微胶囊沥青结合料自愈合与流变性能*

赵永鑫，倪佳玮

(1.内蒙古交通职业技术学院，内蒙古 赤峰 024000；2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075)

沥青路面在服役过程中受交通荷载及环境因素的长期影响，不可避免会产生开裂等病害。在水、温度及荷载的综合作用下，沥青路面的裂缝会不断发展，使路面的开裂逐步扩大。将自修复微胶囊添加到沥青中有利于减少裂纹，延长沥青服役寿命，因此近年来许多学者都对其进行了关于修复机制，材料选择及制备过程等方面的研究[1-2]。一方面，诸多学者选用不同的原材料，采用不同的实验制备得到了自修复微胶囊，以实验手段对其表面形貌、化学成分及热稳定性等进行了检测，并对自修复微胶囊的自修复能力进行了量化表征，结果表明，自修复微胶囊在自身具有良好稳定性的前提下具有优良的自修复性能，对沥青基材料具有良好的修复效果[3-8]。另外，相关学者从理论力学分析及混合料实验等方面，对自修复微胶囊的受力状态及宏观修复能力进行了研究，分析了受力时自修复微胶囊本身的弹性状态，并对微胶囊加入后沥青混合料在高低温时的自恢复性能、抗老化性能和抗疲劳性能进行了研究。结果表明，微胶囊对沥青混合料性能的影响与温度密切相关，在合理的温度区间内，微胶囊的加入使沥青混合料的弹性恢复性能得到提高，损伤后的沥青混合料得到了较好的修复，从而使沥青混合料抗老化、抗疲劳性能和热稳定性得到改善[9-14]。

由以上分析可知，目前对于微胶囊的研究主要集中于新材料新工艺的研发、微观及宏观性能表征，但从沥青结合料角度对微胶囊掺入后修复效果的研究相对较少。本文从流变学角度出发，探讨了微胶囊掺入沥青后，沥青结合料自愈合性能和流变性能的变化，为微胶囊修复沥青混合料的后续研究提供一定的理论参考。

1 实验部分

1.1 原材料

AS90# 基质沥青：广东茂名鑫煌化建物资有限公司，其技术性质如表1所示。

表1 AS90# 基质沥青技术指标

再生剂：用作微胶囊芯材料，由轻质油组成，60 ℃条件下动力黏度为1.79 mPa·s，河北衡水泽浩橡胶化工有限公司；聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)：用作微胶囊囊壁材料，苏州龙欧塑化有限公司；二氯甲烷、4-硝基苯甲醚、OP-10水溶液：西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司。

1.2 微胶囊制备

首先将2 g PMMA和4 g再生剂在70 g二氯甲烷中充分混合，滴入两滴4-硝基苯甲醚，以1 000 r/min的转速对混合液进行搅拌1 h。然后将得到的混合物缓慢加入120 g 2%的OP-10水溶液中，在40 ℃下继续搅拌40 min，至二氯甲烷完全挥发。最后，对所得的微胶囊依次进行过滤、洗涤和干燥处理。将制备得到的微胶囊以质量分数为0%、5%、10%及15%、20%五个掺量水平添加到沥青结合料中，并充分搅拌均匀，制备得到微胶囊沥青，分别记为MA-0%、MA-5%、MA-10%、MA-15%、MA-20% 。

1.3 实验方法

沥青材料的流变特性是指沥青材料的弹塑性状态随着温度的变化而发生明显转变，造成其宏观性能出现变化的特性。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的相关要求和测试条件，对不同微胶囊掺量时沥青结合料进行多应力重复蠕变恢复实验、高温和低温流变实验。

1.3.1 多应力重复蠕变恢复实验

采用动态剪切流变仪，进行多应力重复蠕变恢复实验(MSCR)测试微胶囊沥青结合料的自愈合性能。按照文献[15]的方法制备3 mm和6 mm厚的实验环，按照MSCR模式进行对不同微胶囊掺量的沥青结合料进行测试，实验时控制平行板间距为5 mm，实验温度为30 ℃，愈合时间和愈合温度分别为30 min和40 ℃。控制应力大小为0.1 Pa以保证沥青结合料处于线弹性范围；加载频率为10 r/s，对应80 km/h的行车荷载作用。

对微胶囊沥青结合料在相同的条件下进行温度扫描实实验，取γ=0.01%，ω=10 r/s，得到同等条件下的复数模量(G*)和相位角δ，以便与MSCR实验数据进行对比，如图1和图2所示。

图1 双片组(3 mm+3 mm)实验

图2 单片组(6 mm)实验

1.3.2 高温流变实验

选择RCR测试温度为60 ℃，并选择5个蠕变应力水平100 Pa、800 Pa、1 600 Pa、3 200 Pa、6 400 Pa分别进行测试。在每个应力水平下均进行100个周期的测试，其中每个周期的蠕变阶段和卸载恢复阶段时间分别为1 s和9 s，重复蠕变和恢复实验的评估指标分别为恢复率(R)和不可恢复的蠕变柔量(Jnr)。根据测试结果，分别结算每个蠕变恢复期R和Jnr，并将100个周期的平均值作为每个应力水平下的平均恢复率R和平均不可恢复蠕变柔度Jnr。根据AASTO TP70-09，Jnr用于衡量沥青结合料对沥青混合料永久变形的贡献，而R反映了沥青结合料的弹性。

(1)

(2)

式中：γp是每个加载周期内的峰值应变，γnr是每个加载周期内的残余应变，γ0是每个加载周期内的初始应变。

1.3.3 低温流变实验

沥青结合料的低温性能与其在低温条件下的温度应力累积密切相关。对于处于线性黏弹范围(LVE)内的黏弹性材料，可以通过力学弛豫谱从频域和时域变换的数据获得材料的特性方程。对于低温下的频率扫描(FS)测试，将应变选择为1%，以确保所有样品均在LVE范围内，实验温度分别为-8 ℃、4 ℃、16 ℃、28 ℃和40 ℃。转子间隙和直径分别为2 mm和8 mm，每个温度水平保温10 min，为了确保实验结果的可靠性，每个样品的平行实验次数为两次。

为研究沥青的低温性能，Christensen提出了一个近似的等式。沥青结合料的松弛模量由复数模量的实部(弹性储能模量)和虚部(黏滞耗散模量)计算得到，如式(3)所示，误差为10%。

(3)

根据二次方程式y=ax2+bx+c拟合沥青结合料的松弛模量的主曲线，其中a、b和c为拟合参数。再通过式(4)和式(5)计算得到60 s时的松弛模量G(60 s)和松弛速率mr(60 s)，回归得到a、b和c后，将x=1.78代入。

G(60 s)=ax2+bx+c|x=1.78

(4)

mr(60 s)=2ax+b|x=1.78

(5)

2 自愈合性能

通过MSCR实验研究双片组(3 mm+3 mm)和单片组(6 m)两种情况下，不同微胶囊掺量对沥青结合料自愈合性能指标的影响，结果如表2和表3所示。

表2 双片组(3 mm+3 mm)不同微胶囊掺量时的MSCR实验结果

表3 单片组(6 mm)不同微胶囊掺量时的MSCR实验结果

表2和表3中R0.1、R3.2、Jnr0.1和Jnr3.2分别表示应力水平为0.1 kPa和3.2 kPa时的平均R和不可恢复Jnr；G*、δ和G*sinδ分别表示复数模量、相位角和疲劳因子。

用愈合率(S)评价沥青结合料的自愈合能力，S越大表明沥青结合料自愈合能力越强，计算如式(6)和式(7)所示。

SX=E3+3/E6

(6)

SY=E6/E3+3

(7)

式中：E3+3表示双片组(3 mm+3 mm)模型的实验结果；E6表示单片组(6 mm)实验结果；SX表示R0.1、R3.2、G*和G*sinδ；SY表示Jnr0.1、Jnr3.2和δ。

由表2和表3计算得到各微胶囊掺量时沥青结合料愈合能力指标如表4所示。

表4 微胶囊掺量对沥青结合料愈合能力指标的影响

从表2和表3可以看出，随着微胶囊掺量的增多，R0.1、R3.2、G*和G*sinδ逐渐增大，Jnr0.1、Jnr3.2和δ逐渐减小，表明沥青结合料的R和疲劳开裂因子随着微胶囊的掺入发生了明显变化。与双片组(3 mm+3 mm)试样相比，单片组(6 mm)实验模型中的试样具有更高的恢复率和模量，这主要是因为单片组(6 mm)模型中试样的均匀性和连续性较高，而双片组(3 mm+3 mm)由于上下两片有明显界面，实验荷载作用下界面是明显的薄弱点，因此恢复率和模量较低。

从表4可以看出，沥青结合料S随着微胶囊掺量的增多逐渐增大，最后趋于稳定，S趋于稳定对应的微胶囊掺量为15%，表明在微胶囊掺量低于15%，增大微胶囊掺量，会使沥青结合料的愈合性能得到明显改善，当掺量大于15%时，愈合性能的改善不显著。微胶囊的掺入改变了沥青结合料的大分子链结构，使已经破坏的界面得到修复，而当微胶囊掺量超过15%时，微胶囊对破坏界面的修复作用达到极限状态，此时多余的微胶囊可对裂缝起到二次修复作用。

3 流变性能

3.1 高温流变特性

选择RCR测试用于反映沥青结合料的高温性能，由式(1)及式(2)计算得到R值及Jnr值，结果如图3所示。

logτ/Pa(a) R值

由图3可以看出，平均恢复率R随着剪切应力的增加逐渐降低，而平均不可恢复Jnr则随着剪切应力的增加逐渐提高。与胶囊沥青相比，基质沥青(胶囊掺量为0%)具有最小的R值和最大的Jnr值。微胶囊掺量越多，R值越大，Jnr值越小，表明随着微胶囊掺量的增多，沥青结合料逐渐趋于弹性并且其高温性能得到改善。表明相比于基质沥青，微胶囊沥青的变形恢复能力更强，且在高应力水平下更容易发生永久变形。拟合结果表明，R-logτ和Jnr-logτ呈线性规律变化，对比拟合曲线的斜率发现，R-logτ斜率值随着微胶囊含量的增加逐渐增大，而Jnr-logτ斜率值随着微胶囊含量的增加逐渐减小，表明沥青结合料弹性恢复部分对应力敏感性随着微胶囊的加入而增加。

3.2 低温流变特性

松弛模量的主曲线根据y=ax2+bx+c二次方程拟合。以G(60 s)和mr(60 s)为评价指标，采用式(4)和式(5)计算出各沥青结合料的两个评价指标，结果如图4所示。

微胶囊掺量/%(a)

由图4可以看出，沥青结合料的G(60 s)随着微胶囊掺量的增加逐渐减小，沥青结合料低温性能逐渐提升。从mr(60 s)可以看出，微胶囊掺量的增加逐渐增加了mr(60 s)的绝对值，因此逐渐增加了沥青的低温松弛能力。高掺量微胶囊沥青的mr(60 s)绝对值通常高于低掺量的微胶囊沥青。沥青结合料的松弛模量越小，松弛率的绝对值越大，则可以累积的温度应力越小，且释放温度应力的速率越快，从而缓解了沥青路面的收缩和龟裂。而微胶囊沥青的低温松弛模量较低，松弛率的绝对值较大，因此表现为较好的低温松弛性能，从一定程度上降低了沥青路面的内部温度应力水平，从而提高了沥青路面的低温抗开裂能力。

4 结 论

(1)随着微胶囊掺量的增多，R0.1、R3.2、G*和G*sinδ逐渐增大，Jnr0.1、Jnr3.2和δ随微胶囊掺量的增多逐渐减小，表明沥青结合料的恢复率和疲劳开裂因子受微胶囊的影响较大。温度扫描实验与MSCR的实验揭示的指标变化规律一致；沥青结合料S随微胶囊掺量的变化规律与掺量大小有关，当掺量低于15%时，S逐渐增长，而当掺量超过15%时，S趋于稳定。

(2)随着胶囊掺量的增加，微胶囊沥青结合料的弹性性质更加明显，且其高温性能随掺量的增多逐渐提高。相比于基质沥青，微胶囊沥青结合料的变形恢复能力更佳，在高应力水平下发生永久变形的可能性和弹性恢复部分对应力敏感性更大。

(3)微胶囊沥青结合料的低温性能随着微胶囊掺量的增加得到改善。相较于基质沥青，微胶囊沥青的低温松弛模量减小，松弛速率提高，表明微胶囊的添加有利于降低沥青路面的内部温度应力水平，使沥青路面的低温抗开裂性能提高。