老化沥青砂浆损伤愈合性能研究*

崔亚楠，敖日其楞，于庆年

(1. 内蒙古工业大学 土木工程学院， 呼和浩特 010051；2. 内蒙古自治区土木工程结构与力学重点实验室， 呼和浩特 010051)

0 引 言

沥青路面在使用过程中将会遇到夏季泛油发软、冬季变硬开裂等损伤与破坏[1-3]。在研究这些问题时，沥青老化问题是不可回避的因素。沥青是一种粘弹性材料，且具有温度敏感性，路面停止使用一段时间内或者随着温度的升高都会使裂缝缩小，甚至闭合，这就是沥青材料所具有的自愈能力[4-6]。研究表明[7-8]，沥青混凝土由三部分组成：第一部分是由沥青与矿粉粘结形成的沥青胶浆，在沥青混合料中起到胶结的作用；第二部分是由沥青与矿粉以及细集料组成的沥青砂浆，进行内部的填充和密实，并和骨架结构填充并胶结成一个密实的整体；第三部分则是沥青混合料的整体层面，这个层面直观显示出沥青混凝土的路用性能。同样沥青混合料是由沥青砂浆与分散在其中的粗骨料共同构成的，因此沥青砂浆性能对沥青混合料的路用性能影响较大，分析沥青砂浆的损伤愈合性能对研究沥青混凝土的愈合性能及力学行为具有重要意义[9]。S.L.Dijkhuis[10]对老化前后的沥青砂浆进行了疲劳愈合试验，定义一种新的评价公式，得出温度对沥青砂浆的疲劳愈合性能影响最大。王昊鹏[11]等通过室内四点弯曲疲劳试验，探究了养护时间、温度、集料级配及沥青胶结料种类对沥青混合料自愈合特性的影响。

沥青混合料是一种粘弹性材料，其力学行为介于弹性和塑性之间。在讨论沥青混合料这种典型粘弹性材料的抗裂性能时，现行国内规范推荐破坏应变作为评价方法；美国SHRP计划推荐使用J积分试验来评价沥青混合料的抗裂性能[12-14]。基于弹塑性断裂力学概念，Z.Wu[15]、王岚[16]等采用J积分评估沥青混合料的抗裂性能。刘宇[17]等采用断裂韧度Jc研究沥青混合料的抗裂能力，认为用断裂韧度Jc作为沥青混合料的断裂参数是合适的。综上所述，本实验中采用UTM-100万能试验机对老化前后的基质沥青砂浆和SBS改性沥青砂浆进行弯曲损伤愈合试验，通过断裂韧性和破坏应变定义两个愈合评价指标[12-13]，分析各因素对沥青砂浆愈合能力的影响，并比较这两个评价指标的优劣，进而更好的分析沥青砂浆的愈合规律。

1 实 验

1.1 原材料

采用90号基质沥青和掺量为4.5%的成品SBS 改性沥青，石灰石矿粉和玄武岩矿料作为填料，具体指标见表1～3。级配采用AC-16型密集配按照比表面积转化法和δ体积修正法级配转化后的结果[18]，沥青砂浆配比见表4。

表1 沥青的基本指标Table 1 The basic indicators of asphalt

表2 矿粉的基本指标Table 2 The basic indicators of mineral powder

表3 矿料的基本指标Table 3 The basic indicators of mineral material

表4 沥青砂浆配比Table 4 The mix ratio of asphalt mortar

1.2 试验方法

1.2.1 沥青砂浆小梁的制备

采用轮碾法成型，未老化的试件直接成型；短期老化的试件是将搅拌好的混合料放入135 ℃的烘箱中加热4 h，并且每小时翻拌一次，再进行碾压成型；长期老化的试件是将短期老化后的沥青砂浆用切割机切成小梁试件，放入85 ℃的高低温交变箱中，加热120 h。并对未老化、短期老化、长期老化的两种沥青砂浆标准小梁试件中点进行宽度为2 mm、深度为6 mm的预切口切割。

1.2.2 沥青砂浆小梁损伤试验

测试时需要在试件上、下表面分别放橡胶块和垫片。下表面橡胶块是模拟真实路面结构，抵消小梁的大部分永久变形。上表面垫片是避免由于压头导致的沥青砂浆小梁试件局部变形[19-20]。UTM-100万能试验机的环境箱温度为15 ℃，支座间距为140 mm，加载速率为50 mm/min，以竖向位移传感器的下降位置确定试件的损伤程度，将试件弯曲破坏时的位移定义为初始参数S，将损伤程度分别定义为30%S、45%S和60%S，在达到预设损伤程度相应的位移时停止加载进入间歇期。

图1 沥青砂浆标准试件示意图Fig 1 Standard test parts for asphalt mortar diagram

图2 实验中的试件Fig 2 Asphalt mortar test parts

1.2.3 沥青砂浆小梁愈合试验

试验采用正交法设计，影响沥青混合料损伤愈合性能的因素众多，选取温度(A)、愈合时间(B)、老化程度(C)、损伤程度(D)作为主要影响因素[21]，具体方案如表5所示。

表5 正交实验的因素及水平Table 5 Factors and levels of orthogonal experiment

进行四因素三水平正交试验设计，正交试验设计表如表6所示。

表6 正交实验设计表Table 6 Table of orthogonal experiment

将加载到规定损伤程度的沥青砂浆小梁试件放入高低温交变箱中对其进行自愈合。分别将温度设定为35，50和65 ℃，时间设定为1、2和4 h，间歇期结束后，在将试件冷却到室温，再次进行沥青砂浆小梁损伤试验，整个过程为损伤—自愈合—损伤。

2 愈合指标的定义

有学者提出裂缝表面的愈合分为两个阶段[11]：(1)由裂缝之间的表面粘合力引起的强度恢复；(2)由裂缝内部高分子扩散和重组导致与时间有关的强度恢复。为了很好的确定沥青砂浆小梁试件的自愈合性能及其作用机理，本文从变形和能量耗散角度来分析不同老化程度下两种沥青砂浆愈合规律，选取破坏应变和断裂韧性，分别定义愈合指标：

(1)

(2)

3 结果分析

3.1 愈合度分析

根据两个不同的愈合指标算出自愈合度如表7所示，并用表7结果绘制图3、4。

表7 不同指标下的自愈合度Table 7 Self-healing rate under different indexes

图3 各影响因素下基质沥青砂浆小梁愈合度Fig 3 The healing degree of matrix asphalt mortar under influencing factors

图4 各影响因素下SBS改性沥青砂浆小梁愈合度Fig 4 The healing degree of SBS modified asphalt mortar under influencing factors

通过图3分析可知，对于基质沥青砂浆HI1指标来说，随着温度的升高，沥青砂浆的愈合能力减弱。沥青是一种粘弹性材料，具有温度敏感性，在一定温度范围内，随着温度的升高应该会呈现较好的沥青分子扩散趋势[21-22]，对表面裂缝的愈合有一定的促进作用，本文愈合试验结果出现差异性结果；在愈合时间方面，基质沥青砂浆在愈合1 h后和愈合2 h后的愈合程度差异不大，而愈合时间达到4 h愈合度有所下降，沥青具有时间相关性，间歇时间越长沥青复合材料的愈合度越高，这也与所得到的结论相悖[23-24]；在老化程度方面，长期老化后的愈合度最高，同样与现有的理论不符合；而损伤程度达到60%时，愈合效果最好。

对于基质沥青砂浆HI2指标来说，在 50 ℃时的愈合效果最好，65 ℃时的愈合度有所下降，温度上升到一定范围时，沥青接近牛顿流体的状态，升高温度对沥青混合料的愈合影响较小，甚至会降低愈合效果；愈合时间为4 h时的愈合效果最好，愈合时间在1 h时应处于愈合的第一阶段，随着愈合时间增长其愈合效果并不会增长，甚至会有所下降；愈合2～4 h时愈合度又再次升高，表明2～4 h内基质沥青砂浆的愈合进入第二阶段，进而促使其断裂韧性的恢复[25]；未老化的基质沥青砂浆愈合效果最好，而长期老化后试件沥青在高温作用下容易析出，一定程度上促进了试件中固有微裂纹的弥合，使得试件具有更好的抗开裂能力，且析出的沥青能促进损伤后裂纹的闭合，因此长期老化比短期老化愈合效果要好；对于油砂比较大的基质沥青砂浆，在60%的损伤情况下，出现的宏观裂缝仍然较小，受到损伤位移的影响，沥青砂浆内部细骨料发生相对滑动并且位置重新排列，沥青砂浆结构变得致密，促使表面自由能对损伤愈合性能恢复[26]。

综上分析发现，基质沥青胶浆由于没有较好的抗疲劳和抗变形的能力[27]，位移形变相对较大，当以破坏应变作为愈合指标时，得出愈合度不能很好评价愈合机理。当以断裂韧性作为愈合指标的时候，对于基质沥青胶浆有较好的评价效果，能较好的体现基质沥青砂浆愈合度差异，进而合理评价各因素对基质沥青砂浆愈合度的影响。

对于SBS沥青砂浆来说，两个指标呈现基本一致的规律，随着温度的增大，沥青胶浆的抗疲劳性能和愈合效果均变好。由于SBS改性沥青的温度敏感性低[28]，SBS改性沥青与集料胶结更好，愈合效果随着温度的升高而变大；愈合效果随着愈合时间的增长并无明显的波动，2 h时候愈合效果下降，又在4 h时上升，表明在1h以内愈合第一阶段基本完成，说明愈合在前期恢复的较快，随着时间的增加会有所减慢；未老化时期的SBS改性沥青胶浆愈合性能最好，愈合效果略大于长期老化后的；而在损伤程度45%时的应变愈合度最高。

两种沥青砂浆的愈合指标HI1对比来看只有老化因素下有相同的愈合规律，而HI2指标比较知道，愈合时间、老化程度、和损伤程度的愈合规律走向相同，而温度因素下的愈合规律出现不一致。是因为，对于SBS改性沥青胶浆来说，由于添加了改性剂，使得抗变形能力、弹性恢复能力均增强，且温度敏感性较低[29]。

通过上述分析可得愈合指标HI2均适用于基质与SBS改性沥青砂浆，因此通过比较HI2下的愈合率来评价沥青愈合效果的优劣。通过表7可以得到基质沥青砂浆的愈合率要高于SBS改性沥青砂浆，但老化后的基质沥青砂浆HI2较SBS改性沥青砂浆要小，是因为SBS改性剂中的聚合物形成较稳定的三维网状结构，改善了沥青高低温、抗变形的能力[27]，但是其溶胀吸附，吸收沥青中的轻组分，导致沥青粘度增加，阻碍流动性，因此愈合效果会稍差。

3.2 愈合率的极差分析

采用极差分析的方法对不同沥青砂浆两种愈合指标进行分析，结合表5、6、7计算得到极差结果表8，并根据表中数据绘制图5。

图5 各影响因素下两种沥青砂浆极差分析结果Fig 5 Analysis results of two kinds of asphalt mortar range under various influencing factors

表8 极差结果Table 8 Range result

愈合度分析分析可知，对于基质沥青砂浆小梁愈合指标HI2来说，极差的大小可以判断各因素对愈合效果的影响。基于HI2的极差大小依次是：老化程度>愈合时间>愈合温度>损伤程度，影响最大因素是老化程度。对SBS改性沥青砂浆小梁愈合指标HI2来说，四因素极差大小依次是：老化程度>损伤程度>愈合时间>愈合温度，老化程度影响最大。由此可知，老化程度因素影响下的愈合度波动大，对两种沥青砂浆的愈合效率影响较大。

4 结 论

(1)通过对比破坏应变和断裂韧性这两个评价指标可知：当以破坏应变作为愈合指标时，并不能很好的评价其损伤后的愈合性能，以断裂韧性作为愈合指标则能很好的评价其愈合性能。对于SBS改性沥青胶浆来说，两种愈合指标都可以很好的评价其愈合性能。

(2)通过对愈合试验进行极差分析，综合考虑可知：相比于愈合温度、愈合时间、损伤程度这三种因素，老化程度对沥青胶浆的愈合效果影响显著。因此，在路面摊铺及使用过程中应合理控制老化的发生。

(3)对比两种愈合评价指标，基质沥青砂浆的愈合效果比SBS改性沥青砂浆稍好，但老化后的基质沥青砂浆HI2较SBS改性沥青砂浆要小，虽然SBS改性沥青抗疲劳和抗变形的能力较好，但是改性剂的加入使SBS改性沥青高温不软化、低温不发脆，从而限制了分子的扩散流动，愈合效果稍差。