自愈合膠囊對(duì)瀝青混合料的性能影響研究*

張 雷 劉全濤 吳少鵬 汪曾峰 Alvaro Garcia

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 武漢 430070)(諾丁漢大學(xué)諾丁漢交通工程中心2) 諾丁漢 NG14BU)

0 引 言

在環(huán)境和行車荷載的作用下瀝青路面內(nèi)部易出現(xiàn)裂紋，并快速發(fā)展為裂縫、松散、坑槽等病害，嚴(yán)重降低路面技術(shù)質(zhì)量與使用壽命.目前瀝青路面的養(yǎng)護(hù)方法包括噴灑修復(fù)劑、碎石封層、稀漿封層等幾種薄層技術(shù)，這些技術(shù)都是在路面出現(xiàn)輕微或較嚴(yán)重病害之后所采取的被動(dòng)維修方式，存在養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)難以抉擇、資源消耗大、維護(hù)周期長(zhǎng)、對(duì)道路通行影響大、成本高等缺點(diǎn)，同時(shí)修復(fù)劑的應(yīng)用則會(huì)降低瀝青路面的抗滑性能[1].瀝青具有微裂紋自愈合能力[2]，增強(qiáng)瀝青材料的自愈合能力能夠有效延長(zhǎng)瀝青路面的服役壽命.

近年來(lái)，在瀝青或?yàn)r青混合料中加入包含修復(fù)劑的不同尺寸膠囊來(lái)提高瀝青路面的服役壽命成為眾多學(xué)者研究的課題[3].通過(guò)聚合物在修復(fù)劑表面聚合，制備滿足瀝青拌合要求包裹修復(fù)劑的自愈合膠囊，將其摻入到瀝青混合料中，當(dāng)混合料受到荷載產(chǎn)生裂紋時(shí)，裂紋誘導(dǎo)膠囊破裂釋放出修復(fù)劑；在毛細(xì)虹吸力的作用下，修復(fù)劑沿著裂紋擴(kuò)散，降低裂紋界面上的瀝青粘度，從而達(dá)到快速修復(fù)裂紋的效果[4].

目前所研究的自愈合膠囊主要包括尺寸在10～500 μm之間的微膠囊和尺寸在1～4 mm間的毫米級(jí)膠囊.Su等[5-7]選用甲醇改性三聚氰胺甲醛預(yù)聚物MMF為壁材，采用原位聚合法合成了尺寸在20 μm左右的微膠囊，該膠囊具有良好的熱穩(wěn)定性，并能在瀝青和瀝青混合料中起到很好的自愈合效果.Chuang等[8-9]均采用了尿素甲醛樹(shù)脂為壁材合成了穩(wěn)定的微膠囊，通過(guò)小梁破壞愈合和前后延度比驗(yàn)證了微膠囊復(fù)合瀝青的愈合性能.García等[10-11]以多孔砂為修復(fù)劑載體，利用環(huán)氧樹(shù)脂和水泥包裹吸附了修復(fù)劑的多孔砂，制成了粒徑為4 mm左右的自愈合膠囊，發(fā)現(xiàn)其對(duì)裂紋有很好的修復(fù)效果.

上述研究在合成、應(yīng)用自愈合膠囊時(shí)更多的是關(guān)心膠囊拌合過(guò)程中的熱穩(wěn)定性和其對(duì)瀝青和瀝青混合料裂紋修復(fù)效果的影響，而忽視了膠囊對(duì)瀝青混合料路用性能的影響.文中研究了摻有不同摻量自愈合膠囊的瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度、抗水損害性能、抗剝落性能和抗疲勞性能，以揭示摻入自愈合膠囊對(duì)瀝青混合料力學(xué)性能的影響.

1 原材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料

采用湖北鄂州生產(chǎn)的70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青，按照文獻(xiàn)[12]相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)得瀝青的基本性能指標(biāo)見(jiàn)表1.集料采用優(yōu)質(zhì)玄武巖碎石，最大粒徑為16 mm；礦粉采用內(nèi)蒙古白音錫勒石灰?guī)r礦粉，其親水系數(shù)為0.9、密度為2.702 g/cm3.上述試驗(yàn)材料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足文獻(xiàn)[13]的要求.自愈合膠囊是利用海藻酸鈉與修復(fù)劑一起剪切形成乳濁液，控制一定的孔徑逐滴滴入到CaCl2溶液中固化，然后過(guò)濾、洗滌和干燥而制成的[14].隨機(jī)選取50粒膠囊利用游標(biāo)卡尺測(cè)量其直徑，其平均粒徑為2.1 mm，粒徑分布見(jiàn)圖1.

表1 70號(hào)道路石油瀝青性能指標(biāo)

圖1 自愈合膠囊

1.2 芯樣制備

瀝青混合料級(jí)配統(tǒng)一采用AC-13，集料級(jí)配曲線見(jiàn)圖2，油石比為4.7%.膠囊摻量分別為占混合料質(zhì)量的0%，0.5%，0.75%和1%.由于自愈合膠囊摻量較低(不超過(guò)1.00%)，因此,本研究在不改變?yōu)r青混合料原始級(jí)配和油石比的情況下直接摻入不同摻量的自愈合膠囊.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用瀝青混合料攪拌機(jī)將瀝青混合料拌合好后，將自愈合膠囊均勻撒在拌和好的瀝青混合料表面，再拌和15 s，待膠囊在混合料中分布均勻后即可倒入車轍板模具中，利用車轍板成型機(jī)進(jìn)行碾壓成型車轍板試件，待試件在室溫下自然冷卻48 h后脫模，利用路面取芯機(jī)在車轍板上均勻取出四個(gè)尺寸為直徑×高=100 mm×50 mm圓柱體試件進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn).

圖2 AC-13級(jí)配曲線圖

1.3 基本性能實(shí)驗(yàn)

依據(jù)常見(jiàn)的瀝青混合料力學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行穩(wěn)定度、間接拉伸強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度、肯塔堡飛散等試驗(yàn)研究膠囊對(duì)瀝青混合料力學(xué)性能的影響.由于摻入的自愈合膠囊強(qiáng)度較低，為防止膠囊在成型過(guò)程中破裂，需避免采用馬歇爾擊實(shí)的方法成型混合料，因此，本文凍融劈裂試驗(yàn)采用的試件不是采用雙面擊實(shí)50次的馬歇爾試件，而是車轍板成型后鉆取的芯樣.其余試驗(yàn)方法嚴(yán)格文獻(xiàn)[12]的相關(guān)要求進(jìn)行.

1.4 疲勞性能試驗(yàn)

本研究采用采用UTM-25試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行間接拉伸疲勞試驗(yàn)研究對(duì)膠囊瀝青混合料的疲勞特性，加載模式為應(yīng)力加載，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中反復(fù)加載的半正弦波荷載(或應(yīng)力)的峰谷值保持一致，通過(guò)反復(fù)加載產(chǎn)生的位移變化量的累積，直到試件最終斷裂破壞.將破壞時(shí)的加載次數(shù)定義為混合料的疲勞壽命，在不同應(yīng)力下的疲勞壽命通過(guò)公式(1)進(jìn)行回歸分析，所得曲線即為混合料的疲勞曲線.

Nf=K(1/σ0)n

(1)

式中：σ0為初始彎拉應(yīng)力，MPa；Nf為達(dá)到破壞時(shí)的重復(fù)荷載作用次數(shù)；K，n為疲勞曲線回歸常量.

間接拉伸試驗(yàn)原理圖見(jiàn)圖3.試驗(yàn)中荷載加載頻率為1 Hz，其中0.1 s為加載時(shí)間，0.9 s為間歇時(shí)間.試驗(yàn)溫度為15 ℃，所有試件在實(shí)驗(yàn)前均保溫4 h以上，確保試件里外溫度均達(dá)到設(shè)定溫度.

圖3 間接拉伸疲勞試驗(yàn)

2 結(jié)果與討論

2.1 間接拉伸強(qiáng)度

利用UTM在25 ℃下對(duì)瀝青混合料芯樣進(jìn)行間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)，瀝青混合料泊松比設(shè)定為0.4，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4.隨著應(yīng)變的增加，瀝青混合料內(nèi)部的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力也會(huì)增加，待達(dá)到瀝青膠漿粘結(jié)力的臨界值后，瀝青膠漿將會(huì)被撕裂，集料開(kāi)始分離，瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，其強(qiáng)度將會(huì)開(kāi)始下降.由圖4可知，瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度隨著自愈合膠囊摻量的增加先變大后減小，其中摻量為0.50%時(shí)混合料的強(qiáng)度最高，相對(duì)于不摻自愈合膠囊的瀝青混合料強(qiáng)度增加了10%；而繼續(xù)增加摻量到0.75%時(shí)，混合料的間接拉伸強(qiáng)度下降到低于不摻自愈合膠囊時(shí)的水平；摻量達(dá)到1.0%時(shí)，瀝青混合料間接拉伸強(qiáng)度從不摻自愈合膠囊的0.56 MPa下降到0.42 MPa，下降了25%，此時(shí)瀝青混合料的抗車轍性能已將將大幅度下降(曲線斜率大幅度降低).

圖4 自愈合膠囊對(duì)混合料間接拉伸強(qiáng)度的影響

出現(xiàn)上述現(xiàn)象，可能是在瀝青混合料中加入少量微小球狀自愈合膠囊后，自愈合膠囊會(huì)適當(dāng)?shù)靥畛浠旌狭蟽?nèi)部空隙，同時(shí)也會(huì)使瀝青混合料更容易壓實(shí)，瀝青膠漿充分的包裹集料，從而導(dǎo)致內(nèi)部嵌擠結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，因此間接拉伸強(qiáng)度會(huì)略有增加.而當(dāng)自愈合膠囊繼續(xù)增加，自愈合膠囊除了填充空隙還會(huì)破壞密級(jí)配原有的集料嵌擠結(jié)構(gòu)，同時(shí)瀝青膠漿與自愈合膠囊的粘附性較差，導(dǎo)致瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度開(kāi)始下降，且隨著摻量的增加而下降明顯.

2.2 水穩(wěn)定性

采用殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比TSR評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，在實(shí)驗(yàn)中穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗(yàn)按照路面芯樣規(guī)范進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5.隨著自愈合膠囊摻量從0%，0.50%，0.75%到1.0%其穩(wěn)定度和TSR也是呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在摻量為0.50%時(shí)達(dá)到最大.當(dāng)自愈合膠囊摻量為0.50%時(shí)，瀝青混合料的穩(wěn)定度從不摻膠囊的8.93 kN增加到9.11 kN，出現(xiàn)了小幅增長(zhǎng)，同時(shí)其TSR也從90.4%上升到93.9%；而當(dāng)摻量繼續(xù)增加到0.75%時(shí)，穩(wěn)定度和TSR都下降到低于不摻自愈合膠囊時(shí)的水平；摻量達(dá)到1.0%時(shí)，穩(wěn)定度下降到7.94 kN，下降了11%；而TSR則下降到78.8%，低于施工技術(shù)規(guī)范所要求的80%.

在瀝青混合料中摻入0.50%的自愈合膠囊時(shí)，水穩(wěn)定性有所提高，主要原因與其間接拉伸強(qiáng)度在自愈合摻量為0.50%時(shí)有所增加原因一致.自愈合膠囊填充瀝青混合料中的部分空隙，使瀝青膠漿對(duì)集料的包裹更加充分，同時(shí)進(jìn)入瀝青混合料中的水分含量減少，凍融后由于內(nèi)部水分結(jié)冰所產(chǎn)生的體積變化而導(dǎo)致的內(nèi)部應(yīng)力增加而產(chǎn)生的破壞也會(huì)減小.然而，當(dāng)自愈合膠囊摻量超過(guò)臨界值時(shí)，瀝青混合料空隙率上升使內(nèi)部水分增加，結(jié)冰產(chǎn)生的應(yīng)力破壞自然更大，瀝青膠漿與自愈合膠囊粘結(jié)性相對(duì)于瀝青膠漿與集料而言的弱勢(shì)更加凸顯出來(lái)，明顯降低了瀝青混合料的抗水損害性能.

圖5 自愈合膠囊對(duì)混合料穩(wěn)定度和TSR的影響

2.3 肯塔堡飛散損失

瀝青混合料的肯塔堡飛散實(shí)驗(yàn)一般是用來(lái)評(píng)價(jià)SMA，OGFC或抗滑表層混合料等這些表面構(gòu)造深度大、空隙中容易充滿水的級(jí)配類型在重復(fù)交通荷載下抵抗由于瀝青與集料之間黏結(jié)力不足引起的脫落、掉?；蝻w散的一種實(shí)驗(yàn)方法.本研究雖然采用的是密級(jí)配，但是膠囊表面光滑，當(dāng)里面的修復(fù)劑流出時(shí)會(huì)降低瀝青與集料之間的粘附性，因此也應(yīng)用了本實(shí)驗(yàn)來(lái)研究自愈合膠囊對(duì)瀝青混合料抗掉粒性能的影響，見(jiàn)圖6.由圖6可知，隨著自愈合膠囊摻量的增加，瀝青混合料的飛散損失值也會(huì)增加.未摻膠囊的混合料的飛散損失只有4.98%，在摻入0.50%膠囊時(shí)其飛散損失也只是增加了0.08%，抗掉粒性能基本沒(méi)有變化.而摻量超過(guò)0.50%后，隨著摻量的增加飛散損失開(kāi)始增加，摻量為1.00%時(shí)，飛散損失達(dá)到了6.4%，與未摻膠囊的混合料的飛散損失相差不大，說(shuō)明自愈合膠囊對(duì)瀝青混凝土的抗脫落性能基本沒(méi)有影響.

圖6 自愈合膠囊對(duì)混合料肯塔堡飛散損失的影響

2.4 疲勞性能

間接拉伸疲勞試驗(yàn)采用應(yīng)力加載模式，在15℃下試驗(yàn)測(cè)得不同自愈合膠囊摻量的瀝青混合料的疲勞壽命，然后將疲勞壽命與相應(yīng)的應(yīng)力值在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中作圖，采用冪指數(shù)函數(shù)(y=axb)進(jìn)行擬合即為經(jīng)典疲勞方程.其中，a值可以在一定程度上反映瀝青混合料的抗疲勞性能，a值越大，疲勞曲線越高，抗疲勞性能越好；b值反應(yīng)瀝青混凝土的應(yīng)力敏感性，b值越小，瀝青混合料受應(yīng)力大小的影響越嚴(yán)重，重載適應(yīng)性越差.圖7對(duì)比分析了不同自愈合膠囊摻量的瀝青混合料的疲勞曲線.

圖7 自愈合膠囊對(duì)混合料疲勞性能的影響

由圖7可知，在相同應(yīng)力水平下，自愈合膠囊摻量為0.50%時(shí)瀝青混合料的疲勞壽命會(huì)略高于普通瀝青瀝青混合料；到摻量增加到1.00%時(shí)，相同應(yīng)力水平下的瀝青混合料的疲勞壽命只有普通瀝青混合料的50%左右.從回歸系數(shù)也可以看出摻入0.50%的自愈合膠囊能適當(dāng)?shù)奶岣邽r青混合料的疲勞性能，增加了瀝青膠漿與集料接觸的比表面積.但是繼續(xù)增加摻量，瀝青混合料的疲勞性能將開(kāi)始嚴(yán)重下降，因?yàn)槟z囊摻量過(guò)多導(dǎo)致瀝青膠漿與自愈合膠囊的粘附性較差，同時(shí)自愈合膠囊強(qiáng)度明顯低于玄武巖集料強(qiáng)度等缺陷也開(kāi)始凸顯出來(lái).回歸系數(shù)b值基本保持不變，說(shuō)明自愈合膠囊對(duì)瀝青混合料的應(yīng)力敏感性基本沒(méi)有影響.

3 結(jié) 論

1) 隨自愈合膠囊摻量的增加，瀝青混合料肯塔堡飛散值只有很小增加，自愈合膠囊對(duì)AC-13瀝青混合料的抗脫落性基本沒(méi)有影響；

2) 適當(dāng)摻入少量自愈合膠囊，還會(huì)適當(dāng)提高AC-13瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度、水穩(wěn)定性和疲勞性能，但是當(dāng)摻量繼續(xù)增加，上述性能將會(huì)嚴(yán)重下降，甚至不滿足相關(guān)施工規(guī)范；

3) 在選用此膠囊來(lái)提高AC-13瀝青混合料的自愈合性能時(shí)，摻量應(yīng)不超過(guò)瀝青混合料質(zhì)量的0.50%.

[2] GARCIA A. Self-healing of open cracks in asphalt mastic[J]. Fuel,2012,93(1):264-72.

[3] 田洋,龐琦,孫國(guó)強(qiáng).瀝青混凝土疲勞損傷自愈合行為研究進(jìn)展：瀝青自愈合微膠囊[J].石油瀝青,2016(5):27-34.

[4] GARCIA A, SCHLANGEN E, MARTIN V D V. Two ways of closing cracks on asphalt concrete pavements: microcapsules and induction heating[J]. Key Engineering Materials,2009(2):417-418.

[5] SU J, SCHLANGEN E. Synthesis and physicochemical properties of high compact microcapsules containing rejuvenator applied in asphalt[J]. Chemical Engineering Journal,2012(1):289-300.

[6] SU J, QIU J, SCHLANGEN E. Stability investigation of self-healing microcapsules containing rejuvenator for bitumen[J]. Polymer Degradation and Stability,2013,98(6):1205-1215.

[7] SU J, WANG Y, HAN N. Experimental investigation and mechanism analysis of novel multi-self-healing behaviors of bitumen using microcapsules containing rejuvenator[J]. Construction and Building Materials,2016(2):317-329.

[8] CHUNG K, LEE S, PARK M. Preparation and characterization of microcapsule-containing self-healing asphalt[J]. Journal of Industrial and Engineering Chemistry,2015,29:330-337.

[9] LI R, ZHOU T, PEI J. Design, preparation and properties of microcapsules containing rejuvenator for asphalt[J]. Construction and Building Materials,2015(1):143-149.

[10] GARCIA A, JELFS J, AUSTIN C . Internal asphalt mixture rejuvenation using capsules[J]. Construction & Building Materials,2015(2):309-316.

[12] 中華人民共和國(guó)交通部.公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程:JTG E20-2011[S].北京：人民交通出版社，2011.

[13] 中華人民共和國(guó)交通部.公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程:JTG E42-2005[S].北京：人民交通出版社，2005.

[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 & Building Materials,2016(3)：734-744.