自愈合微胶囊对沥青混合料的性能影响研究

戴渊

（南京市公路事业发展中心，江苏南京 210014）

0 引言

沥青路面在环境和荷载的长期作用下，出现裂纹是无法避免的，将极大降低沥青路面的耐久性能。针对开裂情况，目前路面工程中常用的养护方式有：喷洒修复剂、碎石封层和稀浆封层[1]，但存在养护时机控制难、维护周期长、造价高等缺点。沥青材料本身具有微裂纹自愈合性能，但无法及时修复裂纹[2]，将自愈合微胶囊技术应用在沥青混合料中，可有效地提高沥青的自愈合性能，减少裂纹的出现，延长沥青的使用寿命。

近年来，众多学者研究了含有再生效果的微胶囊延长沥青的使用寿命。张雷[3]采用海藻酸钠和修复剂制备乳浊液，经过过滤、洗涤、干燥等步骤制成自愈合微胶囊，通过间接拉伸强度、水稳定性和疲劳性能愈合前后对比，验证了微胶囊对沥青混合料的愈合能力。赵永鑫等[4]采用聚甲基丙烯酸甲酯和再生剂等合成的微胶囊，从流变学角度出发，验证了微胶囊对沥青及沥青混合料高、低温流变特性的改善效果。包士文[5]采用海藻酸钠和凹凸棒土复合壁材沥青自愈合胶囊，通过强度、热稳定性、疲劳荷载等试验，探究微胶囊实际荷载作用下的释放行为和愈合效果。黄全国等[6]制备了基于三聚氰胺-脲-甲醛（MUF）的微胶囊，通过原位聚合法合成，该微胶囊具有良好的热稳定性且分散性好。万承钦等[7]制备了环氧树脂包裹的多孔砂吸附再生剂的微胶囊，发现胶囊的尺寸越大，含油量越高，但分散性能差，在荷载作用下产生永久变形，不具备长效修复机制。张苏龙等[8]选用尿素甲醛树脂为壁材制成自愈合微胶囊，通过沥青延度和沥青混合料小梁弯曲试验，验证微胶囊的自愈合性能。

综上所述，目前微胶囊的研究主要集中在新材料的研发、胶囊的热稳定性和自愈合的修复效果，但对沥青混合料的路用性能的研究相对较少。从掺加微胶囊的沥青混合料自愈合性能评价出发，探讨沥青混合料的水稳性能、车辙性能和小梁弯曲性能的变化。在此基础上，分析小梁试件自愈合前后微观空隙率的变化，为微胶囊修复沥青混合料的后续研究，提供理论基础。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

试验选用上面层SMA-13 沥青混合料进行自愈合沥青混合料的性能研究，级配见表1。集料选用玄武岩碎石，测得密度为2.973g/cm3；矿粉选用石灰岩，测得密度为2.671g/cm3，亲水系数为0.9；选用SBS 改性沥青进行试验，SBS 改性沥青测得针入度为60.3（0.1mm），软化点为87.4℃。

表1 SMA-13 沥青混合料设计级配

自制的自愈合胶囊由海藻酸钠(C6H7O6Na)n、氯化钙CaCl2、聚山梨酯-80 和葵花籽油组成，单颗粒径在5～35μm 的范围内，加热至100℃时质量损失低于4%，分解温度达到405℃，密度为1.043g/cm3。

1.2 自愈合微胶囊制备

自愈合微胶囊的合成流程首先利用液滴法，在氯化钙溶液中，加入质量分数为2.5%的海藻酸钠溶液和葵花籽油的乳浊液（吐温80 占葵花籽油体积的5%），Ca2+置换乳浊液中游离的Na+，并与海藻酸根链形成海藻酸钙交联结构，制成海藻酸钙包裹菜籽花油滴的胶囊，最后干燥脱水形成自愈合胶囊。

1.3 自愈合微胶囊作用机理分析

当裂纹产生时，微胶囊因其尖端应力而破裂，再生剂被释放，并在毛细作用下，向裂纹的两侧渗透扩散，与外界的药剂发生化学反应，生成聚合物填充缝隙。为了详细了解微胶囊的微观行为、观测毛细作用下再生剂的运动变化，通过荧光显微镜试验分析自愈合微胶囊的作用机理。

首先，将沥青与微胶囊的混合物黏附在玻璃片上，在一端加入液氮，则沥青材料内部会因为低温脆性而产生微裂纹，此微裂纹能成功刺穿微胶囊的外壳。在荧光显微镜下，沥青的颜色为黄色，再生剂的颜色为绿色，微裂缝的颜色为黑色，形成的裂纹宽度在10～15μm。

当微裂纹的尖端应力刺破微胶囊后，再生剂会从微胶囊中泄漏出来，并流入微裂纹。在经过一段时间后，再生剂会填充到微裂纹中，然后通过毛细作用扩散至整个微裂纹。

2 掺加微胶囊的沥青混合料自愈合性能评价

2.1 微胶囊对沥青混合料水稳性能的影响

在最佳油石比和最佳微胶囊含量的条件下，对SMA-13 沥青混合料进行水稳定性试验，采用残留稳定度和冻融劈裂强度比TSR 评价沥青混合料的抗水损能力，结果见表2 和表3。从试验结果可以看出，随着微胶囊的掺入，沥青混合料的马歇尔稳定度、浸水马歇尔稳定度、劈裂强度均有显著的提升，其中自愈合后，残留稳定度和TSR 值均能满足规范要求。自愈合胶囊填充混合料内的裂缝，可隔绝大量的水分进入混合料内部，沥青胶浆与自愈合胶囊的黏结性能也越强，明显提升了沥青混合料的抗水损能力。

表2 SMA-13 沥青混合料浸水马歇尔试验结果

表3 SMA-13 沥青混合料冻融劈裂试验结果

2.2 微胶囊对沥青混合料车辙性能的影响

在最佳油石比和最佳微胶囊含量（掺沥青质量0.3%微胶囊）的条件下，对SMA-13 沥青混合料进行车辙试验，采用动稳定度评价沥青混合料抵抗车辙变形的能力。从表4 可以得出，在微胶囊的作用下，沥青混合料的动稳定度显著提升77%，且自愈合后的动稳定度满足规范要求。

表4 SMA-13 沥青混合料车辙试验结果

2.3 微胶囊对沥青混合料弯曲性能的影响

在最佳油石比和最佳微胶囊含量（掺沥青质量0.3%微胶囊）的条件下，对SMA-13 沥青混合料进行小梁弯曲试验，通过破坏应变评价沥青混合料弯曲性能，结果见表5。从试验结果可以看出，随着微胶囊的掺入，沥青混合料的抗弯拉强度显著提升38.6%，劲度模量显著提升51.7%，破坏应变改善了8.8%，且自愈合后的破坏应变满足规范要求。自愈合微胶囊填充了沥青混合料内部的空隙，对沥青与集料起到了有效的连接作用，内部嵌挤结构更为稳定。因此，抗弯拉强度提高，破坏应变降低。

2.4 微胶囊对沥青混合料微观空隙率的影响

使用德国Phoenix 工业CT 扫描仪，以四点弯曲小梁试件加载前后的试块为试验组，通过分析扫描结果的图像，准确定位沥青混合料的内部骨料、空隙及裂纹等各组成部分的分布状态。对图像进行灰度处理，进行灰度值分析计算界面空隙率，包括初始空隙率VV0、加载后试件空隙率VV1、自愈合后试件空隙率VV2，第i个试件的裂缝自愈合性能指数HRi计算公式为：

沥青混合料的裂缝自愈合性能指数为：

式（2）中：i为第i个试件；n为平行试件的数量。

对掺沥青质量0.3%的微胶囊SMA-13 沥青混合料，进行小梁弯曲试验和CT 扫描试验，通过自愈合性能指数评价微胶囊的自愈合能力，结果见表6。

表6 SMA-13 沥青混合料自愈合性能试验结果

从表6 可以得出，在微胶囊的作用下，SMA-13 沥青混合料的自愈合性能指数提高了22%。可以认为，在较低的微胶囊掺量下（沥青质量的0.3%），可以显著改善沥青混合料的自愈合性能，加速沥青混合料的愈合速度，延缓其在重复荷载作用下的裂缝发展。

3 结语

本文设计出一种微胶囊类的沥青路面自愈合技术，采用海藻酸钠与葵花籽油的乳浊液，经过过滤、洗涤、干燥等步骤制成自愈合微胶囊。分别从沥青混合料路用性能和微观孔隙层面，评价了微胶囊对SMA-13 沥青路面裂缝自愈合性能的改善效果。在最佳油石比和最佳微胶囊含量（掺沥青质量0.3%微胶囊）的条件下，水稳性能、车辙性能、小梁弯曲性能均有明显的提高，空隙率恢复率可提升22%。建议在实际使用过程中，在保证自愈合效果的前提下，按照沥青质量的0.3%掺加微胶囊，具有较好的经济性。