海藻酸钙微胶囊对密级配沥青混合料力学性能和自愈合性能的影响

万伟

摘要：文章将不同比例的微胶囊（0、0.25%、0.50%、0.75%和1.00%）掺入沥青混合料中，研究了不同掺量下沥青混合料的间接抗拉强度、颗粒损失、疲劳寿命和自愈合等性能，评价了海藻酸钙微胶囊对密级配沥青混合料力学性能和自愈合性能的影响。结果表明：海藻酸钙微胶囊的加入对密级配沥青混合料的力学性能有影响，随着微胶囊掺量的增加，沥青混合料的平均ITS值先增大后降低，掺量为0.5%时达到最大值0.64 MPa;微胶囊的加入对混合料的颗粒损失特性与疲劳特性有影响，当掺量<0.5%时，混合料的疲劳寿命增加，颗粒损失率出现小幅度增长;当掺量>0.5%时，疲劳性能低于普通混合料，且颗粒损失率急速增加;微胶囊的掺加显著增加了密级配沥青混合料的自愈合能力，且掺量越高，愈合水平越大;混合料愈合水平随着愈合时间的增大而增大，在96 h后达到最大值且稳定。

关键词：微胶囊;密级配沥青混合料;间接抗拉强度;颗粒损失;疲劳寿命;愈合水平

中国分类号：U416.03文章标识码：A080295

0 引言

在世界大部分地区，沥青混合料因其平整度好、经济性好而成为修建高速公路和城市道路的首选材料。然而，由于温度、湿度和反复荷载的变化而产生的开裂会严重降低沥青路面的使用寿命[1]。沥青混合料由赋予结构强度的集料与有黏度的沥青组成，由于沥青在高温下具有流动性，因此沥青混合料是一种可自我修复的材料[2]。在一定条件下（集料級配、沥青的黏度等），沥青路面可以自行修复内部裂缝[3-4]。然而，沥青材料在混合、压实和使用期间黏度增加趋于老化，这降低了沥青混合料的自愈能力，从而降低其使用寿命[5]。

为提高沥青路面的自愈性能并延长其使用寿命，国内外研究者开发了两种技术来改善沥青的老化现象：（1）将金属添加剂加入混合料中，通过感应或者微波辐射等电磁场加热，使沥青流动从而将裂缝愈合[6-7];（2）将包裹再生剂的微胶囊加入混合料中，当胶囊由于交通负荷而破裂时，内部再生剂被释放并扩散，使周围沥青的黏度降低而具有流动性以填充裂缝[8-9]。本文重点研究使用微胶囊提升沥青路面的自愈性能。相关研究者已制备不同种类的微胶囊。Su JF等[10]开发了具有微米大小核壳结构的微胶囊，Garcia等[11]开发了毫米级多孔结构的微胶囊。相关研究证明，在微胶囊中的油分能在混合料的混合和压实过程中存活，并提升其自愈合性能[12]。窦谦培等[13]采用原位聚合法制备了微胶囊，研究了微胶囊掺入对沥青混合料裂缝的修复性能并进行了评价。Micaelo和Ai-Mansoori等开发了海藻酸钙微胶囊[14-15]，海藻酸钙微胶囊由海藻酸钙胶囊膜包裹葵花籽油组成，胶囊膜可以保护内部葵花籽油免受环境污染。相关研究表明[16]，微胶囊有利于混合料的兼容性与自愈性能，但由于微胶囊强度较低，因此过多的微胶囊含量不利于混合料的刚度与模量，而含量过低对沥青自愈性能的影响有限。

本文旨在评价海藻酸钙微胶囊对密级配混合料耐久性、疲劳性能与自愈性能的影响。对密级配沥青混合料中加入0.5%、0.75%和1.0%的微胶囊，测试混合料的间接拉伸强度、颗粒损失和疲劳寿命。研究不同胶囊配合比对沥青混合料自愈性能的影响，使用X射线计算机断层摄影评估微胶囊在混合料中的分布和完整性。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

试验选用AC-13沥青混合料进行研究，级配如表1所示。采用玄武岩碎石与石灰岩填料，其密度分别为2.976 g/cm3、2.669 g/cm3;选用基质沥青进行试验，经检测其针入度为77.5（0.1 mm），软化点为49.1 ℃。制备的海藻酸钙微胶囊密度为1.116 g/cm3，内部再生剂为葵花籽油，经测试密度为0.92 g/cm3、闪点为315 ℃。微胶囊的聚合结构由海藻酸钠（C6H7O6Na）和氯化钙（CaCl2）组成，颗粒纯度为93%。

1.2 海藻酸钙微胶囊的制备

包封工艺流程如图1所示。在钙离子的溶液中，通过离子凝胶法在20 ℃的条件下制备海藻酸钙胶囊，主要包括以下三个步骤：（1）海藻酸钠乳剂的制备;（2）氯化钙溶液的制备及胶囊的合成;（3）干燥和储存胶囊。再生剂和海藻酸钙聚合物比例为1[KG-1.3mm]∶[KG-0.5mm]3，一次可产出重量为2.5 kg的微胶囊。

1.3 沥青混合料样品制备

采用4.7%油石比制备沥青混合料，选择微胶囊含量（占混合料总质量的质量比）为0、0.25%、0.5%、0.75%和1.0%制备微胶囊沥青混合料，技术指标见表2。由于微胶囊含量低，因此微胶囊直接添加至混合料中不会改变集料的级配，根据以下程序制备用于力学测试的圆柱形样品：（1）将集料和沥青分别在160 ℃下预热12 h和4 h;（2）将沥青混合料成分在160 ℃的实验室搅拌机中混合;（3）将胶囊在20 ℃下加入混合物中并混合15 s;（4）将含有胶囊的沥青混合料倒入模具中，并用车辙板成型机压实;（5）使用取芯机从每块板上钻出测试样品（[WTBX]100 mm×50 mm）。此外，使用车辙板成型机制造沥青混合料板，并切割棱柱形样品以进行裂缝愈合的测量，在梁的中点制作一个尺寸为5 mm×5 mm的横向切口，模拟路面裂缝发生过程。

1.4 试验方法

1.4.1 间接拉伸强度

间接拉伸强度（ITS）是测试沥青与集料、海藻酸钙胶囊之间粘聚力的指标，采用间接拉伸试验来测试微胶囊含量对沥青混合料力学性能的影响。试验前，将圆柱形试样在20 ℃下放置4 h，然后以50 mm/min的速率施加负载，直到达到峰值负载，ITS计算如式（1）所示。

1.4.2 颗粒损失测试

海藻酸钙微胶囊会降低集料与沥青间的粘附力，导致粗糙度增加，本文通过颗粒损失测试评估微胶囊沥青混合料的抗颗粒损失能力。将样品放置于20 ℃水浴中20 h，然后在无钢球的洛杉矶磨耗仪中，以30 rmp的速率旋转300次，通过比较测试前和测试后样品的质量来计算结果。

1.4.3 疲劳性能测试

采用间接拉伸疲劳试验研究微胶囊沥青混合料的疲劳特性。使用UTM-25试验机施加半正弦重复荷载，直到累积位移量导致试件断裂，测试频率为1 Hz，每个加载周期时间为0.1 s，间歇时间为0.9 s，测试温度为15 ℃。对不同应力水平下得到的疲劳寿命用公式进行回归分析。

1.4.4 自愈性能测试

Ai-Mansoori等开发了裂纹修复试验，评估了微胶囊添加对混合物自愈性能的影响。将小梁在-20 ℃下放置2 h后进行三点弯曲试验，将两片小梁放置在钢模中，并在裂缝中铺上塑料薄膜，防止裂缝面接触，施加75 kN的静压荷载以模拟交通荷载的破坏。当微胶囊破裂时，取出塑料片，在20 ℃的温度测试。测试过程的原理描述图见图2。

对微胶囊沥青混合料梁的愈合性能进行量化，即在三点弯曲试验下，裂缝梁在愈合后三点弯曲强度恢复所达到的水平。选取10个不同的愈合时间：5 h、24 h、48 h、72 h、96 h、120 h、144 h、168 h、192 h和216 h。愈合水平的定义如下：

2 结果和讨论

2.1 微胶囊掺量对沥青混合料间接拉伸强度的影响

图3为不同胶囊含量的沥青混合料间歇拉伸强度测试结果，可以看出，随着微胶囊掺量的增加，沥青混合料的平均ITS值先增大后降低，在掺量为0.5%时达到最大值0.64 MPa，比未掺微胶囊混合料平均ITS值增大了12.28%。相关研究表明少量微胶囊的掺加可降低混合料空隙率。因此当微胶囊掺量<0.5%时，混合料空隙率降低导致ITS值降低;而当向混合料中添加更多的海藻酸钙胶囊时，混合料的空隙率增大，并且从微胶囊中释放出更多的油，从而降低了沥青混合物的硬度与ITS值。

2.2 微胶囊掺量对沥青混合料颗粒损失特性的影响

下页图4显示了不同微胶囊含量下沥青混合料的颗粒损失百分比。可以看出，微胶囊含量为0、0.25%、0.5%、0.75%和1.00%的沥青混合物的平均颗粒损失分别为4.94%、5.07%、5.15%、5.76%和6.06%。在微胶囊掺量为0、0.25%和0.5%时颗粒损失率相差不大，当掺量超过0.5%，颗粒损失率出现较大的增长，这可能是因为微胶囊的强度低于集料强度，在同样的磨耗情况下，颗粒的损失率随着掺量的增大而增大。

2.3 微胶囊掺量对瀝青混合料颗粒疲劳特性的影响

图5为不同微胶囊含量下沥青混合料的疲劳特性。可以看出，微胶囊掺量<0.5%时，沥青混合料的疲劳寿命大于未掺微胶囊的沥青混合料;当掺量>0.5%时，疲劳寿命降低，小于掺量为0的沥青混合料，这是因为少量的微胶囊加入可降低沥青混合料的空隙率，而当掺量>0.5%时，空隙率变大，抗疲劳性能降低。

2.4 微胶囊掺量对沥青混合料自愈性能的影响

图6显示了在不同的愈合时间、不同微胶囊掺量下沥青混合料达到的自愈水平。由图可知，微胶囊掺量为0、0.25%、0.5%、0.75%和1%的沥青混合料的平均最大愈合水平分别为26.44%、40.42%、54.04%、59.32%和60.86%，证明混合料中微胶囊掺量越高，愈合水平越大。随着愈合时间的增加，愈合性能提升至最佳并稳定，在愈合时间达到96 h后，愈合性能最佳，之后愈合趋于稳定状态。因此，愈合时间范围在96 h后达到的自愈水平是混合料的最佳自愈水平。这是由于微胶囊的掺量越大，相同外界荷载破坏的胶囊数量越多，愈合水平越高。

3 结语

本文介绍了海藻酸钙微胶囊对密集配沥青混合料的间接拉伸强度、颗粒损失特性、疲劳特性与自愈性能的影响，结论如下：

（1）海藻酸钙微胶囊的加入对密级配沥青混合料的力学性能有影响，随着微胶囊掺量的增加，沥青混合料的平均ITS值先增大后降低，掺量为0.5%时达到最大值0.64 MPa，比未掺微胶囊混合料平均ITS值增大了12.28%。

（2）微胶囊的加入对密级配沥青混合料的颗粒损失特性与疲劳特性有影响，当掺量<0.5%时，混合料的疲劳寿命增加，颗粒损失率出现小幅度增长;当掺量>0.5%时，疲劳性能低于普通混合料，且颗粒损失率急速增加。

（3）微胶囊的掺加显著增加了密级配沥青混合料的自愈合能力，且掺量越高，愈合水平越大，掺量>0.5%时愈合水平超过50%。在0～96 h内，愈合水平随着愈合时间的增大而增大，在96 h后达到最大值且稳定。

参考文献：

[1]Wu S，Zhao Z，Xiao Y，et al.Evaluation of mechanical properties and aging index of 10-year field aged asphalt materials [J].Construction and Building Materials，2017，155（30）：1 158-1 167.

[2]何 亮，蔡 卓，冯 畅，等.沥青混合料微胶囊自修复技术的研究综述[J].长安大学学报（自然科学版），2018，38（2）：13-22，81.

[3]Garcia A.Self-healing of open cracks in asphalt mastic[J].Fuel，2012，93（1）：264-272.

[4]周泽洪，杨自广，纪小平，等.微胶囊沥青混合料的裂缝自愈与路用性能研究[J].公路，2021，66（2）：45-51.

[5]Su J，Wang Y，Yang P，et al.Evaluating and Modeling the Internal Diffusion Behaviors of Microencapsulated Rejuvenator in Aged Bitumen by FTIR-ATR Tests[J].Materials，2016，9（11）：932.

[6]Norambuena-Contreras J，Garcia A.Self-healing of asphalt mixture by microwave and induction heating[J].Materials and design，2016，106（15）：404-414.

[7]焦生杰，任化杰.瀝青路面微波养护技术研究综述[J].筑路机械与施工机械化，2020，37（5）：44-54，62.

[8]包士文，余 万，袁 妙，等.海藻酸钙胶囊对老化沥青性能的影响研究[J/OL].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/42.1824.U.20201010.1119.015.html.2020-10-10.

[9]张 雷，刘全涛，吴少鹏，等.自愈合胶囊对沥青混合料的性能影响研究[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2018，42（1）：39-43.

[10]Su JF，Schlangen E，Wang Y Y.Investigation the self-healing mechanism of aged bitumen using microcapsules containing rejuvenator[J].Construction & Building Materials，2015，85（15）：49-56.

[11]GarciaA，Austin C J，Jelfs J .Mechanical properties of asphalt mixture containing sunflower oil capsules[J].Journal of Cleaner Production，2016，118（1）：124-132.

[12]朱月风，司春棣，张洪亮，等.多尺度模型下自修复沥青路面中微胶囊力学分析[J].应用力学学报，2020，37（6）：2 582-2 590，2 706-2 707.

[13]窦谦培，师 阳.自制微胶囊对沥青混合料裂缝的修复性能评价[J].兰州工业学院学报，2020，27（4）：46-51.

[14]Micaelo R，Al-Mansoori T，Garcia A .Study of the mechanical properties and self-healing ability of asphalt mixture containing calcium-alginate capsules[J].Construction and Building Materials，2016（123）：734-744.

[15]Ai-Mansoori T，Micaelo R，Artamendi I，et al.Microcapsules for self-healing of asphalt mixture without compromising mechanical performance[J].Construction and Building Materials，2017，155（30）：1 091-1 100.

[16]Norambuena-Contreras J，Liu Q，Zhang L，et al.Influence of encapsulated sunflower oil on the mechanical and self-healing properties of dense-graded asphalt mixtures[J].Materials and structures，2019，52（4）：1-13.

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