基于能量耗散理论的纳米改性沥青多次损伤愈合性能研究

程培峰,杨宗昊，张展铭，徐 进

(1.东北林业大学 土木工程学院,黑龙江 哈尔滨 150040；2.黑龙江龙格工程设计有限公司,黑龙江 哈尔滨 150000)

0 引言

沥青的自愈合行为可以阻止沥青路面中的微裂纹扩散，从而延缓宏观裂缝的产生，对降低路面维护成本、延长路面使用寿命和建设节能环保型交通产业存在重要的意义[1-4]。纳米材料作为一种在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围或以其作为基本单元构成的材料[5]，GUPTA[6]和AMIN[7-8]等研究发现基于纳米材料独有的化学和物理固有性质，纳米粒子可以在不依赖外界环境的前提下抑制裂缝的扩展，具有良好的应用前景。目前相关领域研究学者对纳米改性沥青损伤愈合性能研究多采用单次损伤后愈合的加载模式，该方法并不能反映沥青经过多次损伤后的愈合能力，与实际道路愈合情况不符，因此掌握纳米改性沥青多次损伤愈合规律更有价值。

虽然现阶段国内外对沥青自愈合行为进行了诸多研究，但目前大多采用沥青材料愈合前后模量变化率作为评价指标来评价沥青的自愈合性能，该指标不能直接反映沥青的自愈合性能。而沥青在承受动态加载时发生变形，同时也存在能量的损耗，并且随着微裂缝的扩展耗散的能量也随之上升，在此过程中消耗的能量被称为耗散能。近年来研究表明，疲劳荷载中耗散能的变化程度与沥青材料内部微裂纹的扩展程度密切相关[9-11]。因此，本文结合能量耗散理论，通过愈合前后累积耗散能相比评价纳米改性沥青的自愈合性能。

本文以纳米改性沥青为研究对象，以愈合前后累积耗散能比作为愈合指标，基于能量耗散理论研究了沥青的损伤愈合过程，采用动态剪切流变仪以时间扫描模式进行损伤-愈合加载试验，通过单因素分析法与灰色关联分析法研究了纳米改性沥青多次损伤愈合性能规律。

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

近年来的研究表明掺入2%～4%的MMT能够有效改善沥青的性能[12-13]，因此本文选择将3%的MMT掺入SBS改性沥青中，MMT/SBS复合改性沥青和SBS改性沥青的基本性能如表1所示。试验用SBS改性沥青为I-C级，由山东某化工厂提供。试验用MMT是经有机化处理的纳米有机蒙脱土，由广东某化工厂提供，其技术指标如下：MMT含量96%～98%,表观密度0.25～0.4 g/cm3,含水量<5%,径厚比200,平均晶片厚度15 nm。

表1 沥青基本性能指标Table 1 Basic properties of asphalt binder沥青类型针入度(25 ℃)/(0.1 mm)软化点/℃延度(5 ℃,5 cm/min)/mmSBS72.464.045.3OMMT/SBS68.468.536.6

选用SBS改性沥青与MMT/SBS复合改性沥青作为原材料，通过旋转薄膜加热试验(RTOFT)来模拟沥青的老化。通过将沥青试样在163 ℃的烘箱中加热85 min来模拟短期老化，以R85表示。通过将沥青试样在163 ℃的烘箱中加热300 min来模拟长期老化，以R300表示。老化沥青基本性能指标如表2所示。

表2 老化沥青基本性能指标Table 2 Basic properties of aged asphalt binder沥青类型针入度(25℃)/(0.1 mm)软化点/℃延度(5 ℃,5 cm/min)/mmSBS-R8563.569.823.1SBS-R30032.278.18.8MMT/SBS-R8564.372.418.2MMT/SBS-R30036.079.35.7

1.2 试验方案

选用奥地利Anton Paar公司的MCR302型模块化智能型高级流变仪通过时间扫描控制应力的模式对SBS改性沥青和MMT/SBS复合改性沥青进行损伤-愈合加载试验。试模直径取8 mm，平行板间隙取(2±0.05)mm，试验温度20 ℃，试验频率为10 Hz，以初始动态剪切模量G*降低程度为损伤度。本文选取150 kPa作为荷载应力，以保证沥青试样测试时间适中、结果重复性好。为减小试验误差，每组试验取3组平行试验，将变异系数大于15%的数据剔除后取平均值。选用沥青愈合前后沥青累积耗散能比作为愈合指标，愈合指标HI的表达式如式(1)所示：

(1)

2 试验结果与分析

2.1 愈合温度

为了探究愈合温度对纳米改性沥青愈合效果的影响，以MMT/SBS复合改性沥青为研究对象，辅以SBS改性沥青作为对比项，选择损伤度为70%，愈合时间为30 min，分析愈合温度分别为20 ℃、40 ℃和60 ℃时纳米改性沥青的多次损伤愈合性能，结果如图1所示。

由图1可见，2种改性沥青随着愈合温度的上升愈合指标先上升后下降呈驼峰型趋势。在愈合温度为20 ℃时，SBS改性沥青单次损伤后愈合指数为28.2%，而随着损伤次数的增加，沥青在愈合期间恢复的耗散能持续降低，3次损伤后SBS改性沥青的愈合指数不到单次损伤的40%，主要原因在于沥青分子只能在有限的时间内将裂缝填充而未能在裂缝界面充分扩散，沥青材料的疲劳性能并未完全恢复。而经过表面处理后的MMT可以在沥青中充分分散[12]，在材料内部受损产生微裂纹后，纳米粒子会优先向微裂缝两端聚集，促进了沥青分子在裂缝界面的扩散作用，单次损伤后MMT/SBS复合改性沥青愈合指数为36.6%，三次损伤后纳米改性沥青的愈合指数可达到单次损伤的70%以上，说明在沥青中掺加MMT可以显著提高沥青的多次损伤愈合性能。在愈合温度由20 ℃上升至40℃后，随着温度的上升，沥青由凝胶结构逐渐转变为溶胶结构，流动性提高，沥青分子在裂缝表面的扩散速度加快[14]，沥青的多次损伤愈合性能提升的同时,2种沥青间的愈合指标差值逐渐减小。愈合温度处于40 ℃时，沥青处于接近流体的状态，在裂纹界面的沥青分子的扩散作用得到了较大程度的激活，而随着温度的继续提高，沥青的流动性过大，在重力作用下沥青分子的扩散性能受到抑制[15]，导致沥青的多次损伤愈合性能存在小幅的下降。

综上所述，MMT可以有效改善沥青的多次损伤愈合性能，在愈合温度为20 ℃时纳米粒子提高沥青的多次损伤愈合性能效果最为显著。而在愈合温度为40 ℃时在沥青与MMT的共同作用下纳米改性沥青的疲劳性能可以得到较大程度的恢复。但随着愈合温度的继续提高，纳米改性沥青多次损伤愈合性能存在小幅的下降，因此愈合温度不宜过高。

2.2 损伤度

为了探究损伤度对纳米改性沥青愈合效果的影响，以MMT/SBS复合改性沥青为研究对象，辅以SBS改性沥青作为对比项，选择愈合温度为40 ℃，愈合时间为10 min，分析损伤度分别为30%、50%和70%时纳米改性沥青的多次损伤愈合性能，结果如图2所示。

由图2可见：2种改性沥青随着损伤度的上升愈合指标呈下降趋势，在损伤度超过70%后，愈合指标的下降趋势明显加剧。基于能量耗散理论，随着疲劳荷载的持续作用，耗散能的发展过程可以分为3个阶段[11]：①初始上升阶段：由于沥青受到触变性的影响，在外部荷载作用下，黏度和模量显著降低，耗散能迅速上升；②稳定阶段：沥青试件内部开始出现微损伤，并随着疲劳荷载的继续作用微裂纹缓慢扩展，在此阶段耗散能基本稳定；③2次上升阶段：这一阶段耗散能量骤升，沥青内部微小裂纹开始发展成宏观裂纹并迅速扩散，沥青进入完全破坏期。当损伤度处于30%时，沥青中的裂纹以微裂纹为主，各组试样的愈合指数最高，其中单次损伤后SBS改性沥青愈合指数为71.2%，3次损伤后SBS改性沥青的愈合指数可达到单次损伤的80%以上；而加入MMT后沥青单次损伤后的愈合指数上升至80.2%，3次损伤后MMT/SBS复合改性沥青的愈合指数更是可达到首次愈合的90%，结果表明添加纳米粒子对促进沥青早期微观损伤的多次损伤愈合性能效果显著。随着损伤度上升至50%，沥青内部的微裂纹缓慢扩展，愈合指数也呈现稳定下降的趋势。在沥青的损伤度超过50%达到70%后，2种改性沥青愈合指数相差不大，单次损伤后愈合指数均不足50%，3次损伤后两种改性沥青的愈合指数均不足单次损伤的75%，说明随着损伤度的增加沥青内部的微裂纹逐渐发展成为宏观裂纹，耗散能量骤升，沥青的扩散作用受到抑制，在此阶段添加MMT对沥青多次损伤愈合性能的改善效果不明显。

(a) MMT/SBS复合改性沥青

综上所述，在微损伤阶段添加MMT可以促进沥青分子在裂缝界面的扩散作用，从而有效改善沥青的多次损伤愈合性能。但随着疲劳荷载的持续作用，沥青内部微裂纹逐渐扩展为宏观裂纹，沥青分子的扩散作用受抑制，在此阶段添加MMT对沥青多次损伤愈合性能的改善效果不明显。

2.3 愈合时间

为了探究愈合时间对纳米改性沥青愈合效果的影响，以MMT/SBS复合改性沥青为研究对象，辅以SBS改性沥青作为对比项，选择愈合温度为40℃，损伤度为70%，分析愈合时间分别为10、30和60 min时纳米改性沥青的多次损伤愈合性能，结果如图3所示。

(a) MMT/SBS复合改性沥青

由图3可见：与其他影响因素相比，愈合时间对沥青的愈合性能影响较小，但适当提升沥青的愈合时间仍可以有效改善沥青多次损伤愈合性能。基于分子扩散理论，沥青材料内微裂纹的愈合过程包括以下2个阶段[2，16]：①润湿阶段：沥青内部受损产生微裂纹后，在沥青的流动作用下促进了微观裂纹上下表面的闭合；②扩散阶段：沥青所具有的流动性和黏弹性会促进沥青在微裂纹界面扩散和缠结，引发材料力学性能强度恢复。愈合时间为10 min时MMT/SBS复合改性沥青与SBS改性沥青的愈合性能差距不大，二者在不同损伤次数下沥青的愈合指数之差均不足3%，这可能是由于愈合时间不足导致沥青仅在流动作用下填充了微裂缝，裂缝两端的沥青分子并未充分扩散。随着愈合时间上升至30 min，沥青可以缓慢地在微裂纹界面扩散和缠结，引发材料力学性能强度恢复，SBS改性沥青单次损伤后愈合指数上升至57.9%，3次损伤后SBS改性沥青的愈合指数为单次损伤的75.8%，而MMT/SBS复合改性沥青单次损伤后愈合指数上升至63.6%，3次损伤后纳米改性沥青的愈合指数上升至单次损伤的82.6%，结果表明适当提升愈合时间后纳米粒子对沥青多次损伤愈合性能的促进效果开始显现。在愈合时间超过30 min达到60 min后，沥青内部微裂纹几乎完全愈合，沥青的多次损伤愈合性能提升幅度不足7%，结果表明此时提升愈合时间对沥青愈合性能的提升并不显著。

综上所述，在沥青的愈合过程中适当延长愈合时间可以使沥青分子有充足的时间在微裂纹界面扩散与缠结，充分发挥MMT对沥青多次损伤愈合性能的促进效果，但随着愈合时间超过30 min后，愈合时间对沥青多次损伤愈合性能提升的效果逐渐减小，因此愈合时间也不宜过长。

2.4 老化时间

为了探究老化时间对纳米改性沥青愈合效果的影响，以MMT/SBS复合改性沥青为研究对象，辅以SBS改性沥青作为对比项，选择愈合温度为40℃，损伤度为70%，愈合时间为30 min，分析老化时间分别为0、85和300 min时纳米改性沥青的多次损伤愈合性能，结果如图4所示。

由图4可见：老化时间在4种影响因素中对沥青多次损伤愈合性能的影响最为显著，随着老化时间的增长，沥青的多次损伤愈合性能呈下降趋势，老化时间超过85 min后，沥青的多次损伤愈合性能的下降趋势明显加剧，近乎于丧失了愈合能力。老化时间为85 min时，在热氧老化作用下沥青中的轻质组分挥发、SBS分子开始降解，沥青通过裂缝界面的扩散能力降低[17]，SBS改性沥青的首次和3次损伤后愈合性能分别为37.3%和14.5%，结果表明在此阶段经过多次损伤后的SBS改性沥青近乎于丧失愈合能力。而加入MMT后沥青在老化时间为85 min时单次，及3次损伤后愈合指数分别上升至49.5%和34.6%，表明在此阶段MMT/SBS复合改性沥青的多次损伤愈合性能受老化的影响明显较小，这是由于加入MMT后沥青中形成了剥离结构，分散在沥青中的纳米片层形成的几何约束对外界空气具有隔绝作用，有效地抑制了轻质组分的挥发与SBS的降解[13，18]。但是随着老化时间的进一步提升，在热氧老化作用下MMT/SBS复合改性沥青中的纳米片层开始脱落[12]，沥青的多次损伤愈合性能的下降趋势明显加剧，老化时间为300 min时MMT/SBS复合改性沥青的单次和3次损伤后愈合指数分别为31.4%和11.4%，说明经过长时间的老化后MMT的抗老化性能近乎于消耗殆尽，在此阶段纳米改性沥青经过多次损伤后已经丧失了愈合能力。

(a) MMT/SBS复合改性沥青

综上所述，老化时间对沥青的多次损伤愈合性能影响最为显著，而在短期老化阶段加入MMT后沥青中形成了剥离结构，有效隔绝外部空气，从而减缓短期老化对沥青多次损伤后的愈合性能的影响。但随着老化时间的增长，MMT/SBS复合改性沥青中的纳米复合结构受到破坏，此时纳米改性沥青经过多次损伤后已经丧失了愈合能力。

2.5 灰关联分析

为了更好地量化不同影响因素对纳米改性沥青多次损伤愈合性能的影响，本文采用灰关联分析法研究不同影响因素对2种改性沥青多次损伤愈合性能的影响。在灰关联分析中分辨系数ρ取0.5，计算结果如图5所示。

(a) MMT/SBS复合改性沥青

由图5可见：损伤次数对2种改性沥青的多次损伤愈合性能同损伤度、愈合时间和老化时间的关联度影响不大。其中老化时间的灰关联度均大于0.75，愈合时间的灰关联度均不足0.6，而损伤度的灰关联度介于两者之间。根据灰色系统理论，ρ取0.5时，若影响因素同改性沥青的多次损伤愈合性能的关联度大于0.6，表明关联显著[19-20]。因此对于纳米改性沥青的多次损伤愈合性能而言，老化时间的影响最为显著；损伤度的影响仅次于老化时间，同愈合指标关联显著；愈合时间的影响有限。而在单次损伤下愈合温度同愈合性能关联显著，但随着损伤次数的增加，愈合温度的影响不再显著。

3 结论

a.与SBS改性沥青相比，经过表面处理后的MMT可以有效促进沥青内部微裂纹的愈合。沥青在愈合期间恢复的耗散能随着损伤次数的增加而减小，而加入MMT后耗散能的下降幅度会有所减缓，经过3次损伤后MMT/SBS复合改性沥青相比SBS改性沥青的愈合性能，提升效果最为显著。

b.单因素分析显示，愈合温度、愈合时间的提高对纳米改性沥青的多次损伤愈合性能有促进作用，但过高的温度会导致纳米改性沥青愈合性能的衰减，随着愈合时间超过30 min后纳米改性沥青愈合性能增长也将趋于平缓。纳米改性沥青自愈合性能随着沥青老化时间和损伤度的增加而降低，MMT可以有效促进沥青内部微裂纹的愈合且可以减缓短期老化对沥青多次损伤后的愈合性能的影响，但伴随着老化时间和损伤度的增长，这种减缓作用会有所减弱。

c.灰关联分析显示，影响纳米改性沥青多次损伤愈合性能最关键的影响因素是老化时间；损伤度的影响仅次于老化时间，同愈合性能关联显著；愈合时间的影响则不明显；单次损伤下愈合温度同愈合性能关联显著，但随着损伤次数的增加，愈合温度的影响不再显著。