老化瀝青砂漿損傷愈合性能研究*

崔亞楠，敖日其楞，于慶年

(1. 內蒙古工業大學 土木工程學院， 呼和浩特 010051；2. 內蒙古自治區土木工程結構與力學重點實驗室， 呼和浩特 010051)

0 引 言

瀝青路面在使用過程中將會遇到夏季泛油發軟、冬季變硬開裂等損傷與破壞[1-3]。在研究這些問題時，瀝青老化問題是不可回避的因素。瀝青是一種粘彈性材料，且具有溫度敏感性，路面停止使用一段時間內或者隨著溫度的升高都會使裂縫縮小，甚至閉合，這就是瀝青材料所具有的自愈能力[4-6]。研究表明[7-8]，瀝青混凝土由三部分組成：第一部分是由瀝青與礦粉粘結形成的瀝青膠漿，在瀝青混合料中起到膠結的作用；第二部分是由瀝青與礦粉以及細集料組成的瀝青砂漿，進行內部的填充和密實，并和骨架結構填充并膠結成一個密實的整體；第三部分則是瀝青混合料的整體層面，這個層面直觀顯示出瀝青混凝土的路用性能。同樣瀝青混合料是由瀝青砂漿與分散在其中的粗骨料共同構成的，因此瀝青砂漿性能對瀝青混合料的路用性能影響較大，分析瀝青砂漿的損傷愈合性能對研究瀝青混凝土的愈合性能及力學行為具有重要意義[9]。S.L.Dijkhuis[10]對老化前后的瀝青砂漿進行了疲勞愈合試驗，定義一種新的評價公式，得出溫度對瀝青砂漿的疲勞愈合性能影響最大。王昊鵬[11]等通過室內四點彎曲疲勞試驗，探究了養護時間、溫度、集料級配及瀝青膠結料種類對瀝青混合料自愈合特性的影響。

瀝青混合料是一種粘彈性材料，其力學行為介于彈性和塑性之間。在討論瀝青混合料這種典型粘彈性材料的抗裂性能時，現行國內規范推薦破壞應變作為評價方法；美國SHRP計劃推薦使用J積分試驗來評價瀝青混合料的抗裂性能[12-14]。基于彈塑性斷裂力學概念，Z.Wu[15]、王嵐[16]等采用J積分評估瀝青混合料的抗裂性能。劉宇[17]等采用斷裂韌度Jc研究瀝青混合料的抗裂能力，認為用斷裂韌度Jc作為瀝青混合料的斷裂參數是合適的。綜上所述，本實驗中采用UTM-100萬能試驗機對老化前后的基質瀝青砂漿和SBS改性瀝青砂漿進行彎曲損傷愈合試驗，通過斷裂韌性和破壞應變定義兩個愈合評價指標[12-13]，分析各因素對瀝青砂漿愈合能力的影響，并比較這兩個評價指標的優劣，進而更好的分析瀝青砂漿的愈合規律。

1 實 驗

1.1 原材料

采用90號基質瀝青和摻量為4.5%的成品SBS 改性瀝青，石灰石礦粉和玄武巖礦料作為填料，具體指標見表1～3。級配采用AC-16型密集配按照比表面積轉化法和δ體積修正法級配轉化后的結果[18]，瀝青砂漿配比見表4。

表1 瀝青的基本指標Table 1 The basic indicators of asphalt

表2 礦粉的基本指標Table 2 The basic indicators of mineral powder

表3 礦料的基本指標Table 3 The basic indicators of mineral material

表4 瀝青砂漿配比Table 4 The mix ratio of asphalt mortar

1.2 試驗方法

1.2.1 瀝青砂漿小梁的制備

采用輪碾法成型，未老化的試件直接成型；短期老化的試件是將攪拌好的混合料放入135 ℃的烘箱中加熱4 h，并且每小時翻拌一次，再進行碾壓成型；長期老化的試件是將短期老化后的瀝青砂漿用切割機切成小梁試件，放入85 ℃的高低溫交變箱中，加熱120 h。并對未老化、短期老化、長期老化的兩種瀝青砂漿標準小梁試件中點進行寬度為2 mm、深度為6 mm的預切口切割。

1.2.2 瀝青砂漿小梁損傷試驗

測試時需要在試件上、下表面分別放橡膠塊和墊片。下表面橡膠塊是模擬真實路面結構，抵消小梁的大部分永久變形。上表面墊片是避免由于壓頭導致的瀝青砂漿小梁試件局部變形[19-20]。UTM-100萬能試驗機的環境箱溫度為15 ℃，支座間距為140 mm，加載速率為50 mm/min，以豎向位移傳感器的下降位置確定試件的損傷程度，將試件彎曲破壞時的位移定義為初始參數S，將損傷程度分別定義為30%S、45%S和60%S，在達到預設損傷程度相應的位移時停止加載進入間歇期。

圖1 瀝青砂漿標準試件示意圖Fig 1 Standard test parts for asphalt mortar diagram

圖2 實驗中的試件Fig 2 Asphalt mortar test parts

1.2.3 瀝青砂漿小梁愈合試驗

試驗采用正交法設計，影響瀝青混合料損傷愈合性能的因素眾多，選取溫度(A)、愈合時間(B)、老化程度(C)、損傷程度(D)作為主要影響因素[21]，具體方案如表5所示。

表5 正交實驗的因素及水平Table 5 Factors and levels of orthogonal experiment

進行四因素三水平正交試驗設計，正交試驗設計表如表6所示。

表6 正交實驗設計表Table 6 Table of orthogonal experiment

將加載到規定損傷程度的瀝青砂漿小梁試件放入高低溫交變箱中對其進行自愈合。分別將溫度設定為35，50和65 ℃，時間設定為1、2和4 h，間歇期結束后，在將試件冷卻到室溫，再次進行瀝青砂漿小梁損傷試驗，整個過程為損傷—自愈合—損傷。

2 愈合指標的定義

有學者提出裂縫表面的愈合分為兩個階段[11]：(1)由裂縫之間的表面粘合力引起的強度恢復；(2)由裂縫內部高分子擴散和重組導致與時間有關的強度恢復。為了很好的確定瀝青砂漿小梁試件的自愈合性能及其作用機理，本文從變形和能量耗散角度來分析不同老化程度下兩種瀝青砂漿愈合規律，選取破壞應變和斷裂韌性，分別定義愈合指標：

(1)

(2)

3 結果分析

3.1 愈合度分析

根據兩個不同的愈合指標算出自愈合度如表7所示，并用表7結果繪制圖3、4。

表7 不同指標下的自愈合度Table 7 Self-healing rate under different indexes

圖3 各影響因素下基質瀝青砂漿小梁愈合度Fig 3 The healing degree of matrix asphalt mortar under influencing factors

圖4 各影響因素下SBS改性瀝青砂漿小梁愈合度Fig 4 The healing degree of SBS modified asphalt mortar under influencing factors

通過圖3分析可知，對于基質瀝青砂漿HI1指標來說，隨著溫度的升高，瀝青砂漿的愈合能力減弱。瀝青是一種粘彈性材料，具有溫度敏感性，在一定溫度范圍內，隨著溫度的升高應該會呈現較好的瀝青分子擴散趨勢[21-22]，對表面裂縫的愈合有一定的促進作用，本文愈合試驗結果出現差異性結果；在愈合時間方面，基質瀝青砂漿在愈合1 h后和愈合2 h后的愈合程度差異不大，而愈合時間達到4 h愈合度有所下降，瀝青具有時間相關性，間歇時間越長瀝青復合材料的愈合度越高，這也與所得到的結論相悖[23-24]；在老化程度方面，長期老化后的愈合度最高，同樣與現有的理論不符合；而損傷程度達到60%時，愈合效果最好。

對于基質瀝青砂漿HI2指標來說，在 50 ℃時的愈合效果最好，65 ℃時的愈合度有所下降，溫度上升到一定范圍時，瀝青接近牛頓流體的狀態，升高溫度對瀝青混合料的愈合影響較小，甚至會降低愈合效果；愈合時間為4 h時的愈合效果最好，愈合時間在1 h時應處于愈合的第一階段，隨著愈合時間增長其愈合效果并不會增長，甚至會有所下降；愈合2～4 h時愈合度又再次升高，表明2～4 h內基質瀝青砂漿的愈合進入第二階段，進而促使其斷裂韌性的恢復[25]；未老化的基質瀝青砂漿愈合效果最好，而長期老化后試件瀝青在高溫作用下容易析出，一定程度上促進了試件中固有微裂紋的彌合，使得試件具有更好的抗開裂能力，且析出的瀝青能促進損傷后裂紋的閉合，因此長期老化比短期老化愈合效果要好；對于油砂比較大的基質瀝青砂漿，在60%的損傷情況下，出現的宏觀裂縫仍然較小，受到損傷位移的影響，瀝青砂漿內部細骨料發生相對滑動并且位置重新排列，瀝青砂漿結構變得致密，促使表面自由能對損傷愈合性能恢復[26]。

綜上分析發現，基質瀝青膠漿由于沒有較好的抗疲勞和抗變形的能力[27]，位移形變相對較大，當以破壞應變作為愈合指標時，得出愈合度不能很好評價愈合機理。當以斷裂韌性作為愈合指標的時候，對于基質瀝青膠漿有較好的評價效果，能較好的體現基質瀝青砂漿愈合度差異，進而合理評價各因素對基質瀝青砂漿愈合度的影響。

對于SBS瀝青砂漿來說，兩個指標呈現基本一致的規律，隨著溫度的增大，瀝青膠漿的抗疲勞性能和愈合效果均變好。由于SBS改性瀝青的溫度敏感性低[28]，SBS改性瀝青與集料膠結更好，愈合效果隨著溫度的升高而變大；愈合效果隨著愈合時間的增長并無明顯的波動，2 h時候愈合效果下降，又在4 h時上升，表明在1h以內愈合第一階段基本完成，說明愈合在前期恢復的較快，隨著時間的增加會有所減慢；未老化時期的SBS改性瀝青膠漿愈合性能最好，愈合效果略大于長期老化后的；而在損傷程度45%時的應變愈合度最高。

兩種瀝青砂漿的愈合指標HI1對比來看只有老化因素下有相同的愈合規律，而HI2指標比較知道，愈合時間、老化程度、和損傷程度的愈合規律走向相同，而溫度因素下的愈合規律出現不一致。是因為，對于SBS改性瀝青膠漿來說，由于添加了改性劑，使得抗變形能力、彈性恢復能力均增強，且溫度敏感性較低[29]。

通過上述分析可得愈合指標HI2均適用于基質與SBS改性瀝青砂漿，因此通過比較HI2下的愈合率來評價瀝青愈合效果的優劣。通過表7可以得到基質瀝青砂漿的愈合率要高于SBS改性瀝青砂漿，但老化后的基質瀝青砂漿HI2較SBS改性瀝青砂漿要小，是因為SBS改性劑中的聚合物形成較穩定的三維網狀結構，改善了瀝青高低溫、抗變形的能力[27]，但是其溶脹吸附，吸收瀝青中的輕組分，導致瀝青粘度增加，阻礙流動性，因此愈合效果會稍差。

3.2 愈合率的極差分析

采用極差分析的方法對不同瀝青砂漿兩種愈合指標進行分析，結合表5、6、7計算得到極差結果表8，并根據表中數據繪制圖5。

圖5 各影響因素下兩種瀝青砂漿極差分析結果Fig 5 Analysis results of two kinds of asphalt mortar range under various influencing factors

表8 極差結果Table 8 Range result

愈合度分析分析可知，對于基質瀝青砂漿小梁愈合指標HI2來說，極差的大小可以判斷各因素對愈合效果的影響。基于HI2的極差大小依次是：老化程度>愈合時間>愈合溫度>損傷程度，影響最大因素是老化程度。對SBS改性瀝青砂漿小梁愈合指標HI2來說，四因素極差大小依次是：老化程度>損傷程度>愈合時間>愈合溫度，老化程度影響最大。由此可知，老化程度因素影響下的愈合度波動大，對兩種瀝青砂漿的愈合效率影響較大。

4 結 論

(1)通過對比破壞應變和斷裂韌性這兩個評價指標可知：當以破壞應變作為愈合指標時，并不能很好的評價其損傷后的愈合性能，以斷裂韌性作為愈合指標則能很好的評價其愈合性能。對于SBS改性瀝青膠漿來說，兩種愈合指標都可以很好的評價其愈合性能。

(2)通過對愈合試驗進行極差分析，綜合考慮可知：相比于愈合溫度、愈合時間、損傷程度這三種因素，老化程度對瀝青膠漿的愈合效果影響顯著。因此，在路面攤鋪及使用過程中應合理控制老化的發生。

(3)對比兩種愈合評價指標，基質瀝青砂漿的愈合效果比SBS改性瀝青砂漿稍好，但老化后的基質瀝青砂漿HI2較SBS改性瀝青砂漿要小，雖然SBS改性瀝青抗疲勞和抗變形的能力較好，但是改性劑的加入使SBS改性瀝青高溫不軟化、低溫不發脆，從而限制了分子的擴散流動，愈合效果稍差。