自愈合膠囊對瀝青混合料的性能影響研究*

張 雷 劉全濤 吳少鵬 汪曾峰 Alvaro Garcia

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室1) 武漢 430070)(諾丁漢大學(xué)諾丁漢交通工程中心2) 諾丁漢 NG14BU)

0 引 言

在環(huán)境和行車荷載的作用下瀝青路面內(nèi)部易出現(xiàn)裂紋，并快速發(fā)展為裂縫、松散、坑槽等病害，嚴重降低路面技術(shù)質(zhì)量與使用壽命.目前瀝青路面的養(yǎng)護方法包括噴灑修復(fù)劑、碎石封層、稀漿封層等幾種薄層技術(shù)，這些技術(shù)都是在路面出現(xiàn)輕微或較嚴重病害之后所采取的被動維修方式，存在養(yǎng)護時機難以抉擇、資源消耗大、維護周期長、對道路通行影響大、成本高等缺點，同時修復(fù)劑的應(yīng)用則會降低瀝青路面的抗滑性能[1].瀝青具有微裂紋自愈合能力[2]，增強瀝青材料的自愈合能力能夠有效延長瀝青路面的服役壽命.

近年來，在瀝青或瀝青混合料中加入包含修復(fù)劑的不同尺寸膠囊來提高瀝青路面的服役壽命成為眾多學(xué)者研究的課題[3].通過聚合物在修復(fù)劑表面聚合，制備滿足瀝青拌合要求包裹修復(fù)劑的自愈合膠囊，將其摻入到瀝青混合料中，當混合料受到荷載產(chǎn)生裂紋時，裂紋誘導(dǎo)膠囊破裂釋放出修復(fù)劑；在毛細虹吸力的作用下，修復(fù)劑沿著裂紋擴散，降低裂紋界面上的瀝青粘度，從而達到快速修復(fù)裂紋的效果[4].

目前所研究的自愈合膠囊主要包括尺寸在10～500 μm之間的微膠囊和尺寸在1～4 mm間的毫米級膠囊.Su等[5-7]選用甲醇改性三聚氰胺甲醛預(yù)聚物MMF為壁材，采用原位聚合法合成了尺寸在20 μm左右的微膠囊，該膠囊具有良好的熱穩(wěn)定性，并能在瀝青和瀝青混合料中起到很好的自愈合效果.Chuang等[8-9]均采用了尿素甲醛樹脂為壁材合成了穩(wěn)定的微膠囊，通過小梁破壞愈合和前后延度比驗證了微膠囊復(fù)合瀝青的愈合性能.García等[10-11]以多孔砂為修復(fù)劑載體，利用環(huán)氧樹脂和水泥包裹吸附了修復(fù)劑的多孔砂，制成了粒徑為4 mm左右的自愈合膠囊，發(fā)現(xiàn)其對裂紋有很好的修復(fù)效果.

上述研究在合成、應(yīng)用自愈合膠囊時更多的是關(guān)心膠囊拌合過程中的熱穩(wěn)定性和其對瀝青和瀝青混合料裂紋修復(fù)效果的影響，而忽視了膠囊對瀝青混合料路用性能的影響.文中研究了摻有不同摻量自愈合膠囊的瀝青混合料的間接拉伸強度、抗水損害性能、抗剝落性能和抗疲勞性能，以揭示摻入自愈合膠囊對瀝青混合料力學(xué)性能的影響.

1 原材料與實驗方法

1.1 原材料

采用湖北鄂州生產(chǎn)的70號A級道路石油瀝青，按照文獻[12]相關(guān)實驗測得瀝青的基本性能指標見表1.集料采用優(yōu)質(zhì)玄武巖碎石，最大粒徑為16 mm；礦粉采用內(nèi)蒙古白音錫勒石灰?guī)r礦粉，其親水系數(shù)為0.9、密度為2.702 g/cm3.上述試驗材料的各項技術(shù)指標均滿足文獻[13]的要求.自愈合膠囊是利用海藻酸鈉與修復(fù)劑一起剪切形成乳濁液，控制一定的孔徑逐滴滴入到CaCl2溶液中固化，然后過濾、洗滌和干燥而制成的[14].隨機選取50粒膠囊利用游標卡尺測量其直徑，其平均粒徑為2.1 mm，粒徑分布見圖1.

表1 70號道路石油瀝青性能指標

圖1 自愈合膠囊

1.2 芯樣制備

瀝青混合料級配統(tǒng)一采用AC-13，集料級配曲線見圖2，油石比為4.7%.膠囊摻量分別為占混合料質(zhì)量的0%，0.5%，0.75%和1%.由于自愈合膠囊摻量較低(不超過1.00%)，因此,本研究在不改變?yōu)r青混合料原始級配和油石比的情況下直接摻入不同摻量的自愈合膠囊.實驗過程中，利用瀝青混合料攪拌機將瀝青混合料拌合好后，將自愈合膠囊均勻撒在拌和好的瀝青混合料表面，再拌和15 s，待膠囊在混合料中分布均勻后即可倒入車轍板模具中，利用車轍板成型機進行碾壓成型車轍板試件，待試件在室溫下自然冷卻48 h后脫模，利用路面取芯機在車轍板上均勻取出四個尺寸為直徑×高=100 mm×50 mm圓柱體試件進行相關(guān)實驗.

圖2 AC-13級配曲線圖

1.3 基本性能實驗

依據(jù)常見的瀝青混合料力學(xué)性能評價指標，進行穩(wěn)定度、間接拉伸強度、凍融劈裂強度、肯塔堡飛散等試驗研究膠囊對瀝青混合料力學(xué)性能的影響.由于摻入的自愈合膠囊強度較低，為防止膠囊在成型過程中破裂，需避免采用馬歇爾擊實的方法成型混合料，因此，本文凍融劈裂試驗采用的試件不是采用雙面擊實50次的馬歇爾試件，而是車轍板成型后鉆取的芯樣.其余試驗方法嚴格文獻[12]的相關(guān)要求進行.

1.4 疲勞性能試驗

本研究采用采用UTM-25試驗機進行間接拉伸疲勞試驗研究對膠囊瀝青混合料的疲勞特性，加載模式為應(yīng)力加載，實驗過程中反復(fù)加載的半正弦波荷載(或應(yīng)力)的峰谷值保持一致，通過反復(fù)加載產(chǎn)生的位移變化量的累積，直到試件最終斷裂破壞.將破壞時的加載次數(shù)定義為混合料的疲勞壽命，在不同應(yīng)力下的疲勞壽命通過公式(1)進行回歸分析，所得曲線即為混合料的疲勞曲線.

Nf=K(1/σ0)n

(1)

式中：σ0為初始彎拉應(yīng)力，MPa；Nf為達到破壞時的重復(fù)荷載作用次數(shù)；K，n為疲勞曲線回歸常量.

間接拉伸試驗原理圖見圖3.試驗中荷載加載頻率為1 Hz，其中0.1 s為加載時間，0.9 s為間歇時間.試驗溫度為15 ℃，所有試件在實驗前均保溫4 h以上，確保試件里外溫度均達到設(shè)定溫度.

圖3 間接拉伸疲勞試驗

2 結(jié)果與討論

2.1 間接拉伸強度

利用UTM在25 ℃下對瀝青混合料芯樣進行間接拉伸強度試驗，瀝青混合料泊松比設(shè)定為0.4，實驗結(jié)果見圖4.隨著應(yīng)變的增加，瀝青混合料內(nèi)部的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力也會增加，待達到瀝青膠漿粘結(jié)力的臨界值后，瀝青膠漿將會被撕裂，集料開始分離，瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，其強度將會開始下降.由圖4可知，瀝青混合料的間接拉伸強度隨著自愈合膠囊摻量的增加先變大后減小，其中摻量為0.50%時混合料的強度最高，相對于不摻自愈合膠囊的瀝青混合料強度增加了10%；而繼續(xù)增加摻量到0.75%時，混合料的間接拉伸強度下降到低于不摻自愈合膠囊時的水平；摻量達到1.0%時，瀝青混合料間接拉伸強度從不摻自愈合膠囊的0.56 MPa下降到0.42 MPa，下降了25%，此時瀝青混合料的抗車轍性能已將將大幅度下降(曲線斜率大幅度降低).

圖4 自愈合膠囊對混合料間接拉伸強度的影響

出現(xiàn)上述現(xiàn)象，可能是在瀝青混合料中加入少量微小球狀自愈合膠囊后，自愈合膠囊會適當?shù)靥畛浠旌狭蟽?nèi)部空隙，同時也會使瀝青混合料更容易壓實，瀝青膠漿充分的包裹集料，從而導(dǎo)致內(nèi)部嵌擠結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，因此間接拉伸強度會略有增加.而當自愈合膠囊繼續(xù)增加，自愈合膠囊除了填充空隙還會破壞密級配原有的集料嵌擠結(jié)構(gòu)，同時瀝青膠漿與自愈合膠囊的粘附性較差，導(dǎo)致瀝青混合料的間接拉伸強度開始下降，且隨著摻量的增加而下降明顯.

2.2 水穩(wěn)定性

采用殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比TSR評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性，在實驗中穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗按照路面芯樣規(guī)范進行測試，測試結(jié)果見圖5.隨著自愈合膠囊摻量從0%，0.50%，0.75%到1.0%其穩(wěn)定度和TSR也是呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在摻量為0.50%時達到最大.當自愈合膠囊摻量為0.50%時，瀝青混合料的穩(wěn)定度從不摻膠囊的8.93 kN增加到9.11 kN，出現(xiàn)了小幅增長，同時其TSR也從90.4%上升到93.9%；而當摻量繼續(xù)增加到0.75%時，穩(wěn)定度和TSR都下降到低于不摻自愈合膠囊時的水平；摻量達到1.0%時，穩(wěn)定度下降到7.94 kN，下降了11%；而TSR則下降到78.8%，低于施工技術(shù)規(guī)范所要求的80%.

在瀝青混合料中摻入0.50%的自愈合膠囊時，水穩(wěn)定性有所提高，主要原因與其間接拉伸強度在自愈合摻量為0.50%時有所增加原因一致.自愈合膠囊填充瀝青混合料中的部分空隙，使瀝青膠漿對集料的包裹更加充分，同時進入瀝青混合料中的水分含量減少，凍融后由于內(nèi)部水分結(jié)冰所產(chǎn)生的體積變化而導(dǎo)致的內(nèi)部應(yīng)力增加而產(chǎn)生的破壞也會減小.然而，當自愈合膠囊摻量超過臨界值時，瀝青混合料空隙率上升使內(nèi)部水分增加，結(jié)冰產(chǎn)生的應(yīng)力破壞自然更大，瀝青膠漿與自愈合膠囊粘結(jié)性相對于瀝青膠漿與集料而言的弱勢更加凸顯出來，明顯降低了瀝青混合料的抗水損害性能.

圖5 自愈合膠囊對混合料穩(wěn)定度和TSR的影響

2.3 肯塔堡飛散損失

瀝青混合料的肯塔堡飛散實驗一般是用來評價SMA，OGFC或抗滑表層混合料等這些表面構(gòu)造深度大、空隙中容易充滿水的級配類型在重復(fù)交通荷載下抵抗由于瀝青與集料之間黏結(jié)力不足引起的脫落、掉粒或飛散的一種實驗方法.本研究雖然采用的是密級配，但是膠囊表面光滑，當里面的修復(fù)劑流出時會降低瀝青與集料之間的粘附性，因此也應(yīng)用了本實驗來研究自愈合膠囊對瀝青混合料抗掉粒性能的影響，見圖6.由圖6可知，隨著自愈合膠囊摻量的增加，瀝青混合料的飛散損失值也會增加.未摻膠囊的混合料的飛散損失只有4.98%，在摻入0.50%膠囊時其飛散損失也只是增加了0.08%，抗掉粒性能基本沒有變化.而摻量超過0.50%后，隨著摻量的增加飛散損失開始增加，摻量為1.00%時，飛散損失達到了6.4%，與未摻膠囊的混合料的飛散損失相差不大，說明自愈合膠囊對瀝青混凝土的抗脫落性能基本沒有影響.

圖6 自愈合膠囊對混合料肯塔堡飛散損失的影響

2.4 疲勞性能

間接拉伸疲勞試驗采用應(yīng)力加載模式，在15℃下試驗測得不同自愈合膠囊摻量的瀝青混合料的疲勞壽命，然后將疲勞壽命與相應(yīng)的應(yīng)力值在雙對數(shù)坐標中作圖，采用冪指數(shù)函數(shù)(y=axb)進行擬合即為經(jīng)典疲勞方程.其中，a值可以在一定程度上反映瀝青混合料的抗疲勞性能，a值越大，疲勞曲線越高，抗疲勞性能越好；b值反應(yīng)瀝青混凝土的應(yīng)力敏感性，b值越小，瀝青混合料受應(yīng)力大小的影響越嚴重，重載適應(yīng)性越差.圖7對比分析了不同自愈合膠囊摻量的瀝青混合料的疲勞曲線.

圖7 自愈合膠囊對混合料疲勞性能的影響

由圖7可知，在相同應(yīng)力水平下，自愈合膠囊摻量為0.50%時瀝青混合料的疲勞壽命會略高于普通瀝青瀝青混合料；到摻量增加到1.00%時，相同應(yīng)力水平下的瀝青混合料的疲勞壽命只有普通瀝青混合料的50%左右.從回歸系數(shù)也可以看出摻入0.50%的自愈合膠囊能適當?shù)奶岣邽r青混合料的疲勞性能，增加了瀝青膠漿與集料接觸的比表面積.但是繼續(xù)增加摻量，瀝青混合料的疲勞性能將開始嚴重下降，因為膠囊摻量過多導(dǎo)致瀝青膠漿與自愈合膠囊的粘附性較差，同時自愈合膠囊強度明顯低于玄武巖集料強度等缺陷也開始凸顯出來.回歸系數(shù)b值基本保持不變，說明自愈合膠囊對瀝青混合料的應(yīng)力敏感性基本沒有影響.

3 結(jié) 論

1) 隨自愈合膠囊摻量的增加，瀝青混合料肯塔堡飛散值只有很小增加，自愈合膠囊對AC-13瀝青混合料的抗脫落性基本沒有影響；

2) 適當摻入少量自愈合膠囊，還會適當提高AC-13瀝青混合料的間接拉伸強度、水穩(wěn)定性和疲勞性能，但是當摻量繼續(xù)增加，上述性能將會嚴重下降，甚至不滿足相關(guān)施工規(guī)范；

3) 在選用此膠囊來提高AC-13瀝青混合料的自愈合性能時，摻量應(yīng)不超過瀝青混合料質(zhì)量的0.50%.

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