海藻酸鈣微膠囊對密級配瀝青混合料力學性能和自愈合性能的影響

萬偉

摘要：文章將不同比例的微膠囊（0、0.25%、0.50%、0.75%和1.00%）摻入瀝青混合料中，研究了不同摻量下瀝青混合料的間接抗拉強度、顆粒損失、疲勞壽命和自愈合等性能，評價了海藻酸鈣微膠囊對密級配瀝青混合料力學性能和自愈合性能的影響。結果表明：海藻酸鈣微膠囊的加入對密級配瀝青混合料的力學性能有影響，隨著微膠囊摻量的增加，瀝青混合料的平均ITS值先增大后降低，摻量為0.5%時達到最大值0.64 MPa;微膠囊的加入對混合料的顆粒損失特性與疲勞特性有影響，當摻量<0.5%時，混合料的疲勞壽命增加，顆粒損失率出現小幅度增長;當摻量>0.5%時，疲勞性能低于普通混合料，且顆粒損失率急速增加;微膠囊的摻加顯著增加了密級配瀝青混合料的自愈合能力，且摻量越高，愈合水平越大;混合料愈合水平隨著愈合時間的增大而增大，在96 h后達到最大值且穩定。

關鍵詞：微膠囊;密級配瀝青混合料;間接抗拉強度;顆粒損失;疲勞壽命;愈合水平

中國分類號：U416.03文章標識碼：A080295

0 引言

在世界大部分地區，瀝青混合料因其平整度好、經濟性好而成為修建高速公路和城市道路的首選材料。然而，由于溫度、濕度和反復荷載的變化而產生的開裂會嚴重降低瀝青路面的使用壽命[1]。瀝青混合料由賦予結構強度的集料與有黏度的瀝青組成，由于瀝青在高溫下具有流動性，因此瀝青混合料是一種可自我修復的材料[2]。在一定條件下（集料級配、瀝青的黏度等），瀝青路面可以自行修復內部裂縫[3-4]。然而，瀝青材料在混合、壓實和使用期間黏度增加趨于老化，這降低了瀝青混合料的自愈能力，從而降低其使用壽命[5]。

為提高瀝青路面的自愈性能并延長其使用壽命，國內外研究者開發了兩種技術來改善瀝青的老化現象：（1）將金屬添加劑加入混合料中，通過感應或者微波輻射等電磁場加熱，使瀝青流動從而將裂縫愈合[6-7];（2）將包裹再生劑的微膠囊加入混合料中，當膠囊由于交通負荷而破裂時，內部再生劑被釋放并擴散，使周圍瀝青的黏度降低而具有流動性以填充裂縫[8-9]。本文重點研究使用微膠囊提升瀝青路面的自愈性能。相關研究者已制備不同種類的微膠囊。Su JF等[10]開發了具有微米大小核殼結構的微膠囊，Garcia等[11]開發了毫米級多孔結構的微膠囊。相關研究證明，在微膠囊中的油分能在混合料的混合和壓實過程中存活，并提升其自愈合性能[12]。竇謙培等[13]采用原位聚合法制備了微膠囊，研究了微膠囊摻入對瀝青混合料裂縫的修復性能并進行了評價。Micaelo和Ai-Mansoori等開發了海藻酸鈣微膠囊[14-15]，海藻酸鈣微膠囊由海藻酸鈣膠囊膜包裹葵花籽油組成，膠囊膜可以保護內部葵花籽油免受環境污染。相關研究表明[16]，微膠囊有利于混合料的兼容性與自愈性能，但由于微膠囊強度較低，因此過多的微膠囊含量不利于混合料的剛度與模量，而含量過低對瀝青自愈性能的影響有限。

本文旨在評價海藻酸鈣微膠囊對密級配混合料耐久性、疲勞性能與自愈性能的影響。對密級配瀝青混合料中加入0.5%、0.75%和1.0%的微膠囊，測試混合料的間接拉伸強度、顆粒損失和疲勞壽命。研究不同膠囊配合比對瀝青混合料自愈性能的影響，使用X射線計算機斷層攝影評估微膠囊在混合料中的分布和完整性。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

試驗選用AC-13瀝青混合料進行研究，級配如表1所示。采用玄武巖碎石與石灰巖填料，其密度分別為2.976 g/cm3、2.669 g/cm3;選用基質瀝青進行試驗，經檢測其針入度為77.5（0.1 mm），軟化點為49.1 ℃。制備的海藻酸鈣微膠囊密度為1.116 g/cm3，內部再生劑為葵花籽油，經測試密度為0.92 g/cm3、閃點為315 ℃。微膠囊的聚合結構由海藻酸鈉（C6H7O6Na）和氯化鈣（CaCl2）組成，顆粒純度為93%。

1.2 海藻酸鈣微膠囊的制備

包封工藝流程如圖1所示。在鈣離子的溶液中，通過離子凝膠法在20 ℃的條件下制備海藻酸鈣膠囊，主要包括以下三個步驟：（1）海藻酸鈉乳劑的制備;（2）氯化鈣溶液的制備及膠囊的合成;（3）干燥和儲存膠囊。再生劑和海藻酸鈣聚合物比例為1[KG-1.3mm]∶[KG-0.5mm]3，一次可產出重量為2.5 kg的微膠囊。

1.3 瀝青混合料樣品制備

采用4.7%油石比制備瀝青混合料，選擇微膠囊含量（占混合料總質量的質量比）為0、0.25%、0.5%、0.75%和1.0%制備微膠囊瀝青混合料，技術指標見表2。由于微膠囊含量低，因此微膠囊直接添加至混合料中不會改變集料的級配，根據以下程序制備用于力學測試的圓柱形樣品：（1）將集料和瀝青分別在160 ℃下預熱12 h和4 h;（2）將瀝青混合料成分在160 ℃的實驗室攪拌機中混合;（3）將膠囊在20 ℃下加入混合物中并混合15 s;（4）將含有膠囊的瀝青混合料倒入模具中，并用車轍板成型機壓實;（5）使用取芯機從每塊板上鉆出測試樣品（[WTBX]100 mm×50 mm）。此外，使用車轍板成型機制造瀝青混合料板，并切割棱柱形樣品以進行裂縫愈合的測量，在梁的中點制作一個尺寸為5 mm×5 mm的橫向切口，模擬路面裂縫發生過程。

1.4 試驗方法

1.4.1 間接拉伸強度

間接拉伸強度（ITS）是測試瀝青與集料、海藻酸鈣膠囊之間粘聚力的指標，采用間接拉伸試驗來測試微膠囊含量對瀝青混合料力學性能的影響。試驗前，將圓柱形試樣在20 ℃下放置4 h，然后以50 mm/min的速率施加負載，直到達到峰值負載，ITS計算如式（1）所示。

1.4.2 顆粒損失測試

海藻酸鈣微膠囊會降低集料與瀝青間的粘附力，導致粗糙度增加，本文通過顆粒損失測試評估微膠囊瀝青混合料的抗顆粒損失能力。將樣品放置于20 ℃水浴中20 h，然后在無鋼球的洛杉磯磨耗儀中，以30 rmp的速率旋轉300次，通過比較測試前和測試后樣品的質量來計算結果。

1.4.3 疲勞性能測試

采用間接拉伸疲勞試驗研究微膠囊瀝青混合料的疲勞特性。使用UTM-25試驗機施加半正弦重復荷載，直到累積位移量導致試件斷裂，測試頻率為1 Hz，每個加載周期時間為0.1 s，間歇時間為0.9 s，測試溫度為15 ℃。對不同應力水平下得到的疲勞壽命用公式進行回歸分析。

1.4.4 自愈性能測試

Ai-Mansoori等開發了裂紋修復試驗，評估了微膠囊添加對混合物自愈性能的影響。將小梁在-20 ℃下放置2 h后進行三點彎曲試驗，將兩片小梁放置在鋼模中，并在裂縫中鋪上塑料薄膜，防止裂縫面接觸，施加75 kN的靜壓荷載以模擬交通荷載的破壞。當微膠囊破裂時，取出塑料片，在20 ℃的溫度測試。測試過程的原理描述圖見圖2。

對微膠囊瀝青混合料梁的愈合性能進行量化，即在三點彎曲試驗下，裂縫梁在愈合后三點彎曲強度恢復所達到的水平。選取10個不同的愈合時間：5 h、24 h、48 h、72 h、96 h、120 h、144 h、168 h、192 h和216 h。愈合水平的定義如下：

2 結果和討論

2.1 微膠囊摻量對瀝青混合料間接拉伸強度的影響

圖3為不同膠囊含量的瀝青混合料間歇拉伸強度測試結果，可以看出，隨著微膠囊摻量的增加，瀝青混合料的平均ITS值先增大后降低，在摻量為0.5%時達到最大值0.64 MPa，比未摻微膠囊混合料平均ITS值增大了12.28%。相關研究表明少量微膠囊的摻加可降低混合料空隙率。因此當微膠囊摻量<0.5%時，混合料空隙率降低導致ITS值降低;而當向混合料中添加更多的海藻酸鈣膠囊時，混合料的空隙率增大，并且從微膠囊中釋放出更多的油，從而降低了瀝青混合物的硬度與ITS值。

2.2 微膠囊摻量對瀝青混合料顆粒損失特性的影響

下頁圖4顯示了不同微膠囊含量下瀝青混合料的顆粒損失百分比。可以看出，微膠囊含量為0、0.25%、0.5%、0.75%和1.00%的瀝青混合物的平均顆粒損失分別為4.94%、5.07%、5.15%、5.76%和6.06%。在微膠囊摻量為0、0.25%和0.5%時顆粒損失率相差不大，當摻量超過0.5%，顆粒損失率出現較大的增長，這可能是因為微膠囊的強度低于集料強度，在同樣的磨耗情況下，顆粒的損失率隨著摻量的增大而增大。

2.3 微膠囊摻量對瀝青混合料顆粒疲勞特性的影響

圖5為不同微膠囊含量下瀝青混合料的疲勞特性。可以看出，微膠囊摻量<0.5%時，瀝青混合料的疲勞壽命大于未摻微膠囊的瀝青混合料;當摻量>0.5%時，疲勞壽命降低，小于摻量為0的瀝青混合料，這是因為少量的微膠囊加入可降低瀝青混合料的空隙率，而當摻量>0.5%時，空隙率變大，抗疲勞性能降低。

2.4 微膠囊摻量對瀝青混合料自愈性能的影響

圖6顯示了在不同的愈合時間、不同微膠囊摻量下瀝青混合料達到的自愈水平。由圖可知，微膠囊摻量為0、0.25%、0.5%、0.75%和1%的瀝青混合料的平均最大愈合水平分別為26.44%、40.42%、54.04%、59.32%和60.86%，證明混合料中微膠囊摻量越高，愈合水平越大。隨著愈合時間的增加，愈合性能提升至最佳并穩定，在愈合時間達到96 h后，愈合性能最佳，之后愈合趨于穩定狀態。因此，愈合時間范圍在96 h后達到的自愈水平是混合料的最佳自愈水平。這是由于微膠囊的摻量越大，相同外界荷載破壞的膠囊數量越多，愈合水平越高。

3 結語

本文介紹了海藻酸鈣微膠囊對密集配瀝青混合料的間接拉伸強度、顆粒損失特性、疲勞特性與自愈性能的影響，結論如下：

（1）海藻酸鈣微膠囊的加入對密級配瀝青混合料的力學性能有影響，隨著微膠囊摻量的增加，瀝青混合料的平均ITS值先增大后降低，摻量為0.5%時達到最大值0.64 MPa，比未摻微膠囊混合料平均ITS值增大了12.28%。

（2）微膠囊的加入對密級配瀝青混合料的顆粒損失特性與疲勞特性有影響，當摻量<0.5%時，混合料的疲勞壽命增加，顆粒損失率出現小幅度增長;當摻量>0.5%時，疲勞性能低于普通混合料，且顆粒損失率急速增加。

（3）微膠囊的摻加顯著增加了密級配瀝青混合料的自愈合能力，且摻量越高，愈合水平越大，摻量>0.5%時愈合水平超過50%。在0～96 h內，愈合水平隨著愈合時間的增大而增大，在96 h后達到最大值且穩定。

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