不同老化狀態下瀝青自愈合性能研究

關鍵詞：公路工程；老化狀態；疲勞-愈合-疲勞試驗；自愈合性能中圖分類號：U414.1 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.Wccst.2025.03.006文章編號：1673-4874（2025）03-0021-04

0 引言

瀝青路面在長期服役過程中，受紫外光、熱和氧氣等因素的影響而發生老化現象，從而導致瀝青變硬，更容易在荷載作用下產生疲勞裂縫[1-2]。值得注意的是，瀝青材料具有一定的自愈合性能，即當瀝青材料受到荷載作用后，經過一段時間的愈合，能夠恢復部分性能[3-4]。

近年來，國內外學者針對瀝青材料的自愈合性能進行了大量研究。SUN等[5比較了四種不同標號瀝青的微觀結構對其自愈合性能的影響，結果表明小分子/大分子含量比大且高芳香分含量的瀝青具有更強的自愈合性能。TANG等通過動態剪切流變儀對瀝青進行試驗，發現瀝青在軟化點溫度下表現出最佳自愈合性能，且老化后的瀝青最佳自愈合溫度有所提升。周璐等通過拉拔試驗探究了多種因素對瀝青自愈合性能的影響，結果表明高溫和干燥條件有利于瀝青的自愈合。陳龍等研究了不同再生劑摻量、愈合時間等因素下再生瀝青的疲勞與自愈合性能。肖亞軍等9采用分子動力學模擬不同瀝青自愈合過程，發現再生劑能夠起到活化潤滑作用，提高老化瀝青擴散速率。目前，針對瀝青自愈合性能的研究成為熱點[10-12]。然而，針對不同老化狀態下，尤其是紫外老化對瀝青自愈合性能的影響尚不甚明確。

基于此，本文通過室內試驗模擬瀝青短期老化、紫外老化和長期老化過程，并采用動態剪切流變儀對瀝青進行疲勞-愈合-疲勞試驗，探討愈合時間和損傷程度對于瀝青自愈合性能的影響，以期為瀝青自愈合性能的研究提供新的思路。

原材料與試驗方案

1.1 原材料

本文采用的基質瀝青為 SK70^? 瀝青，其基本性能見表1。

1.2 試驗方案

1.2.1瀝青老化試驗

為了模擬瀝青不同程度的老化狀態，對瀝青進行薄膜加熱試驗（ThinFilmOvenTest，TFOT）以及壓力容器老化試驗（PressureAgingVessel，PAV），模擬瀝青的短期和長期老化。此外，采用室內紫外線照射的方法模擬瀝青的紫外老化過程，將瀝青放入溫度為40℃、配有500W紫外燈的紫外老化烘箱中進行80h的紫外老化。為了便于分析，后文中的未老化瀝青、短期老化、紫外老化以及長期老化瀝青分別簡寫為UA（Unaged）、TFOT、UV（Ultraviolet）和PAV。

1.2.2溫度掃描

采用動態剪切流變儀（DynamicShearRheometer，DSR）對瀝青進行溫度掃描，評價不同老化瀝青高溫性能變化情況。試驗采用25mm平行板進行，板間距為 1mm 溫度為 30°C～70°C ，溫度間隔為 5^°C ，加載應變為1.25% ，試驗頻率為 10rad/s

1.2.3疲勞-愈合-疲勞試驗

為了分析不同老化瀝青自愈合性能的變化，采用DSR對瀝青進行疲勞-愈合－疲勞試驗。試驗采用800mm 平行板，板間距為 2mm 。首先在25℃、 5% 應變、10Hz的條件下對瀝青進行時間掃描。當瀝青復數模量下降至某一水平時，停止試驗進行愈合。隨后，在同樣加載條件下再次進行時間掃描，當瀝青復數模量再次下降至同一水平時，試驗結束。試驗結果如圖1所示。

在試驗結束后，按式（1）計算愈合因子 HI （HealingIndex評價瀝青自愈合性能。在計算 HI 后，采用如式（2）所示的，根據瀝青分子擴散理論提出的瀝青自愈合模型對 HI 進行擬合[13]。

HI=HI+φ?t^0.25

式中： G⁰ 試驗初始復數模量/Pa；G_a 愈合后瀝青復數模量/Pa;G_d 時間掃描結束后瀝青復數模量/Pa;T_↑ 第一次時間掃描加載時間/s；T₂ 第二次時間掃描加載時間/s;HI₀ 與愈合溫度相關的瞬時愈合因子，無量綱；φ 中 與損傷程度、愈合溫度等有關的長期愈合因子，無量綱；1 愈合時間/ σ_S

1.2.4紅外光譜試驗

對不同老化狀態下瀝青進行紅外光譜試驗，分析瀝青官能團變化情況，探究瀝青老化機理。

2 結果與討論

2.1 抗車轍性能

不同老化瀝青車轍因子與溫度關系曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，不同老化狀態下瀝青的車轍因子由大到小依次為PAV、UV、TFOT和UA。這表明，老化后瀝青變硬，抗車轍性能提升，其中短期老化對于瀝青高溫性能影響最小。在長時間的紫外光作用后，瀝青的硬度逐漸增加，抗車轍性能也高于短期老化后的瀝青。長期熱氧老化后，瀝青中的輕質組分揮發，瀝青質、膠質等重質組分比例增加，從而表現出良好的高溫性能。

2.2不同愈合時間的影響

對瀝青進行疲勞-愈合-疲勞試驗，當復數模量下降至 50% 后，分別給予10min、20min和30min的愈合時間。未老化瀝青在不同愈合時間下復數模量隨時間變化曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，在初次的時間掃描過程中，瀝青復數模量呈現出先下降，隨后緩慢降低，再急劇降低的趨勢。瀝青復數模量第一次急劇下降是由于瀝青材料的觸變性所引起的[14，隨后瀝青復數模量進入了持續降低階段。這表明瀝青在長期荷載作用下，因其自身強度不足，無法繼續抵抗荷載作用，導致瀝青內部裂縫快速增長。在愈合后，瀝青的復數模量有所恢復，且愈合時間越長，恢復水平越高。在20min與30min的愈合時間下，瀝青復數模量恢復至初始模量 60% 以上的水平。這表明，延長愈合時間是有效提升瀝青自愈合性能的手段。

不同老化狀態下瀝青復數模量隨加載時間變化關系與未老化瀝青類似，區別在于瀝青初始抗疲勞性能與愈合后模量恢復水平不同。因此，按式（1）計算不同瀝青HI ，并按式（2）所示的自愈合模型進行擬合。不同瀝青HI 與愈合時間關系如圖4所示，擬合結果見表2。

由圖4可知，在10min的愈合時間下，紫外老化后的瀝青 HI 最大，達到 1% ，而其他三種瀝青的 HI 相差不大，為 0.75% 。隨著愈合時間的延長，UA的 HI 提升幅度最為顯著，在20min和30min的愈合時間下， HI 均為所有瀝青中最大，這表明延長愈合時間對提升未老化瀝青自愈合性能最為有效。根據表2的擬合結果，使用式（2）所示的自愈合方程對瀝青 _HI 進行擬合的精度較高，其R² 均 gt;0.8. 。自愈合方程中 HI₀ 表征瀝青的瞬時愈合因子，其值越大則瀝青瞬時愈合性能越好； φ 表征長期愈合因子，其值越大，長期愈合性能越好。從表2可以看到，在不同老化程度下，PAV瀝青的 HI₀ 最大，而 φ 最小。這是由于長期老化后，瀝青的強度和彈性恢復性能均有所提升，在荷載作用后，其自身強度能夠使瀝青恢復部分性能。UA、TFOT和UV瀝青的 HI₀ 逐漸增大，這同樣是因為隨著老化程度的加深，瀝青強度逐漸增大，從而使瞬時愈合性能越來越好。相反，隨著瀝青老化程度的加深，瀝青的長期愈合因子 φ 逐漸減小。根據分子擴散愈合理論，這是由于老化后，瀝青中輕質組分減少，當瀝青內部出現損傷后，裂縫兩端的大分子無法很好地潤濕、擴散和重新排列，進而導致其長期愈合性能減弱。

2.3不同損傷程度的影響

根據疲勞-愈合-疲勞試驗示意圖（圖1），將 G_b/G⁰ 定義為瀝青的損傷程度 D 。本文對不同老化狀態下的瀝青分別進行損傷程度為0.3、0.5和0.7的疲勞一愈合一疲勞試驗，并計算其 HI ，結果如圖5所示。

從圖5可以看到，在不同愈合時間下，隨著損傷程度的增大，不同瀝青的 HI 均逐漸降低。同時，對于老化后的瀝青， D 越大， HI 降低幅度越顯著。此外，在不同愈合時間下，當 D=0.3 時，UV和PAV瀝青的 HI 略高于未老化瀝青，即當 D 較低時，老化瀝青在損傷后的快速恢復性能優于未老化瀝青。這是由于老化后瀝青內部重質組分比例增加，導致瀝青彈性提升，從而提升其抗疲勞性能。

值得注意的是，在 D 較低時，不同愈合時間下TFOT瀝青的 HI 同時低于UA、UV和PAV瀝青。這是因為雖然經過短期老化后瀝青內部輕質組分有所減少，其強度仍低于UV和PAV老化后的瀝青，這一點從溫度掃描結果也可以看出。因此，在較低的損傷程度下，TFOT瀝青的損傷后快速恢復性能不如UV和PAV老化瀝青。而未老化瀝青富含輕質組分，在受到損傷后，經過分子的潤濕、擴散和重新排列過程，使得瀝青性能有所恢復。當D 為0.7時，不同愈合時間下未老化瀝青的 _HI 是四種瀝青中最大的，而TFOT、UV和PAV瀝青的 HI 逐漸減小。這表明在瀝青受到嚴重損傷后，瀝青中的輕質組分含量越多，越能夠促進瀝青內部損傷界面處分子的擴散，進而提升其自愈合性能。

2.4老化機理分析

不同老化狀態下瀝青紅外光譜如圖6所示。

從圖6可以看出，不同老化狀態下瀝青的紅外光譜圖基本一致，僅在幾個特征峰上存在差異。在2917cm^-1 和 2850cm^-1 處是亞甲基 （-CH₂-） 和甲基（-CH₃） 的伸縮振動峰。在 1700cm^-1 處，UA、TFOT和UV瀝青的吸收峰并不顯著，而長期老化后的瀝青則出現明顯的吸收峰，這是瀝青在長期熱氧老化后發生氧化反應，生成了基（ C=O 吸收峰。在 1420cm^-1 和1375cm^-1 處，是甲基 （-CH₃） 中 C-H 鍵的非對稱和對稱彎曲振動。在 1030cm^-1 處，出現由亞砜基 S=O） 引起的吸收峰，與 C=0 一樣，PAV老化瀝青中 s=0 吸收峰較為顯著，而其他三種瀝青并不明顯，這同樣是由于長期熱氧作用導致瀝青發生氧化反應。在 877～730cm^-1 存在三個明顯的吸收峰，這是由瀝青內部芳香分中的苯環引起的。從圖6還可以看出，瀝青在光老化和熱老化后，其輕質組分損失，同時發生氧化反應，生成含有羰基和亞砜基的化合物，這也是導致瀝青強度增加、自愈合性能減弱的原因。

3結語

本文通過溫度掃描，以及在不同愈合時間、損傷程度和愈合溫度下的疲勞-愈合-疲勞試驗，探討了短期老化、紫外老化和長期老化對瀝青自愈合性能的影響，得到如下結論：

（1）老化后瀝青強度增加，抗車轍性能提升。不同老化狀態下，瀝青強度由小到大依次為UA、TFOT、UV和 PAV。

（2延長愈合時間能夠提升瀝青自愈合性能，且對UA的效果最為顯著。老化后，UV和PAV瀝青強度增加，在荷載作用下其自身彈性使性能有所恢復，增強了瞬時愈合性能，但長期愈合性能不如未老化瀝青。

（③）損傷程度越大，瀝青自愈合性能越差。當損傷程度較低時，UV和PAV老化瀝青自愈合性能要優于UA和TFOT。然而，當損傷程度較大時，不同愈合時間下UA瀝青自愈合性能最佳。

（4）老化后，瀝青內部輕質組分蒸發，重質組分比例增加。同時，在長期熱氧老化作用后，瀝青中發生氧化反應，生成羰基、亞砜基等結構，從而導致瀝青強度提升。

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