沥青混合料自愈合增强技术研究综述

许云龙 杨小龙 李自齐

Summary of Research on Self-healing Enhancement Technology of Asphalt Mixture

XU Yun-long YANG Xiao-long LI Zi-qi

摘要：沥青路面在使用过程中经受行车荷载和各类环境因素影响，不可避免会产生老化、变硬进而导致路用性能降低和疲劳开裂，如果未来能研制出裂纹自动愈合的智能型路面，那么必然能够大大延长道路的使用寿命。大量的研究证实了当给予破坏的沥青混合料一定的间歇期，沥青混合料会发生裂纹闭合，性能有所回升的现象——沥青混合料自愈合。结合沥青混合料的自愈合机理，分析了自愈合的影响因素，对沥青混合料的自愈合增强技术研究现状进行了探讨。

Abstract： Asphalt pavement is affected by driving load and various environmental factors during use. It will inevitably lead to aging and hardening， which will lead to reduced road performance and fatigue cracking. If an intelligent pavement with automatic crack healing can be developed in the future， it will certainly be able to Greatly extend the life of the road. A large number of studies have confirmed that when the asphalt mixture is given a certain intermittent period， the asphalt mixture will crack and the performance will rebound. The asphalt mixture will heal itself. Combined with the self-healing mechanism of asphalt mixture， the influencing factors of self-healing were analyzed， and the research status of self-healing strengthening technology of asphalt mixture was discussed.

關键词：沥青;自愈合;机理;影响因素;增强技术

Key words： asphalt;self-healing;mechanism;influencing factors;reinforcement technology

中图分类号：U414                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）32-0277-03

0  引言

1976年Bazin等[1]率先提出沥青混合料具有自愈合能力，而后国内外学者纷纷展开了对沥青自愈合的研究，在该领域取得了重大进展。但沥青混合料的自愈合能力本身有限，且耗时较长，如何提高沥青混合料的自愈合能力成为当下研究的重点。

1  自愈合机理

Phillips[2]提出，沥青自愈合可分为三个步骤：①压力作用和沥青流动引起微裂缝闭合;②在表面能的作用下，裂缝两侧表面沥青分子湿润促使微裂缝闭合;③沥青分子相互扩散、沥青结构自由重组。

Wool等[3]认为沥青自愈合分为三步：①由布朗运动引起的裂缝表面润湿;②裂缝表面分子相互扩散;③界面分子随机化组合与排列。

孙大权[4]提出：沥青混合料自愈合机理本质上是裂缝界面沥青分子为降低表面能而自发进行的界面湿润与吸附和分子扩散，其原动力来源于裂纹界面分子范德华力和氢键形成的化学吸附。

2  自愈合影响因素

2.1 内在因素

沥青种类：不同种类沥青自然有不同程度的自愈合特性。

沥青化合物分子形态：Kim等[5]提出亚甲基与甲基比（CH2/CH3）高（及分子链长），沥青具有较高的愈合速率;亚甲基和甲基中氢原子数与碳原子数比（MMHC）高，侧链分支多，愈合速率高。

沥青含量：KiM[5]认为低沥青含量的沥青混凝土比高含量的沥青混凝土具有较高的愈合速率;黄明[6]发现在沥青用量较高时，橡胶沥青混合具有更好的愈合性能。

改性剂：孙大权[7]提出SBS改性沥青自愈合能力大于基质沥青。添加岩沥青会降低沥青的自愈合能力。

级配：Grant[8]认为粗级配沥青混凝土比细级配沥青混凝土具有较高的愈合速率。

粉胶比：崔亚楠[9]研究了不同粉胶比对沥青自愈合性能的影响，发现粉胶比为1时愈合能力最强，过大或是过小的粉胶比都会使沥青的自愈合能力降低。

填料：Little等[10]发现添加某些填料（比如熟石灰）能直接影响沥青混凝土的愈合速率。

孔隙率：黄明[6]发现无论是劲度模量恢复率和疲劳寿命恢复率都与混合料的空隙率成反比。即沥青混合料的愈合率与孔隙率的大小成反比。

应变水平：黄明[6]在橡胶沥青混合料疲劳性能自愈合影响因素研究中控制不同的应变水平，发现劲度模量恢复率和疲劳寿命恢复率与应变大小成反比。

损伤度：黄明[6]发现劲度模量恢复率和疲劳寿命恢复率与损伤度大小成反比。

2.2 外在因素

间歇时间：大量研究表明增加间歇期能够给予沥青混合料更多的愈合时间从而达到较高的愈合率。

愈合温度：大量研究表明提高沥青混合料温度能显著提高其自愈合效率，但是过高的温度也会加速沥青混合料的老化。

3  自愈合增強技术

3.1 SBS改性沥青

姜睆[11]利用DSR对基质沥青、SBS改性沥青和经过老化处理后的沥青进行疲劳-愈合-再疲劳测试，以复合模量衰减的速率评价沥青的自愈合能力。发现SBS改性沥青的自愈合性能大于基质沥青和老化处理后的沥青。

孙大权[7]利用DSR对添加了SBS改性剂的沥青和普通基质沥青进行间歇扫描，设置不同的间歇时间，不同损伤度，利用表象法和能量法指标进行愈合能力评定，得出SBS改性沥青比基质沥青具有更高的愈合性能。

崔亚楠[9]同样对SBS改性沥青和基质沥青进行DSR试验，发现SBS改性沥青胶浆愈合指数高于基质沥青胶浆，但愈合指数增长速率小于基质沥青胶浆，这说明SBS改性沥青相比基质沥青自愈合能力更强，而愈合效率较低。

Qiu[12]提出SBS改性沥青在SBS网络断裂之前的自修复性能优于基质沥青;SBS改性沥青在SBS网络断裂之后的自修复性能劣于基质沥青。

3.2 感应加热

在沥青混凝土中添加适量的导电纤维，如石墨，钢丝绒等，然后通过电磁感应加热等形式对沥青混合料进行加热，加速沥青的愈合。

2009年，Garcia等[13]首次提出电磁感应加热促使沥青胶浆实现自愈合的概念，这主要是通过添加导电纤维来实现。Garcia等[14]通过建立电磁感应模型评价了添加导电材料的沥青胶浆的愈合性能，并证实电磁感应加热的确拥有促进沥青材料愈合的能力。

何亮[15]在沥青混合料小梁中添加不同直径，不同长度，不同量的钢丝绒并进行电磁感应加热。钢丝绒（3.5mm）掺量为4%的密实型沥青混合料加热到75℃时具有94.6%的理想自愈合率。钢丝绒的加入会提高密实型沥青混合料的高温稳定性，而降低了其低温抗裂性能，掺入2%的钢丝绒可提高密实型沥青混合料的水稳定性，但随着掺量的增加，混合料水稳定性却逐渐降低。可见钢丝绒的添加量不是越多越好。

3.3 自愈合微胶囊

微胶囊分为囊芯和囊壁结构，囊芯一般为沥青再生剂，囊壁包裹囊芯，囊壁受力破裂后释放包裹其中的再生剂，再生剂平衡了沥青中的各组分，降低沥青粘度，从而达到性能恢复，微裂纹愈合的效果。

White等[16]在2001年提出了自愈合微胶囊的概念。通过裂缝处微胶囊内的愈合药剂和环氧树脂环境下的化学药品发生触变反应来完成裂纹的自愈合。微胶囊发挥作用的过程分为三步：①微裂纹形成，②微胶囊在裂缝处破损，并在毛细管作用下释放出愈合剂，③愈合剂与外界的药剂发生化学反应，生成聚合物填充裂缝内部。

Garcia等人[17]在2010年用环氧树脂和细砂作为胶囊壁，再生剂作为嚢心，制备出自愈合微胶囊并应用于沥青混凝土中。对该复合材料进行间接拉伸疲劳试验，发现其降低了沥青混凝土的劈裂强度，并导致最大变形有所增加，但疲劳寿命有所减少。

Jun-Feng Su[18]等采用TGA对MMF微胶囊的热稳定性进行了分析，并设计了一种高低温循环测试微胶囊热稳定性的方法。发现在180-200℃时微胶囊能保持其良好的形貌，温度继续升高，微胶囊软化粘结成块，当温度达到240℃时微胶囊开始产生结构破坏;并且在交变温度作用下大部分再生剂依然很好的被包裹在微胶囊中，再次验证了微胶囊拥有良好的温度稳定性。Su根据双板微操作方法测试了MMF壳微胶囊的力学性能，用荷载位移曲线描绘出了单体微胶囊受力后产生的弹塑性变形。用SEM观察了在沥青试样产生裂缝后的微胶囊变化，发现微胶囊破裂，再生剂流出迅速填满裂缝并渗透到裂缝两侧，裂缝愈合，证实了微胶囊的的确在产生作用。

刘哲[19]采用原位聚合法，以脲醛树脂为囊壁、环氧E-51为囊芯材料、T31为固化剂制备了自修复微胶囊。对添加微胶囊后70#基质沥青的三大指标进行了测定，发现在微胶囊添加量为沥青质量的1%时，沥青10℃延度已经低于规范的技术要求，说明在添加微胶囊时其用量不宜过大。添加微胶囊后沥青的软化点有小幅度上升，针入度先上升后下降，但仍处于技术标准之内。发现随着沥青及微胶囊在低温（10℃以下）时很难发挥其愈合能力，温度在20～30℃时，沥青自愈合率明显提升，最高达到36%，添加了微胶囊后也有同样的趋势，且其最高值可达50%;说明添加微胶囊对沥青的愈合能力有显著提升。

Max A. Aguirre[20]等采用原位聚合法制备双壁微胶囊。对六组添加了再生剂、微胶囊、PCWS的不同组合SBS改性RAP混合料小梁进行三次（破坏前、破坏后、愈合后）三点弯曲试验，后分两组分别在室温（26±2℃）和高温（50±2℃）进行0-6天的愈合试验。发现室温下的沥青梁比在高温下具有更好的愈合性能，并指出在高温下样品的愈合效率较低可归因于由于延长暴露于高温而在沥青中发生的老化过程。

4  结论

本文结合近几年来国内外对沥青混合料的自愈合特性研究，从自愈合机理，影响因素与自愈合增强技术三方面进行了探讨，但将研究运用到实际道路中还任重道远，未来研究的发展方向一方面是自愈合水平的综合评价指标，另一方面则是研制新型高效的自愈合智能路面。

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作者简介：许云龙（1994-），男，福建宁德人，硕士研究生，从事道路沥青混合料研究。