基于微膠囊的瀝青混合料裂縫自愈合性能試驗研究*

趙文政，徐衍亮，張蘇龍，朱宏亮，王 捷

（1.南京市公路事業發展中心，江蘇 南京 210008；2.江蘇東交智控科技集團股份有限公司，江蘇 南京 210008）

1 技術原理

自愈合微膠囊由壁材和芯材組成，壁材主要由耐高溫的聚合物樹脂構成，具有較好的耐高溫性能和強度，可以保證在混合料生產拌和以及攤鋪碾壓過程中不會出現破損和融化等施工損傷；愈合藥劑主要由具有再生功能的輕質油分構成，常溫下具有較好的流動性，和瀝青接觸后可以使界面處的瀝青軟化，實現對于裂縫的自愈合。

微膠囊對于混合料內部微裂縫自愈合的全過程分成三個步驟：（1）微裂紋在混合料內部形成；（2）裂縫尖端發展，刺破微膠囊的囊壁，并在毛細管作用下釋放出內部的愈合藥劑；（3）愈合藥劑與瀝青發生化學反應，使界面處的瀝青軟化，從而填充裂縫。

2 原材料

2.1 微膠囊

研究所使用的微膠囊添加劑由江蘇東交智控科技集團股份有限公司自主研發，其外觀為黃色粉末，粒徑為0～50μm，熔融溫度在200℃以上，有效成分含量高于85%。

2.2 瀝青

采用的瀝青膠結料為江陰泰富瀝青有限公司生產的SBS改性瀝青，經檢測，其瀝青性能可以滿足規范要求。

2.3 集料和礦粉

采用的玄武巖集料由天長市翔宇礦業有限公司提供，石灰石礦粉來自鎮江市丹徒區高資誠意建材經營部，其基本指標按《公路工程集料試驗規程》（JTG E42—2005）進行測試，檢測結果表明集料與礦粉的性能均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）的要求。

3 摻加微膠囊的膠結料自愈合性能評價

3.1 試驗方法

瀝青延度是指瀝青在一定溫度下斷裂前的擴展或伸長的能力。首先制備加入0%、0.1%、0.2%、0.3%微膠囊摻量的SBS瀝青，預先制作切口模擬現場的開裂行為，對不同微膠囊摻量的瀝青進行延度試驗，比較它們在相同愈合環境下、相同愈合時間內的愈合率，評價其針對裂縫的自愈合效果。試驗步驟如下：

（1）將相同微膠囊摻量的瀝青分為兩組，即常規樣品組和預切口樣品組，每組的平行試件不少于3個。

（2）按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）中的試驗規程，刮平兩組瀝青試模，將其中需要預切口的樣品試件從中部用刀片切開固定寬度（約0.5mm），可用硬幣墊于試樣兩側，控制切口深度為0.5cm。

（3）將預切口的瀝青試件在25℃室溫下放置24h，讓其自愈。

（4）對兩組樣品進行延度試驗，分別得到常規樣品的延度值L1和預切口樣品愈合后的延度值L2。

為了量化對比分析，定義瀝青的愈合能力評價指標為P=L2/L1。

3.2 試驗數據分析

預切口延度樣品均在25℃的干燥箱中愈合24h后進行延度試驗，不同微膠囊摻量下的改性瀝青的常規樣品與預切口樣品的延度大小以及P值如圖1所示。

圖1 自愈合延度試驗結果

從試驗結果可以看出，隨著微膠囊摻量的增加，常規樣品的延度指標略有下降，這是因為微膠囊會在膠結料內部的瀝青-微膠囊界面處產生應力集中，對抗裂性能不利，但是由于微膠囊的摻量較低，所以延度的下降幅度較小，在5%以內；而預切口樣品的延度值和P值均隨著微膠囊摻量的增加而升高。可以看出，在24h的愈合時間內，斷裂面的微膠囊可以有效發揮裂縫愈合的效果，當微膠囊摻量達到0.3%時，P值可以提升約44%，可以認為在此摻量下微膠囊可顯著提升膠結料的抗裂性能，并且也具有較好的經濟性。

4 摻加微膠囊的混合料自愈合性能評價

4.1 混合料配合比設計

文章選擇我國高等級路面常用的上面層SUP-13、SMA-13混合料進行自愈合混合料的性能研究。首先在室內通過馬歇爾法和旋轉壓實法進行混合料的配合比設計，經過級配比選、油石比確定，SUP-13混合料的最佳瀝青用量為5.0%，SMA-13混合料的最佳油石比為6.0%。

4.2 CT掃描試驗原理

考慮到在路面運營過程中微裂紋的產生將導致混合料內部空隙率的變化，并且與宏觀的力學指標相比，相對微觀的空隙率指標變化更能反映混合料在微裂縫產生—微膠囊破裂—愈合藥劑釋放—微裂紋愈合這一過程中的作用效果[1]，因此，文章采用CT三維掃描技術與數字圖像處理相結合的方法來獲得混合料內部的空隙率指標。

CT三維掃描技術基本工作原理為利用X射線對試件以掃描的方式從多方向透射其斷層，用探測器對透射后發生衰減的射線進行采集，重建三維灰度圖像，掃描的試件可以為長方體或圓柱體[2]。

文章使用德國Phoenix工業CT掃描儀，通過對掃描結果的圖像進行分析來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。

實驗時，層間掃描間隔為0.1mm，則一個長度為380mm的四點彎曲小梁試件可以獲得3800張斷面圖，每張斷面圖都可以通過灰度處理獲得該斷面的空隙率值，則整個試件的空隙率可以按以下公式計算：

式中：i為第i個斷面；n為斷面總數，對于四點彎曲小梁試件，n取3800；VV'為第i個斷面位置的空隙率大小，%；VV為試件的空隙率大小，%。

4.3 基于CT掃描和疲勞試驗的混合料自愈合性能評價

首先成型四點彎曲小梁試件，通過疲勞試驗，模擬加載破壞的過程，然后靜置一段時間后模擬試件的自愈合過程，在試件成型-加載破壞-愈合過程中通過CT掃描試驗獲得試件空隙率的變化情況，以評價混合料的自愈合性能。試驗步驟如下：

（1）根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）中瀝青混合料四點彎曲疲勞試驗規程，制作四點彎曲疲勞試驗所用的試件，尺寸為長度(380±5)mm、高度(50±6)mm，寬度(63±6)mm。

（2）采用CT掃描技術，獲得小梁試件的初始空隙率VV0。

（3）選擇應變控制模式，在300με條件下，對小梁試件進行四點彎曲加載3000次后，采用CT掃描技術測定加載后的試件空隙率VV1。

（4）將加載后的試件放置于環境箱中24h，溫度控制在25℃，濕度不超過35%，模擬裂縫自愈合的過程，然后采用CT掃描測定裂縫自愈合以后試件的空隙率VV2。

（5）每組試驗平行試件的數量不得少于4個，試驗完成后計算第i個試件的裂縫自愈合性能指數：

則該混合料的裂縫自愈合性能指數為

式中：i為第i個試件；n為平行試件的數量。

采用此試驗方法，對普通的SUP-13混合料以及摻加了瀝青質量0.3%微膠囊的SUP-13混合料的自愈合性能進行評價，試驗結果如表1所示。

表1 混合料自愈合性能試驗結果 單位：%

從試驗結果可以看出，間斷級配的SMA-13與連續級配的SUP-13混合料相比，由于初始空隙率更小、油石比更高并且由于瑪蹄脂的存在，賦予混合料更好的自愈合性能；摻加微膠囊以后，可以使SUP-13、SMA-13混合料的HR值分別提高19.3%和22%，由此可以認為，在較低的微膠囊摻量下（瀝青質量的0.3%），可以顯著改善混合料對于裂縫的自愈合性能，加速混合料對于微裂紋的愈合，延緩其在重復荷載作用下的裂縫發展。

5 結論

文章選擇微膠囊類的瀝青路面自愈合技術設計了相關試驗，分別從膠結料和混合料的層面評價了微膠囊對于瀝青路面裂縫自愈合性能的改善效果，可以得到以下主要研究結論：

（1）建立了基于CT掃描和圖像處理技術的混合料自愈合性能評價試驗方法，通過加載—愈合—再加載過程中混合料的空隙率指標變化，評價混合料的裂縫自愈合性能。

（2）在瀝青質量0.3%的摻量下，經過24h的愈合過程，微膠囊可以提升SBS改性瀝青在預切口條件下的延度恢復率達到44%。

（3）在瀝青質量0.3%的摻量下，經過24h的愈合過程，微膠囊可以提升SUP-13、SMA-13混合料在加載損傷過程中約20%的空隙率恢復率。

（4）通過膠結料和混合料自愈合性能的評價，建議在實際使用過程中可以按照瀝青質量的0.3%添加微膠囊，在保證自愈合效果的前提下，具有較好的經濟性。