开级配沥青混合料损伤-自愈合行为影响因素研究

徐 霈， 李菁若， 周启伟， 赵梦珍

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067； 2.国家山区公路工程技术研究中心， 重庆 400067；3.山区道路工程与防灾减灾技术国家地方联合工程实验室， 重庆 400067)

沥青混合料的裂缝会在某种作用下部分消失，表明沥青混合料具有从损伤中恢复的自愈合性能[1]，已有学者对沥青混合料的损伤-自愈合性能进行了研究[2-4]。Sun等[5]基于间接拉伸(IDT)疲劳试验，研究了沥青混合料在低温条件下的自愈合性能，IDT试验表明加载间歇时间对沥青混合料的自愈合能力具有显著影响。在低损伤条件下，沥青混合料的初始自愈合速率高于后期自愈合速率，但低温(<5 ℃)显著降低了沥青混合料的自愈合速率，且其后期愈合速率逐渐稳定至一个较低值。在高疲劳损伤及低温条件下，沥青混合料几乎没有自愈合性能。灰色关联分析结果表明，愈合时间对沥青混合料的愈合效率影响最为显著；级配类型和温度对自愈合能力的影响水平相近；疲劳损伤程度与自愈合能力的相关程度最小。据此可知，沥青混合料的自愈合作用与多种因素有关[6]。

沥青混合料的疲劳损伤是由微裂纹演变为宏观裂缝的损伤程度逐渐扩大的过程。而裂纹区域的应力松弛通常伴随着由于自发降低裂纹表面能产生的界面自愈合现象[7]。Song等[8]研究表明，随着裂缝宽度的增大，沥青混合料的自愈合性能急剧降低。沥青混合料内部微裂纹的自愈合能力高于宽裂纹，裂纹的自愈合宽度存在一个疲劳临界点，当裂纹宽度超过临界点时，几乎失去自愈合能力。因此，当沥青混合料疲劳损伤程度达到一定程度时，部分微裂纹相互贯通，发展为宏观裂纹，沥青填充裂缝的能力可能会急剧减弱，其自愈合能力大大降低[9]。

此外，若沥青的黏度足够低，沥青可能会渗入裂缝并填充裂缝[10]，则沥青混合料的自愈合能力主要取决于给定时间的黏度[11]。沥青混合料的自愈合过程可分为2个阶段：一是为裂缝表面的接近和重新排列[12]。裂缝宽度是其自愈可能性及自愈效率的影响因素之一[13]。二是为裂缝填充阶段。裂缝表面的接近过程中出现接触点，沥青由该点流入裂缝进行填充[14]。由此可知，不同黏度的沥青及集料级配会极大影响沥青混合料的自愈合特性。

大孔隙开级配排水式沥青磨耗层(OGFC)是开级配沥青混合料的典型代表，它以其优越的排水能力及高性能的抗滑、降噪水平得到广泛应用[15-17]。但因OGFC中采用了高黏沥青，降低了沥青流动填充裂缝的能力，且因内部连通空隙较多，集料间的接触点较少，其自愈合能力较密级配沥青混合料具有特殊性。为此，本文采用“疲劳-愈合-再疲劳”方式下的4点弯曲试验，对不同愈合温度、愈合湿度及损伤程度条件下OGFC的自愈合进程进行对比分析，以便进一步了解排水沥青路面损伤-自愈合机制，并准确判别沥青路面养护时机。

1 原材料与实验设计

1.1 原材料

采用高黏改性剂TPS制备高黏沥青，进而制备排水式沥青磨耗层混合料，其中沥青选择SK-90#基质沥青，见表1，集料级配分别选择OGFC-10、OGFC-13以及OGFC-16三种，见表2，设计孔隙率均为18%。以毛体积密度作为控制指标压实成型沥青混合料试件，并切割得到尺寸为380 mm×63.5 mm×50 mm的小梁试件。

表1 沥青结合料技术指标[18]

1.2 损伤-自愈合试验及相应评价指标

采用UTM-100万能试验机进行4点弯曲疲劳试验，试验温度为15 ℃，加载频率为10 Hz，应变选择为500×10-6με。采用“疲劳-愈合-再疲劳”的试验方式，如图1所示。即在应变控制模式下对OGFC进行疲劳加载，当残余劲度模量达到设定损伤程度时，初次疲劳加载完成。随后引入间歇期，即将试件置于设定的愈合条件下，进行再次疲劳测试，当残余劲度模量再次达到设定损伤程度时即为破坏，试验结束。值得注意的是，以应变控制的疲劳试验一般以沥青混合料劲度模量降至初始劲度模量的50%为试验停止条件，而此时试件未必达到破坏的程度。由此，给出了对沥青混合料损伤程度的量化表征公式，见式(1)。本研究设置了3个劲度模量衰减程度作为试验终止条件，即沥青混合料的损伤程度分别设置为25%、50%和75%。

表2 集料的级配组成

(1)

式中：D为损伤程度，%；S0为初始劲度模量，MPa；St为残余劲度模量，MPa。

图1 沥青混合料疲劳自愈合加载过程

以OGFC愈合前后弯曲劲度模量的变化率，即愈合效率作为沥青混合料自愈合能力的评价指标，由公式(2)计算，弯曲劲度模量由公式(3)计算。

(2)

(3)

式中：HI为愈合效率，%；Sa为愈合后劲度模量；MPa；Sb为愈合前劲度模量，MPa；S为弯曲劲度模量，MPa；σ为最大拉应力，kPa；εt为最大拉应变。

1.3 疲劳损伤-愈合影响因素研究试验设计

在试件间歇愈合期，对影响OGFC自愈合性能的因素进行试验研究。选择愈合温度、愈合湿度、损伤程度等3个因素作为变量，研究不同级配OGFC的自愈合效率在影响因素条件下随时间的发展规律。其中，愈合温度选择高温60 ℃模拟夏季路面平均气温，中温20 ℃模拟路面日常温度，低温-10 ℃模拟冬季路面温度。愈合湿度选择0%、50%和100%，分别模拟干燥、中湿及潮湿3个湿度条件。损伤程度选择25%、50%和75%模拟微损伤、中度损伤与较大损伤状态。

2 结果与讨论

2.1 愈合温度对OGFC损伤-愈合行为影响

不同愈合温度的OGFC自愈合效率随愈合时间的发展曲线如图2所示。为使其获得较好的自愈合性能并排除水分的影响，愈合湿度设定为0%，损伤程度设定为50%。

由图2可知，愈合温度对OGFC的自愈合性能具有积极影响。这是由于沥青混合料是一种黏弹性材料，在高温条件下主要表现为黏性流动，在低温条件下多表现为弹性。而OGFC的自愈合能力来自于沥青分子自由流动，填充裂缝，进而重构混合料内部的微观结构损伤。温度越高，沥青结合料的流变性能越好，因此，高温自愈合能力越好。高温条件下，OGFC的自愈合效率均达50%以上；中温条件下，OGFC的自愈合效率下降至30%到45%左右；而低温条件下，自愈合效率介于5%到15%之间，表明低温环境对OGFC自愈合性能的削弱作用显著。

(a) 高温60 ℃

(b) 中温20 ℃

(c) 低温-10 ℃

进一步观察可知，高温愈合条件下，OGFC自愈合效率一般随公称最大粒径的增大而减小，而低温条件下，不同公称最大粒径的OGFC自愈合效率差异较小，自愈合速率较为缓慢。

2.2 愈合湿度对OGFC损伤-愈合行为影响

不同愈合湿度的OGFC自愈合效率随愈合时间的变化曲线如图3所示。为使其获得较好的自愈合性能，愈合温度设定为60 ℃，损伤程度设定为50%。

由图3可以看出，OGFC的自愈合性能一定程度受愈合湿度的影响。愈合湿度为0%的OGFC自愈合效率均为50%～70%，愈合湿度为50%的OGFC自愈合效率降低为30%～50%，而愈合湿度为100%的OGFC自愈合效率低至10%～30%。即随着愈合湿度的增加，OGFC自愈合能力趋于降低。其原因在于水分的存在使得裂缝界面间的沥青与沥青的黏聚作用、沥青与集料的黏附作用减弱，且水分的存在阻碍了沥青分子流动填充缝隙。因此，当愈合湿度从50%提高至100%时，OGFC的自愈合效率急剧下降。因此，欲提高沥青混合料的自愈合性能，应使沥青路面内部保持干燥状态。

进一步分析可知，愈合湿度较小条件下，OGFC自愈合效率一般随公称最大粒径的增大而减小；而愈合湿度100%条件下，不同公称最大粒径的OGFC自愈合效率差异较小，且随着愈合时间的增大，其自愈合效率增长缓慢。

2.3 损伤程度对OGFC损伤-愈合行为影响

不同损伤程度的OGFC自愈合效率随愈合时间的发展趋势如图4所示。为使其获得较好的自愈合性能并排除水分的影响，愈合温度设定为60 ℃，愈合湿度设定为0%。

(a) 湿度0%

(b) 湿度50%

(c) 湿度100%

(a) 25%损伤程度

(b) 50%损伤程度

(c) 75%损伤程度

由图4可知，损伤程度的增大对OGFC自愈合能力的削弱作用显著。随着损伤程度的增大，OGFC的自愈合效率急剧降低。相较于50%损伤程度的OGFC自愈合效率最高为50%～70%，75%损伤程度的OGFC自愈合效率仅为5%～15%。这是由于OGFC在重复加载作用下，其内部产生的微裂纹随着损伤程度的增大逐步贯通扩展为宏观裂缝，此时伴随着裂纹区域的应力松弛以及为降低表面能发生的自愈合行为。荷载次数较小，损伤程度较低的OGFC，其内部损伤以微裂纹为主，其损伤恢复能力越好，即更容易发生自愈合。而损伤程度过大，微裂纹扩展连通为宏观裂缝，则其恢复闭合状态所需消耗的能量增大。当裂缝宽度超过愈合临界宽度时，这部分裂缝将无法完全恢复闭合，即OGFC的自愈合效率降低。此时，需借助外部干预手段增强其自愈合性能，从而使其部分恢复服役性能。

进一步观察不同级配OGFC自愈合效率可知，当损伤程度超过75%时，OGFC-16混合料的愈合效率骤降至10%左右。说明损伤程度越大，OGFC自愈合越困难。但OGFC-10混合料在75%损伤程度下，其自愈合效率仍能达到30%以上。这可能是由于公称最大粒径较大的开级配沥青混合料中含有的大粒径集料，内部连通空隙较多，致使其疲劳损伤更易于由微裂纹扩展为宏观裂缝，故而损伤程度临界点降低。

3 结论

本文采用损伤效率作为评价沥青混合料自愈合能力的指标，研究了不同环境因素对OGFC损伤-自愈合特性的影响，主要结论如下：

1) 愈合温度对OGFC的自愈合性能具有积极影响。高温愈合条件下，OGFC的自愈合效率随公称最大粒径的增大而减小；而低温条件下，不同公称最大粒径的OGFC自愈合效率差异较小，自愈合速率较为缓慢。

2) 湿度对OGFC的自愈合性能呈现一定的消极作用。随着愈合湿度的增加，OGFC自愈合能力趋于降低。当愈合湿度由50%提高至100%时，OGFC的自愈合效率急剧下降。为提高沥青混合料的自愈合性能，应使OGFC路面内部保持干燥状态。

3) 损伤程度对OGFC自愈合能力的削弱作用显著。随着损伤程度的增大，OGFC的自愈合效率急剧降低。损伤程度过大时，需要借助外部干预手段增强其自愈合性能，从而使其部分恢复服役性能。而公称最大粒径的减小有利于提高较大损伤程度下OGFC的自愈合效率。