析了自愈合的影響因素，對(duì)瀝青混合料的自愈合增強(qiáng)技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了探討。

Abstract： Asphalt pavement is affected by driving load and various environmental factors during use. It will inevitably lead to aging and hardening， which will lead to reduced road performance and fatigue cracking. If an intelligent pavement with automatic crack healing can be developed in the future， it will certainly be able to Greatly extend the life of the road. A large number of studies have confirmed that when the asphalt mixture is given a certain intermittent period， the asphalt mixture will crack and the performance will rebound. The asphalt mixture will heal itself. Combined with the self-healing mechanism of asphalt mixture， the influencing factors of self-healing were analyzed， and the research status of self-healing strengthening technology of asphalt mixture was discussed.

關(guān)鍵詞：瀝青;自愈合;機(jī)理;影響因素;增強(qiáng)技術(shù)

Key words： asphalt;self-healing;mechanism;influencing factors;reinforcement technology

中圖分類號(hào)：U414? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）32-0277-03

0? 引言

1976年Bazin等[1]率先提出瀝青混合料具有自愈合能力，而后國(guó)內(nèi)外學(xué)者紛紛展開了對(duì)瀝青自愈合的研究，在該領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。但瀝青混合料的自愈合能力本身有限，且耗時(shí)較長(zhǎng)，如何提高瀝青混合料的自愈合能力成為當(dāng)下研究的重點(diǎn)。

1? 自愈合機(jī)理

Phillips[2]提出，瀝青自愈合可分為三個(gè)步驟：①壓力作用和瀝青流動(dòng)引起微裂縫閉合;②在表面能的作用下，裂縫兩側(cè)表面瀝青分子濕潤(rùn)促使微裂縫閉合;③瀝青分子相互擴(kuò)散、瀝青結(jié)構(gòu)自由重組。

Wool等[3]認(rèn)為瀝青自愈合分為三步：①由布朗運(yùn)動(dòng)引起的裂縫表面潤(rùn)濕;②裂縫表面分子相互擴(kuò)散;③界面分子隨機(jī)化組合與排列。

孫大權(quán)[4]提出：瀝青混合料自愈合機(jī)理本質(zhì)上是裂縫界面瀝青分子為降低表面能而自發(fā)進(jìn)行的界面濕潤(rùn)與吸附和分子擴(kuò)散，其原動(dòng)力來源于裂紋界面分子范德華力和氫鍵形成的化學(xué)吸附。

2? 自愈合影響因素

2.1 內(nèi)在因素

瀝青種類：不同種類瀝青自然有不同程度的自愈合特性。

瀝青化合物分子形態(tài)：Kim等[5]提出亞甲基與甲基比（CH2/CH3）高（及分子鏈長(zhǎng)），瀝青具有較高的愈合速率;亞甲基和甲基中氫原子數(shù)與碳原子數(shù)比（MMHC）高，側(cè)鏈分支多，愈合速率高。

瀝青含量：KiM[5]認(rèn)為低瀝青含量的瀝青混凝土比高含量的瀝青混凝土具有較高的愈合速率;黃明[6]發(fā)現(xiàn)在瀝青用量較高時(shí)，橡膠瀝青混合具有更好的愈合性能。

改性劑：孫大權(quán)[7]提出SBS改性瀝青自愈合能力大于基質(zhì)瀝青。添加巖瀝青會(huì)降低瀝青的自愈合能力。

級(jí)配：Grant[8]認(rèn)為粗級(jí)配瀝青混凝土比細(xì)級(jí)配瀝青混凝土具有較高的愈合速率。

粉膠比：崔亞楠[9]研究了不同粉膠比對(duì)瀝青自愈合性能的影響，發(fā)現(xiàn)粉膠比為1時(shí)愈合能力最強(qiáng)，過大或是過小的粉膠比都會(huì)使瀝青的自愈合能力降低。

填料：Little等[10]發(fā)現(xiàn)添加某些填料（比如熟石灰）能直接影響瀝青混凝土的愈合速率。

孔隙率：黃明[6]發(fā)現(xiàn)無論是勁度模量恢復(fù)率和疲勞壽命恢復(fù)率都與混合料的空隙率成反比。即瀝青混合料的愈合率與孔隙率的大小成反比。

應(yīng)變水平：黃明[6]在橡膠瀝青混合料疲勞性能自愈合影響因素研究中控制不同的應(yīng)變水平，發(fā)現(xiàn)勁度模量恢復(fù)率和疲勞壽命恢復(fù)率與應(yīng)變大小成反比。

損傷度：黃明[6]發(fā)現(xiàn)勁度模量恢復(fù)率和疲勞壽命恢復(fù)率與損傷度大小成反比。

2.2 外在因素

間歇時(shí)間：大量研究表明增加間歇期能夠給予瀝青混合料更多的愈合時(shí)間從而達(dá)到較高的愈合率。

愈合溫度：大量研究表明提高瀝青混合料溫度能顯著提高其自愈合效率，但是過高的溫度也會(huì)加速瀝青混合料的老化。

3? 自愈合增強(qiáng)技術(shù)

3.1 SBS改性瀝青

姜睆[11]利用DSR對(duì)基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和經(jīng)過老化處理后的瀝青進(jìn)行疲勞-愈合-再疲勞測(cè)試，以復(fù)合模量衰減的速率評(píng)價(jià)瀝青的自愈合能力。發(fā)現(xiàn)SBS改性瀝青的自愈合性能大于基質(zhì)瀝青和老化處理后的瀝青。

孫大權(quán)[7]利用DSR對(duì)添加了SBS改性劑的瀝青和普通基質(zhì)瀝青進(jìn)行間歇掃描，設(shè)置不同的間歇時(shí)間，不同損傷度，利用表象法和能量法指標(biāo)進(jìn)行愈合能力評(píng)定，得出SBS改性瀝青比基質(zhì)瀝青具有更高的愈合性能。

崔亞楠[9]同樣對(duì)SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青進(jìn)行DSR試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)SBS改性瀝青膠漿愈合指數(shù)高于基質(zhì)瀝青膠漿，但愈合指數(shù)增長(zhǎng)速率小于基質(zhì)瀝青膠漿，這說明SBS改性瀝青相比基質(zhì)瀝青自愈合能力更強(qiáng)，而愈合效率較低。

Qiu[12]提出SBS改性瀝青在SBS網(wǎng)絡(luò)斷裂之前的自修復(fù)性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青;SBS改性瀝青在SBS網(wǎng)絡(luò)斷裂之后的自修復(fù)性能劣于基質(zhì)瀝青。

3.2 感應(yīng)加熱

在瀝青混凝土中添加適量的導(dǎo)電纖維，如石墨，鋼絲絨等，然后通過電磁感應(yīng)加熱等形式對(duì)瀝青混合料進(jìn)行加熱，加速瀝青的愈合。

2009年，Garcia等[13]首次提出電磁感應(yīng)加熱促使瀝青膠漿實(shí)現(xiàn)自愈合的概念，這主要是通過添加導(dǎo)電纖維來實(shí)現(xiàn)。Garcia等[14]通過建立電磁感應(yīng)模型評(píng)價(jià)了添加導(dǎo)電材料的瀝青膠漿的愈合性能，并證實(shí)電磁感應(yīng)加熱的確擁有促進(jìn)瀝青材料愈合的能力。

何亮[15]在瀝青混合料小梁中添加不同直徑，不同長(zhǎng)度，不同量的鋼絲絨并進(jìn)行電磁感應(yīng)加熱。鋼絲絨（3.5mm）摻量為4%的密實(shí)型瀝青混合料加熱到75℃時(shí)具有94.6%的理想自愈合率。鋼絲絨的加入會(huì)提高密實(shí)型瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，而降低了其低溫抗裂性能，摻入2%的鋼絲絨可提高密實(shí)型瀝青混合料的水穩(wěn)定性，但隨著摻量的增加，混合料水穩(wěn)定性卻逐漸降低。可見鋼絲絨的添加量不是越多越好。

3.3 自愈合微膠囊

微膠囊分為囊芯和囊壁結(jié)構(gòu)，囊芯一般為瀝青再生劑，囊壁包裹囊芯，囊壁受力破裂后釋放包裹其中的再生劑，再生劑平衡了瀝青中的各組分，降低瀝青粘度，從而達(dá)到性能恢復(fù)，微裂紋愈合的效果。

White等[16]在2001年提出了自愈合微膠囊的概念。通過裂縫處微膠囊內(nèi)的愈合藥劑和環(huán)氧樹脂環(huán)境下的化學(xué)藥品發(fā)生觸變反應(yīng)來完成裂紋的自愈合。微膠囊發(fā)揮作用的過程分為三步：①微裂紋形成，②微膠囊在裂縫處破損，并在毛細(xì)管作用下釋放出愈合劑，③愈合劑與外界的藥劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成聚合物填充裂縫內(nèi)部。

Garcia等人[17]在2010年用環(huán)氧樹脂和細(xì)砂作為膠囊壁，再生劑作為嚢心，制備出自愈合微膠囊并應(yīng)用于瀝青混凝土中。對(duì)該復(fù)合材料進(jìn)行間接拉伸疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其降低了瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度，并導(dǎo)致最大變形有所增加，但疲勞壽命有所減少。

Jun-Feng Su[18]等采用TGA對(duì)MMF微膠囊的熱穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)了一種高低溫循環(huán)測(cè)試微膠囊熱穩(wěn)定性的方法。發(fā)現(xiàn)在180-200℃時(shí)微膠囊能保持其良好的形貌，溫度繼續(xù)升高，微膠囊軟化粘結(jié)成塊，當(dāng)溫度達(dá)到240℃時(shí)微膠囊開始產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞;并且在交變溫度作用下大部分再生劑依然很好的被包裹在微膠囊中，再次驗(yàn)證了微膠囊擁有良好的溫度穩(wěn)定性。Su根據(jù)雙板微操作方法測(cè)試了MMF殼微膠囊的力學(xué)性能，用荷載位移曲線描繪出了單體微膠囊受力后產(chǎn)生的彈塑性變形。用SEM觀察了在瀝青試樣產(chǎn)生裂縫后的微膠囊變化，發(fā)現(xiàn)微膠囊破裂，再生劑流出迅速填滿裂縫并滲透到裂縫兩側(cè)，裂縫愈合，證實(shí)了微膠囊的的確在產(chǎn)生作用。

劉哲[19]采用原位聚合法，以脲醛樹脂為囊壁、環(huán)氧E-51為囊芯材料、T31為固化劑制備了自修復(fù)微膠囊。對(duì)添加微膠囊后70#基質(zhì)瀝青的三大指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定，發(fā)現(xiàn)在微膠囊添加量為瀝青質(zhì)量的1%時(shí)，瀝青10℃延度已經(jīng)低于規(guī)范的技術(shù)要求，說明在添加微膠囊時(shí)其用量不宜過大。添加微膠囊后瀝青的軟化點(diǎn)有小幅度上升，針入度先上升后下降，但仍處于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。發(fā)現(xiàn)隨著瀝青及微膠囊在低溫（10℃以下）時(shí)很難發(fā)揮其愈合能力，溫度在20～30℃時(shí)，瀝青自愈合率明顯提升，最高達(dá)到36%，添加了微膠囊后也有同樣的趨勢(shì)，且其最高值可達(dá)50%;說明添加微膠囊對(duì)瀝青的愈合能力有顯著提升。

Max A. Aguirre[20]等采用原位聚合法制備雙壁微膠囊。對(duì)六組添加了再生劑、微膠囊、PCWS的不同組合SBS改性RAP混合料小梁進(jìn)行三次（破壞前、破壞后、愈合后）三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，后分兩組分別在室溫（26±2℃）和高溫（50±2℃）進(jìn)行0-6天的愈合試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)室溫下的瀝青梁比在高溫下具有更好的愈合性能，并指出在高溫下樣品的愈合效率較低可歸因于由于延長(zhǎng)暴露于高溫而在瀝青中發(fā)生的老化過程。

4? 結(jié)論

本文結(jié)合近幾年來國(guó)內(nèi)外對(duì)瀝青混合料的自愈合特性研究，從自愈合機(jī)理，影響因素與自愈合增強(qiáng)技術(shù)三方面進(jìn)行了探討，但將研究運(yùn)用到實(shí)際道路中還任重道遠(yuǎn)，未來研究的發(fā)展方向一方面是自愈合水平的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，另一方面則是研制新型高效的自愈合智能路面。

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作者簡(jiǎn)介：許云龍（1994-），男，福建寧德人，碩士研究生，從事道路瀝青混合料研究。