基于数字散斑相关技术的老化沥青砂浆自愈合特性*

张 翔，崔亚楠，郭 靖，于庆年

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

0 引 言

随着我国公路的高速发展，沥青道路在我国公路中占有较大比重，沥青路面材料的研发及路用性能的提高成为科研工作者关注的焦点。Bazin P[1]于1967年发现沥青混合料具有热老化自愈合特性。Phillips M C[2]通过试验提出：沥青的愈合分为3个层次，表面能作用是裂纹表面浸润，裂纹开始闭合后，沥青流动性加强，力学性能提高。Dong Y S等[3]通过三点弯曲试验分析了试验温度、损伤程度、沥青类型和沥青混凝土比对可压延沥青混合料自愈性能的影响。Nejad F M等[4]和Behnia B等[5]通过使用声发射(AE)及圆盘形致密拉伸(DCT)对热老化下的沥青混凝土材料的损伤自愈合进行了定量评估，沥青混凝土经过了8个冷却循环后研究循环之间的静置时间对愈合的影响。Ajam H等[6]发现加热能够使沥青混合料的裂缝自愈合加快，通过采用电磁感应和红外辐射的方式均有效提高了沥青混凝土的愈合程度。

沥青砂浆的性能对于沥青混合料影响较大，对于沥青砂浆的损伤愈合性能研究对研究沥青混凝土的愈合性能具有重要意义。现有一些学者开展了沥青砂浆性能的研究工作，张晨晨等[7]基于动态力学分析方法(DMA)对7种沥青砂浆进行了动态弯拉试验，分析不同条件下沥青砂浆粘弹性应变范围及粘弹性能的影响。唐进[8]通过弯曲梁流变仪研究不同愈合时间和不同愈合温度下3种典型沥青砂浆自愈合性能。王文进等[9]根据单轴拉伸蠕变试验论证比较了沥青砂浆材料的蠕变规律。刘新[10]研究了不同温度和加载应力对3种沥青砂浆的影响，并分析了其高温性能。

为了进一步研究沥青材料开裂损伤特性并分析其力学机理，一些学者开始采用细观测试技术，比如数字散斑技术(The digital speckle correlation method，DSCM)对力学试验过程进行观测，通过全场位移或应变深入了解非均质材料的变形和破坏特征。王岚等[11]利用DSCM技术针对紫外光老化的沥青混合料在试验中裂纹产生及扩展规律进行表征，同时分析了沥青混合料的界面特征。

总而言之，目前对沥青砂浆宏细观多尺度自愈合性能的研究较少，本文将基于数字散斑相关方法在不同愈合时间和老化程度下对SBS沥青和基质沥青进行沥青砂浆损伤愈合实验，并定义了一种愈合评价指标来分析其愈合过程。

1 实 验

1.1 实验材料

沥青砂浆试件制作采用90#基质沥青和SBS改性沥青，基本技术指标如表1所示；集料为玄武岩，矿料指标如表2所示；填料为石灰石矿粉，技术指标如表3所示。以AC-16型密集配混合料配比为基础，根据比表面积转化法和δ体积修正法级配转化得到沥青砂浆的级配[13]，具体配比如表4所示。

表1 沥青材料基本指标Table 1 The basic indicators of asphalt

1.2 实验方法

1.2.1试件的制备

沥青砂浆试件采用轮碾法成型,按照《T0734-2000热拌沥青混合料加速老化方法》进行老化,并在小梁试件中点处预留预切口，预切口宽2 mm，深6 mm。在进行DSCM观测前对试件进行喷漆处理，先对试件进行哑光黑漆喷底，再用哑光白漆喷斑，在DSCM观测下的灰度值达到30以下。

表2 矿料技术指标Table 2 Mineral material technical index

表3 矿粉技术指标Table 3 Technical index of mineral filler

表4 沥青砂浆配比Table 4 Asphalt mortar ratio

1.2.2 沥青砂浆损伤自愈合实验方案

采用改良的BOEF弹性地基梁加载方式[15]，如图1所示，橡胶块选为邵氏硬度25°的软橡胶块，用工业胶水将下部橡胶块与试块粘牢；试件加载位置上方粘贴同一规格的硬橡胶垫片，避免由于压头导致的沥青砂浆小梁试件局部变形。采用三分点小梁弯曲损伤愈合实验，通过控制位移设定沥青砂浆试件的损伤程度，加载速率为0.35 mm/min，先测得两种沥青在3种老化(未老化、短期老化和长期老化)程度下破坏时的位移值S。而后将预设损伤程度定义为60%S，在达到预设损伤程度对应位移时停止加载。

沥青砂浆损伤自愈合实验步骤：首先，以0.35 mm/s的速率加载到设定损伤位移停止，并以相同的速率卸载；接着，启动DSCM每15 s拍摄一次荷载位移损伤，记录最大位移以及完全卸除时的时间以及照片；最后，采用DSCM进行室温下愈合1，2和4 h的愈合观测并记录。

1.2.3 沥青砂浆损伤自愈合实验的影响因素

沥青砂浆损伤愈合实验主要考虑老化程度和愈合时间。两种沥青砂浆损伤愈合实验设计如表5所示，每个实验进行3组平行实验。

图1 改良的BOEF弹性地基梁Fig 1 BOEF modified elastic foundation beam

表5 沥青砂浆损伤自愈合实验设计表Table 5 Damage and self-healing properties orthogonal test table of asphalt mortar

1.3 基于数字散斑相关方法的指标选取

基于数字散斑相关技术的沥青砂浆损伤愈合实验，在预切口两侧对称选取8个点，分别测得每点的位移，用右侧总位移减去左侧总位移后取得平均值即为两点之间的位移差ΔU，以ΔU直观表现预切口处的损伤愈合情况。试件表面坐标情况如图2所示。

图2 试件表面坐标划分图Fig 2 Surface coordinate division diagram of specimen

预切口两侧位移值ΔU计算公式如式(1) 所示：

(1)

其中，ΔU为预切口两侧的位移差，U右为预切口右侧总位移值，U左为预切口左侧总位移值。

用开始时刻的ΔU值与不同愈合时间后的ΔU值作差记为ΔU愈合值，分析ΔU愈合值随着愈合时间的增长的变化过程。当卸载过后，试件瞬时发生弹性回复阶段，呈线性变形回复阶段，随后才是开始愈合时刻预切口两侧的位移值，如图3所示。ΔU愈合值计算公式如式(2) 所示

ΔU愈合值=ΔUt=0-ΔUt=x

(2)

其中，ΔU愈合值为ΔU愈合值，mm；ΔUt=0为开始愈合时预切口两侧位移值，mm；ΔUt=x为愈合x时间后的ΔU值，mm。

通过实验测得不同愈合时间下的位移差ΔU，定义基于位移差ΔU的损伤愈合指标HI，计算公式如式(3) 所示

(3)

其中，HI为愈合度；ΔUt=0为开始愈合时预切口两侧位移值；ΔUt=i为愈合i=0,1,2 h后预切口两侧的位移差；基于变形差ΔU的损伤愈合指标HI，通过开始时与不同愈合时间段内的位移差与开始愈合时预切口处位移的比值，以此作为沥青砂浆在不同愈合时间段下的愈合度的评价指标。

图3 损伤愈合过程Fig 3 Specimen injury healing process

2 结果分析与讨论

2.1 SBS改性沥青砂浆损伤愈合U云图

以SBS改性沥青砂浆试件为例采用数字散斑技术对损伤愈合过程进行观测。图4和5中下端两支座间距为14 cm，右侧图例对应位移程度。通过对比施加荷载和愈合过程中位移云图的变化，分析SBS改性沥青砂浆的损伤愈合过程。

2.1.1 沥青砂浆荷载损伤应变云图

图4为SBS改性沥青砂浆荷载应变云图。从图4(a)可以看出，无荷载时的试件表面无云图；由图4(b)可知，试件刚开始加载，由于预切口处出现应力集中导致顶端处应变最先开始，预切口处颜色变深；由图4(c)可知，试件加载10 min时，出现了明显的火苗状应变云图，表示切口处受压应变最大，试件两侧为拉应变；图4(d)为峰值荷载下的试件应变云图，此时应变达到最大，压头两侧的拉应变最大，中间区域压应变最大；同时由于达到峰值荷载试件中部深色区域内产生了细微的裂纹，导致其表面应变无法被识别。

图4 SBS改性沥青砂浆荷载应变云图Fig 4 Load strain cloud map of SBS modified asphalt mortar

2.1.2 沥青砂浆愈合位移云图

图5为SBS改性沥青砂浆的愈合位移云图。对比SBS改性沥青砂浆在不同愈合时间下的位移云图，由图5(a)开始愈合时可以看出，试件左右两侧受拉位移区域颜色呈现深红色。从图5(b)可以看出，愈合1 h后两侧最大位移处区域浅化，说明试件位移在减小，受拉区缩小，呈现一定程度的恢复。从图5(c)可以看出，愈合2 h后位移缩小区域进一步扩大，试件整体呈现更明显的愈合趋势。从图5(d)可以看出，愈合4 h后最大位移区域颜色已经完全浅化，此时最大位移区域较小，试件中部浅颜色区域进一步扩大，与开始愈合时相比愈合4 h后SBS改性沥青砂浆的位移呈现显著的趋势愈合。

图5 SBS改性沥青砂浆的愈合位移云图Fig 5 Cloud image of healing displacement of SBS modified asphalt mortar

2.2 沥青砂浆ΔU的损伤愈合过程

对沥青砂浆试件的变形数据进行采集，按照式(1)得到不同老化程度下基质沥青砂浆和SBS改性沥青砂浆位移差ΔU随时间的变化过程，分析沥青砂浆试件的损伤自愈合过程，如图6所示。

从图6可看出，ΔU会出现峰值，整体呈现为先增大后减小；对比不同老化程度下预切口两侧的ΔU最大值与最小值发现，两种沥青砂浆短期老化后的ΔU值最大，长期老化后两种沥青砂浆的ΔU值最小。这是由于ΔU值与损伤位移有关，损伤位移越大其整体变形位移越大，从而沥青砂浆试件预切口两侧位移越大[12]。沥青砂浆在经过短期老化和长期老化后，沥青中的沥青质含量增多，流动性降低，沥青与集料的粘附力下降，预切口两侧抗开裂能力下降，而在长期老化过程中由于试件温度升高，试件内部沥青流动性增强，增大了沥青与石料的粘附性，对裂纹的开展起到了一定的抑制作用。因此，经过短期老化后的沥青砂浆试件预切口两侧位移最大，长期老化次之，未老化最小。

图6 不同老化程度下两种沥青砂浆损伤愈合过程中预切口两侧位移Fig 6 Displacement of two kinds of asphalt mortar in the process of damage healing under different aging degrees

对比图6(a)和(b)可以发现，相同老化条件下加载阶段基质沥青砂浆ΔU峰值大于SBS改性沥青砂浆，卸载阶段基质沥青砂浆的ΔU恢复值也大于SBS改性沥青砂浆，这是由于改性沥青中改性剂随沥青老化而发生降解或断裂，不能在卸载阶段起到原有得改性作用，导致SBS沥青砂浆比基质沥青砂浆具有较差变形能力和愈合能力。

2.3 对比不同老化程度下两种沥青砂浆ΔU愈合值

图7为不同老化程度下基质沥青砂浆和SBS改性沥青砂浆愈合4 h的愈合值。对比图7中两种沥青砂浆的愈合值发现，基质沥青砂浆在长期老化下愈合值最大，未老化次之，短期老化最小，SBS沥青砂浆在短期老化下愈合值最大，长期老化次之，未老化最小。这是由于长期老化下SBS沥青砂浆由于改性剂的分子颗粒在高温下出现交联体，相对分子质量增大，流动性降低，使得表现出较差的愈合值，而基质沥青砂浆由于高温的原因，沥青砂浆内部沥青析出，增大沥青与骨料的粘附性，抑制裂纹出现，因此在长期老化的情况下表现出更好的损伤恢复能力。

2.4 对比不同愈合时间下两种沥青砂浆ΔU愈合值

分子扩散理论[19]认为沥青材料的裂缝自愈包括以下3个机理：(1)在表面能作用下，微观裂纹上下表面接触并润湿( 润湿机理)；(2)微裂纹界面分子扩散，裂纹界面粘结( 扩散机理)；(3)扩散沥青大分子链的随机化引发材料力学性能恢复。

图8为不同愈合时间段内基质沥青砂浆和SBS改性沥青砂浆的ΔU愈合值。从图8可以看出，整体的愈合呈现明显差异，愈合主要集中于0～1 h阶段，此时试件处于愈合的第一阶段，裂纹通过表面能的作用，裂纹表面接触湿润，呈现较高的愈合值；2～4 h为愈合的第二阶段，愈合速率较慢，愈合值较低，沥青砂浆的愈合主要通过微裂纹界面分子的扩散使裂纹粘结；整体而言愈合第一阶段愈合速率较快，且愈合值较大；在愈合第二阶段过程中，随着愈合时间段的增加，愈合值的增量显著降低并趋于稳定，表现出了愈合持续时间更长且速率较慢的特点。在0～1 h愈合时间段中，未老化及长期老化后的基质沥青砂浆的ΔU愈合值远高于SBS沥青砂浆，而短期老化的SBS沥青砂浆的ΔU愈合值大于基质沥青砂浆，这是由于基质沥青砂浆在愈合第一阶段中愈合能力更强，愈合速率更快，而SBS改性剂的的抗老化性能使得SBS沥青砂浆在短期老化下的愈合度更高。但在1～2 h内，长期老化下的基质沥青愈合值有明显降低，这是由于第一阶段其愈合能力强，在2～4 h，基质沥青的愈合值增加，这是由于基质沥青砂浆表面沥青内部析出，增加了试件表面的粘性，促进了第二阶段的愈合。而其他两种老化情况下的ΔU愈合值迅速减小并趋于稳定，说明在相同愈合时间下长期老化后基质沥青砂浆具有更好的愈合能力。

图7 不同老化程度下两种沥青砂浆愈合4 h的愈合值Fig 7 Healing value of two kinds of asphalt mortar for 4 h under different aging degree

图8 不同愈合时间段内两种沥青砂浆的ΔU愈合值Fig 8 The ΔU value of two asphalt mortar in different healing time period

2.5 基于愈合指标HI的愈合分析

基于变形差ΔU的愈合指标HI(式(3))，对比基质沥青砂浆和SBS改性沥青砂浆在不同愈合时间段内的愈合度变化如图9所示。

从图9可以看出，不同老化程度下两种沥青砂浆在愈合时间1～2 h段内的愈合度表现出增长趋势，随着愈合时间的增长，愈合度趋于平稳，但基质沥青砂浆在后期仍表现出较好的增长态势，表明沥青砂浆的愈合呈现阶段性，愈合1～2 h处于愈合第一阶段，此时沥青砂浆愈合速率快；愈合2～4 h处于愈合第二阶段，此时沥青砂浆愈合速率较慢并趋于稳定。

由图9可知，对比不同老化程度下两种沥青砂浆的愈合度发现，长期老化状态下的两种沥青砂浆的愈合度最高，这是由于在高温老化使得两种沥青砂浆表层内部沥青析出，增加了表面的粘性，促进了裂纹的闭合，表现出较高的愈合度；短期老化状态下的SBS改性沥青相对于基质沥青砂浆表现出更好的愈合度，这是由于SBS沥青砂浆自身的抗老化性能的体现，整体更加稳定；未老化状态下基质沥青砂浆体现出相对较好的愈合性能，这是由于SBS改性剂自身分子的相互缠绕以及沥青间的粘摩阻力，影响了SBS沥青砂浆的自愈能力。

整体对比两种沥青砂浆的愈合度可以发现，基质沥青砂浆的愈合度在3种老化状态下均表现出较好愈合能力，而改性沥青砂浆则表现出更加稳定的状态，相对较差的愈合能力并不会影响SBS沥青砂浆的路用性能，愈合能力并不是表征其特性的唯一指标，在路用过程中应当具体考量。

图9 基于HI两种沥青砂浆在不同愈合时间段内愈合度Fig 9 The degree of healing of two kinds of asphalt mortar based on hi in different healing time

3 结 论

(1)利用数字散斑相关方法对基质沥青砂浆和SBS改性沥青砂浆的损伤愈合过程进行了观测，效果明显；两种沥青砂浆在不同老化程度下的愈合情况较显著，并提出沥青砂浆损伤愈合评价指标HI，进一步分析沥青砂浆的愈合过程。

(2)基于数字散斑相关技术的损伤愈合实验得出，短期老化时沥青砂浆在损伤愈合过程中位移差最大，未老化次之，长期老化最小；而在相同的愈合时间和老化程度条件下，基质沥青砂浆比SBS沥青砂浆具有更好的愈合效果。

(3)将愈合时间对应的愈合值分阶段分析发现，沥青砂浆的愈合效果呈现较为明显的二阶段现象，在第一阶段愈合值较大，愈合速率较快，愈合的主要动力为裂纹的表面能；第二阶段愈合增量显著下降，并逐渐趋于稳定，此时愈合的主要来源为微裂纹界面分子扩散导致的裂纹界面粘结。