自愈合微膠囊對瀝青混合料的性能影響研究

戴淵

（南京市公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇南京 210014）

0 引言

瀝青路面在環(huán)境和荷載的長期作用下，出現(xiàn)裂紋是無法避免的，將極大降低瀝青路面的耐久性能。針對開裂情況，目前路面工程中常用的養(yǎng)護方式有：噴灑修復劑、碎石封層和稀漿封層[1]，但存在養(yǎng)護時機控制難、維護周期長、造價高等缺點。瀝青材料本身具有微裂紋自愈合性能，但無法及時修復裂紋[2]，將自愈合微膠囊技術應用在瀝青混合料中，可有效地提高瀝青的自愈合性能，減少裂紋的出現(xiàn)，延長瀝青的使用壽命。

近年來，眾多學者研究了含有再生效果的微膠囊延長瀝青的使用壽命。張雷[3]采用海藻酸鈉和修復劑制備乳濁液，經過過濾、洗滌、干燥等步驟制成自愈合微膠囊，通過間接拉伸強度、水穩(wěn)定性和疲勞性能愈合前后對比，驗證了微膠囊對瀝青混合料的愈合能力。趙永鑫等[4]采用聚甲基丙烯酸甲酯和再生劑等合成的微膠囊，從流變學角度出發(fā)，驗證了微膠囊對瀝青及瀝青混合料高、低溫流變特性的改善效果。包士文[5]采用海藻酸鈉和凹凸棒土復合壁材瀝青自愈合膠囊，通過強度、熱穩(wěn)定性、疲勞荷載等試驗，探究微膠囊實際荷載作用下的釋放行為和愈合效果。黃全國等[6]制備了基于三聚氰胺-脲-甲醛（MUF）的微膠囊，通過原位聚合法合成，該微膠囊具有良好的熱穩(wěn)定性且分散性好。萬承欽等[7]制備了環(huán)氧樹脂包裹的多孔砂吸附再生劑的微膠囊，發(fā)現(xiàn)膠囊的尺寸越大，含油量越高，但分散性能差，在荷載作用下產生永久變形，不具備長效修復機制。張?zhí)K龍等[8]選用尿素甲醛樹脂為壁材制成自愈合微膠囊，通過瀝青延度和瀝青混合料小梁彎曲試驗，驗證微膠囊的自愈合性能。

綜上所述，目前微膠囊的研究主要集中在新材料的研發(fā)、膠囊的熱穩(wěn)定性和自愈合的修復效果，但對瀝青混合料的路用性能的研究相對較少。從摻加微膠囊的瀝青混合料自愈合性能評價出發(fā)，探討瀝青混合料的水穩(wěn)性能、車轍性能和小梁彎曲性能的變化。在此基礎上，分析小梁試件自愈合前后微觀空隙率的變化，為微膠囊修復瀝青混合料的后續(xù)研究，提供理論基礎。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

試驗選用上面層SMA-13 瀝青混合料進行自愈合瀝青混合料的性能研究，級配見表1。集料選用玄武巖碎石，測得密度為2.973g/cm3；礦粉選用石灰?guī)r，測得密度為2.671g/cm3，親水系數(shù)為0.9；選用SBS 改性瀝青進行試驗，SBS 改性瀝青測得針入度為60.3（0.1mm），軟化點為87.4℃。

表1 SMA-13 瀝青混合料設計級配

自制的自愈合膠囊由海藻酸鈉(C6H7O6Na)n、氯化鈣CaCl2、聚山梨酯-80 和葵花籽油組成，單顆粒徑在5～35μm 的范圍內，加熱至100℃時質量損失低于4%，分解溫度達到405℃，密度為1.043g/cm3。

1.2 自愈合微膠囊制備

自愈合微膠囊的合成流程首先利用液滴法，在氯化鈣溶液中，加入質量分數(shù)為2.5%的海藻酸鈉溶液和葵花籽油的乳濁液（吐溫80 占葵花籽油體積的5%），Ca2+置換乳濁液中游離的Na+，并與海藻酸根鏈形成海藻酸鈣交聯(lián)結構，制成海藻酸鈣包裹菜籽花油滴的膠囊，最后干燥脫水形成自愈合膠囊。

1.3 自愈合微膠囊作用機理分析

當裂紋產生時，微膠囊因其尖端應力而破裂，再生劑被釋放，并在毛細作用下，向裂紋的兩側滲透擴散，與外界的藥劑發(fā)生化學反應，生成聚合物填充縫隙。為了詳細了解微膠囊的微觀行為、觀測毛細作用下再生劑的運動變化，通過熒光顯微鏡試驗分析自愈合微膠囊的作用機理。

首先，將瀝青與微膠囊的混合物黏附在玻璃片上，在一端加入液氮，則瀝青材料內部會因為低溫脆性而產生微裂紋，此微裂紋能成功刺穿微膠囊的外殼。在熒光顯微鏡下，瀝青的顏色為黃色，再生劑的顏色為綠色，微裂縫的顏色為黑色，形成的裂紋寬度在10～15μm。

當微裂紋的尖端應力刺破微膠囊后，再生劑會從微膠囊中泄漏出來，并流入微裂紋。在經過一段時間后，再生劑會填充到微裂紋中，然后通過毛細作用擴散至整個微裂紋。

2 摻加微膠囊的瀝青混合料自愈合性能評價

2.1 微膠囊對瀝青混合料水穩(wěn)性能的影響

在最佳油石比和最佳微膠囊含量的條件下，對SMA-13 瀝青混合料進行水穩(wěn)定性試驗，采用殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比TSR 評價瀝青混合料的抗水損能力，結果見表2 和表3。從試驗結果可以看出，隨著微膠囊的摻入，瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、浸水馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強度均有顯著的提升，其中自愈合后，殘留穩(wěn)定度和TSR 值均能滿足規(guī)范要求。自愈合膠囊填充混合料內的裂縫，可隔絕大量的水分進入混合料內部，瀝青膠漿與自愈合膠囊的黏結性能也越強，明顯提升了瀝青混合料的抗水損能力。

表2 SMA-13 瀝青混合料浸水馬歇爾試驗結果

表3 SMA-13 瀝青混合料凍融劈裂試驗結果

2.2 微膠囊對瀝青混合料車轍性能的影響

在最佳油石比和最佳微膠囊含量（摻瀝青質量0.3%微膠囊）的條件下，對SMA-13 瀝青混合料進行車轍試驗，采用動穩(wěn)定度評價瀝青混合料抵抗車轍變形的能力。從表4 可以得出，在微膠囊的作用下，瀝青混合料的動穩(wěn)定度顯著提升77%，且自愈合后的動穩(wěn)定度滿足規(guī)范要求。

表4 SMA-13 瀝青混合料車轍試驗結果

2.3 微膠囊對瀝青混合料彎曲性能的影響

在最佳油石比和最佳微膠囊含量（摻瀝青質量0.3%微膠囊）的條件下，對SMA-13 瀝青混合料進行小梁彎曲試驗，通過破壞應變評價瀝青混合料彎曲性能，結果見表5。從試驗結果可以看出，隨著微膠囊的摻入，瀝青混合料的抗彎拉強度顯著提升38.6%，勁度模量顯著提升51.7%，破壞應變改善了8.8%，且自愈合后的破壞應變滿足規(guī)范要求。自愈合微膠囊填充了瀝青混合料內部的空隙，對瀝青與集料起到了有效的連接作用，內部嵌擠結構更為穩(wěn)定。因此，抗彎拉強度提高，破壞應變降低。

2.4 微膠囊對瀝青混合料微觀空隙率的影響

使用德國Phoenix 工業(yè)CT 掃描儀，以四點彎曲小梁試件加載前后的試塊為試驗組，通過分析掃描結果的圖像，準確定位瀝青混合料的內部骨料、空隙及裂紋等各組成部分的分布狀態(tài)。對圖像進行灰度處理，進行灰度值分析計算界面空隙率，包括初始空隙率VV0、加載后試件空隙率VV1、自愈合后試件空隙率VV2，第i個試件的裂縫自愈合性能指數(shù)HRi計算公式為：

瀝青混合料的裂縫自愈合性能指數(shù)為：

式（2）中：i為第i個試件；n為平行試件的數(shù)量。

對摻瀝青質量0.3%的微膠囊SMA-13 瀝青混合料，進行小梁彎曲試驗和CT 掃描試驗，通過自愈合性能指數(shù)評價微膠囊的自愈合能力，結果見表6。

表6 SMA-13 瀝青混合料自愈合性能試驗結果

從表6 可以得出，在微膠囊的作用下，SMA-13 瀝青混合料的自愈合性能指數(shù)提高了22%。可以認為，在較低的微膠囊摻量下（瀝青質量的0.3%），可以顯著改善瀝青混合料的自愈合性能，加速瀝青混合料的愈合速度，延緩其在重復荷載作用下的裂縫發(fā)展。

3 結語

本文設計出一種微膠囊類的瀝青路面自愈合技術，采用海藻酸鈉與葵花籽油的乳濁液，經過過濾、洗滌、干燥等步驟制成自愈合微膠囊。分別從瀝青混合料路用性能和微觀孔隙層面，評價了微膠囊對SMA-13 瀝青路面裂縫自愈合性能的改善效果。在最佳油石比和最佳微膠囊含量（摻瀝青質量0.3%微膠囊）的條件下，水穩(wěn)性能、車轍性能、小梁彎曲性能均有明顯的提高，空隙率恢復率可提升22%。建議在實際使用過程中，在保證自愈合效果的前提下，按照瀝青質量的0.3%摻加微膠囊，具有較好的經濟性。