沥青自愈合指标修正及影响因素分析

罗 蓉， 许 苑， 刘涵奇， 冯光乐

(1.武汉理工大学 交通学院， 湖北 武汉 430063； 2.湖北省公路工程技术研究中心， 湖北 武汉 430063；3.湖北省交通运输厅 工程质量监督局， 湖北 武汉 430063)

沥青作为沥青路面结构的一部分，其疲劳寿命会影响路面服役寿命.现有针对沥青疲劳寿命的试验通常采用连续加载方式，同时将沥青在不能继续承受相应荷载时的加载次数定义为沥青的疲劳寿命.然而在实际路面行驶过程中，由于车辆间断加载使得沥青有一定的恢复时间，这就导致现有连续加载试验无法真实评价服役环境中的沥青疲劳寿命.1967年Bazin等[1]首次提出沥青混合料的自愈合特性，并证明其可以提高沥青路面的服役寿命.自此，沥青的自愈合能力得到重点关注并有很多学者对其展开研究：Kim等[2]发现沥青的裂缝愈合分为裂缝表面毛细作用产生的润湿愈合和沥青分子在裂缝表面的随机扩散2个过程；lvaro[3]通过CT扫描分析了沥青愈合的微观过程，并通过Arrhenius方程对沥青自愈合速率和温度进行相关性分析；Tan等[4]采用应力和应变2种控制模式研究了各沥青在不同损伤度、不同间歇时间条件下的愈合情况；Sun等[6-7]采用愈合行为方程对沥青现有的自愈合评价指标进行拟合分析，并通过愈合活化能分析沥青在不同温度下的愈合难易程度.

目前，沥青的自愈合评价指标主要通过动态剪切模量本身的变化情况来表征，并未考虑间歇前后动态剪切模量的变化速率.本文通过考虑加载时间对动态剪切模量的影响，修正了1种自愈合评价指标，使其更具有物理意义，并采用愈合行为方程进行拟合.同时，采用控制变量的方法综合考虑损伤度(D)和间歇时间这2种因素对沥青自愈合的影响规律.

1 试验

1.1 原材料

基质沥青为湖北某公司产A级70#道路石油沥青；SBS改性沥青为在70#基质沥青基础上加入质量分数为4%的SBS，高温剪切搅拌使其均匀分散于沥青中制成.将70#基质沥青和SBS改性沥青分别加热至135，155℃至流动状，将其浇注至硅胶模具上，待冷却后进行试验.

1.2 试验方法

在20℃，10Hz条件下，对上述2种沥青进行不同应力水平的时间扫描试验，并加入间歇时间以模拟沥青的自愈合时间；在应力为200kPa的条件下，设定不同损伤度和不同间歇时间进行扫描试验，采用自愈合指标评价沥青的自愈合情况.

2 试验结果分析

2.1 沥青自愈合特性对疲劳寿命的影响

为探究沥青自愈合特性对其疲劳性能的影响，本文对沥青进行无间歇和有间歇2种条件下的时间扫描试验.采用基本模量控制法得到沥青疲劳寿命，并利用间歇1800s后增长的疲劳寿命ΔN来表征沥青的恢复情况，如表1所示.

由表1可知，有间歇沥青的疲劳寿命较无间歇沥青有所增长，这证明了沥青自愈合特性的存在.因此在研究沥青抵抗疲劳开裂能力时需考虑沥青的自愈合特性.

表1 2种沥青在无间歇与有间歇条件下的疲劳寿命

2.2 自愈合评价指标及分析

目前，沥青自愈合指标一般以沥青动态剪切模量的变化情况为基础建立.表2为常见的3种自愈合指标公式.其中G0表示初始动态剪切模量；Gb表示间歇前的终止动态剪切模量；Ga表示间歇后的初始动态剪切模量.

表2 常见的自愈合指标公式

图1 沥青间歇前后动态剪切模量变化曲线Fig.1 Change curve of dynamic shear modulus before and after rest periods of asphalt binder

由表2可知，指标HI1受沥青损伤程度影响较大；指标HI2只能进行同一种沥青在不同条件下的比较，不适用于不同沥青的自愈合能力比较；指标HI3消除了初始动态剪切模量的影响，但通过沥青间歇前后动态剪切模量变化曲线(图1)可明显发现，间歇前动态剪切模量曲线所对应的点Ga下降至Gb的速率与间歇后动态剪切模量曲线中Ga下降至Gb的速率不一致，这一现象说明沥青的自愈合能力不能完全由动态剪切模量变化值表征，应考虑加载时间对动态剪切模量变化的影响.若间歇时间太长导致间歇后动态剪切模量恢复至间歇前的初始动态剪切模量，那么指标的计算结果为1，这显然是不合理的.由此可见，以上3种指标在研究沥青的自愈合能力时均有诸多条件限制且不够明确有效，导致其不能真实反映沥青的自愈合能力.考虑到间歇前后沥青的动态剪切模量下降速率与加载时间有关，本文通过对指标HI3进行时间修正，得到新的自愈合评价指标HI4：

(1)

由式(1)可见，指标HI4合理利用了指标HI3的优点，综合考虑了沥青自愈合能力受动态剪切模量变化和间歇前后加载次数的共同影响.本文通过对70#基质沥青和SBS改性沥青进行不同损伤度(D)和不同间歇时间下的自愈合试验，并采用指标HI4对试验数据进行处理，如表3所示.

表3 2种沥青的自愈合指标HI4

2.3 愈合方程拟合分析

聚合物裂缝愈合理论[8]从分子角度对聚合物的愈合过程进行了细致划分，整体上可以分为裂缝界面润湿和静态愈合2个过程.采用润湿函数和静态愈合函数的卷积分形式建立自愈合理论方程，如式(2)所示：

(2)

式中：R(t)为聚合物的宏观愈合指数；Rh(t-τ)为聚合物分子扩散静态愈合函数；φ(τ)为裂纹界面的湿润率；t为加载时间；τ为愈合时间.

将式(2)经积分计算并考虑沥青特性，简化得到静态愈合行为方程：

Rh(t)=R0+Kt0.25

(3)

式中：R0，K为拟合参数.

为验证指标HI4的可靠性，采用式(3)对其进行拟合，具体拟合结果如图2所示.由表3可知，SBS改性沥青在损伤度为10%情况下的自愈合指标大于1.这是由于损伤度太小，沥青基本未破坏，且受沥青触变性[9]影响.为保证数据分析的合理性，图2未对SBS改性沥青在10%损伤度下的数据作拟合.

图2 70#基质沥青和SBS改性沥青指标拟合Fig.2 Index fitting of 70# base asphalt binder and SBS modified binder

由图2可知，静态愈合行为方程(式(3))对70#基质沥青的拟合度较好，对SBS改性沥青拟合度稍差；从拟合曲线的斜率可以看出，70#基质沥青在损伤度为10%时愈合速率较快，在损伤度为30%和50%时愈合速率较为接近；SBS改性沥青在30%损伤度时的斜率明显大于50%损伤度时的斜率，说明其在30%损伤度下的愈合速率大于50%损伤度下的愈合速率.由此可见，损伤度越小的沥青自愈合能力越强.

2.4 自愈合影响因素讨论

2.4.1损伤度

沥青损伤度(D)采用其动态剪切模量的变化情况进行表征，其表达式如下：

(4)

沥青在承受重复荷载时产生疲劳开裂，裂缝由产生至逐渐开裂是沥青损伤程度逐渐加大的一个过程.在沥青损伤度较小的情况下给予一段时间的愈合，沥青可能会恢复原状；在沥青损伤度较大的情况下，裂缝开展较大，沥青较难恢复.为探究损伤度对沥青愈合性能的影响，本文采用重复加载模式分别加载至损伤度为10%，30%，50%，再间歇愈合，来比较沥青自愈合能力随损伤程度变化的情况.不同损伤度统一采用600s的间歇时间进行分析，经整理后如图3所示.

由图3可以看出，随着沥青损伤程度的增加，其自愈合指标逐渐减小，即沥青的自愈合能力逐渐变差；在10%损伤度情况下，SBS改性沥青的自愈合指标大于1，这是由于沥青材料本身的位阻硬化和触变性造成的，另一方面也说明其在该损伤条件下相较于70#基质沥青具有良好的自愈合能力.由图3还可见，损伤度较大的沥青因裂缝开展较大，破坏较严重，在一定时间内，分子的随机扩散以及重排列未能形成充分强度，导致上述2种沥青在30%和50%损伤度下的自愈合能力相似，均低于0.5.

图3 自愈合指标HI4随损伤度变化情况Fig.3 Variation of healing index HI4 with damage degree

2.4.2间歇时间

根据分子运动理论，沥青分子处于不停息、无规则的运动状态.在间歇时间内，沥青分子经历裂缝界面毛细作用的润湿后会自由运动，运动过程中沥青分子不断地重新排列组合、填充裂缝，使得裂缝逐渐缩小至愈合.间歇时间越长，沥青分子运动得越自由.为探究间歇时间对沥青自愈合特性的影响，对其加载后采用不同的间歇时间，并采用自愈合指标来表征它们的恢复情况，如图4所示.

由图4可以看出，沥青间歇时间越长，其自我恢复能力越好，若给予沥青无限长的间歇时间，则沥青可以恢复至初始状态；随着间歇时间的增长，沥青愈合速度逐渐趋于缓慢；同一间歇条件下，SBS改性沥青的自愈合能力优于70#基质沥青.

图4 2种沥青的自愈合指标HI4随愈合时间变化情况Fig.4 Variation of healing index HI4 with healing time

3 结论

(1)通过无间歇加载和有间歇加载2种试验模式，证明沥青自愈合特性可延长其疲劳寿命.考虑自愈合特性的沥青疲劳寿命可以更加有效地预测路面服役寿命.

(2)从试验数据和物理意义上分析了HI1，HI2和HI3这3种常见自愈合指标的不足，采用修正HI3后得到的新指标HI4，对不同损伤度和不同间歇时间的试验数据进行计算，并采用静态自愈合行为方程进行了拟合.较好的拟合度证明该指标在评价沥青自愈合能力上的可行性.

(3)在沥青自愈合研究过程中，损伤度、间歇时间因素不可忽略.损伤度较小的沥青还未超出线黏弹性范围，其恢复能力受间歇时间影响较小；同一间歇时间下，损伤度较大的沥青恢复能力较差；同一损伤度下，间歇时间越长，其恢复情况越好.

参考文献：

[1] BAZIN P,SAUNIER J.Deformability,fatigue and healing properties of asphalt mixes[C]//Proceeding of the Second International Conference on the Structural Design Asphalt Pavement.Ann Arbor：International Society for Asphalt Pavements，1967：438-451.

[2] KIM Y R ,LITTLE D N,BURGHARDT R.SEM analysis on fracture and healing of sand-asphalt mixtures[J].Journal of Materials in Civil Engineering,1991,3(2):140-153.

[4] TAN Y,SHAN L.Healing characteristics of asphalt binder [J].Construction and Building Materials,2012,27:570-577.

[5] SHAN L,TAN Y,KIM Y R.Establishment of a universal healing evaluation index for asphalt binder[J].Construction and Building Materials,2013,48:74-79.

[6] SUN D,LIN T,ZHU X,et al.Calculation and evaluation of activation energy as a self-healing indication of asphalt mastic [J].Construction and Building Materials,2015,95:431-436.

[7] 曹林辉.考虑自愈合影响的沥青及沥青胶浆疲劳性能研究[D].上海：同济大学,2014.

CAO Linhui.Studying on fatigue of asphalt binder and mortar considering influence of self-healing[D].Shanghai：Tongji University，2014.(in Chinese)

[8] WOOL R P,O’CONNOR K M.A theory of crack healing in polymers[J].Journal of Applied Physics,1981,52(10):5953-5963.

[9] PÉREZ-JIMÉNEZ F E,BOTELLA R,et al.Differentiating between damage and thixotropy in asphalt binder’s fatigue tests[J].Construction and Building Materials,2012,31(1):212-219.