瀝青混合料自愈合增強技術研究綜述

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受行車荷載和各類環境因素影響，不可避免會產生老化、變硬進而導致路用性能降低和疲勞開裂，如果未來能研制出裂紋自動愈合的智能型路面，那么必然能夠大大延長道路的使用壽命。大量的研究證實了當給予破壞的瀝青混合料一定的間歇期，瀝青混合料會發生裂紋閉合，性能有所回升的現象——瀝青混合料自愈合。結合瀝青混合料的自愈合機理，分析了自愈合的影響因素，對瀝青混合料的自愈合增強技術研究現狀進行了探討。

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.

關鍵詞：瀝青;自愈合;機理;影響因素;增強技術

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

中圖分類號：U414? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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，而后國內外學者紛紛展開了對瀝青自愈合的研究，在該領域取得了重大進展。但瀝青混合料的自愈合能力本身有限，且耗時較長，如何提高瀝青混合料的自愈合能力成為當下研究的重點。

1? 自愈合機理

Phillips[2]提出，瀝青自愈合可分為三個步驟：①壓力作用和瀝青流動引起微裂縫閉合;②在表面能的作用下，裂縫兩側表面瀝青分子濕潤促使微裂縫閉合;③瀝青分子相互擴散、瀝青結構自由重組。

Wool等[3]認為瀝青自愈合分為三步：①由布朗運動引起的裂縫表面潤濕;②裂縫表面分子相互擴散;③界面分子隨機化組合與排列。

孫大權[4]提出：瀝青混合料自愈合機理本質上是裂縫界面瀝青分子為降低表面能而自發進行的界面濕潤與吸附和分子擴散，其原動力來源于裂紋界面分子范德華力和氫鍵形成的化學吸附。

2? 自愈合影響因素

2.1 內在因素

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：Kim等[5]提出亞甲基與甲基比（CH2/CH3）高（及分子鏈長），瀝青具有較高的愈合速率;亞甲基和甲基中氫原子數與碳原子數比（MMHC）高，側鏈分支多，愈合速率高。

瀝青含量：KiM[5]認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]發現在瀝青用量較高時，橡膠瀝青混合具有更好的愈合性能。

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

級配：Grant[8]認為粗級配瀝青混凝土比細級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瀝青自愈合性能的影響，發現粉膠比為1時愈合能力最強，過大或是過小的粉膠比都會使瀝青的自愈合能力降低。

填料：Little等[10]發現添加某些填料（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]發現無論是勁度模量恢復率和疲勞壽命恢復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變水平，發現勁度模量恢復率和疲勞壽命恢復率與應變大小成反比。

損傷度：黃明[6]發現勁度模量恢復率和疲勞壽命恢復率與損傷度大小成反比。

2.2 外在因素

間歇時間：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間從而達到較高的愈合率。

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加速瀝青混合料的老化。

3? 自愈合增強技術

3.1 SBS改性瀝青

姜睆[11]利用DSR對基質瀝青、SBS改性瀝青和經過老化處理后的瀝青進行疲勞-愈合-再疲勞測試，以復合模量衰減的速率評價瀝青的自愈合能力。發現SBS改性瀝青的自愈合性能大于基質瀝青和老化處理后的瀝青。

孫大權[7]利用DSR對添加了SBS改性劑的瀝青和普通基質瀝青進行間歇掃描，設置不同的間歇時間，不同損傷度，利用表象法和能量法指標進行愈合能力評定，得出SBS改性瀝青比基質瀝青具有更高的愈合性能。

崔亞楠[9]同樣對SBS改性瀝青和基質瀝青進行DSR試驗，發現SBS改性瀝青膠漿愈合指數高于基質瀝青膠漿，但愈合指數增長速率小于基質瀝青膠漿，這說明SBS改性瀝青相比基質瀝青自愈合能力更強，而愈合效率較低。

Qiu[12]提出SBS改性瀝青在SBS網絡斷裂之前的自修復性能優于基質瀝青;SBS改性瀝青在SBS網絡斷裂之后的自修復性能劣于基質瀝青。

3.2 感應加熱

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

2009年，Garcia等[13]首次提出電磁感應加熱促使瀝青膠漿實現自愈合的概念，這主要是通過添加導電纖維來實現。Garcia等[14]通過建立電磁感應模型評價了添加導電材料的瀝青膠漿的愈合性能，并證實電磁感應加熱的確擁有促進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，不同長度，不同量的鋼絲絨并進行電磁感應加熱。鋼絲絨（3.5mm）摻量為4%的密實型瀝青混合料加熱到75℃時具有94.6%的理想自愈合率。鋼絲絨的加入會提高密實型瀝青混合料的高溫穩定性，而降低了其低溫抗裂性能，摻入2%的鋼絲絨可提高密實型瀝青混合料的水穩定性，但隨著摻量的增加，混合料水穩定性卻逐漸降低。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構，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，從而達到性能恢復，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的愈合藥劑和環氧樹脂環境下的化學藥品發生觸變反應來完成裂紋的自愈合。微膠囊發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，并在毛細管作用下釋放出愈合劑，③愈合劑與外界的藥劑發生化學反應，生成聚合物填充裂縫內部。

Garcia等人[17]在2010年用環氧樹脂和細砂作為膠囊壁，再生劑作為嚢心，制備出自愈合微膠囊并應用于瀝青混凝土中。對該復合材料進行間接拉伸疲勞試驗，發現其降低了瀝青混凝土的劈裂強度，并導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MMF微膠囊的熱穩定性進行了分析，并設計了一種高低溫循環測試微膠囊熱穩定性的方法。發現在180-200℃時微膠囊能保持其良好的形貌，溫度繼續升高，微膠囊軟化粘結成塊，當溫度達到240℃時微膠囊開始產生結構破壞;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，再次驗證了微膠囊擁有良好的溫度穩定性。Su根據雙板微操作方法測試了MMF殼微膠囊的力學性能，用荷載位移曲線描繪出了單體微膠囊受力后產生的彈塑性變形。用SEM觀察了在瀝青試樣產生裂縫后的微膠囊變化，發現微膠囊破裂，再生劑流出迅速填滿裂縫并滲透到裂縫兩側，裂縫愈合，證實了微膠囊的的確在產生作用。

劉哲[19]采用原位聚合法，以脲醛樹脂為囊壁、環氧E-51為囊芯材料、T31為固化劑制備了自修復微膠囊。對添加微膠囊后70#基質瀝青的三大指標進行了測定，發現在微膠囊添加量為瀝青質量的1%時，瀝青10℃延度已經低于規范的技術要求，說明在添加微膠囊時其用量不宜過大。添加微膠囊后瀝青的軟化點有小幅度上升，針入度先上升后下降，但仍處于技術標準之內。發現隨著瀝青及微膠囊在低溫（10℃以下）時很難發揮其愈合能力，溫度在20～30℃時，瀝青自愈合率明顯提升，最高達到36%，添加了微膠囊后也有同樣的趨勢，且其最高值可達50%;說明添加微膠囊對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混合料小梁進行三次（破壞前、破壞后、愈合后）三點彎曲試驗，后分兩組分別在室溫（26±2℃）和高溫（50±2℃）進行0-6天的愈合試驗。發現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暴露于高溫而在瀝青中發生的老化過程。

4? 結論

本文結合近幾年來國內外對瀝青混合料的自愈合特性研究，從自愈合機理，影響因素與自愈合增強技術三方面進行了探討，但將研究運用到實際道路中還任重道遠，未來研究的發展方向一方面是自愈合水平的綜合評價指標，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。