乳化瀝青對瀝青混凝土裂紋愈合性能的影響分析*

Martin Riara 羅 欽 楊欽麟 唐 平 磨煉同

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室1) 武漢 430070)(廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司2) 廣州 510101)

0 引 言

瀝青混凝土路面由于受長期行車荷載、溫度效應(yīng),以及基層反射效應(yīng)等因素的作用，會產(chǎn)生疲勞開裂、溫縮裂縫和反射裂縫等病害.裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展將降低瀝青路面的結(jié)構(gòu)性能，嚴重影響路面的服役壽命[1-2].瀝青材料作為一種典型的黏彈性材料，其具有時間相關(guān)性和溫度敏感性，這為瀝青材料的自愈合提供了基礎(chǔ)[3].在常溫和沒有外部荷載的作用條件下，瀝青混凝土可以實現(xiàn)裂縫的自愈合，但其裂紋自愈合速度非常緩慢.

當前國內(nèi)外學(xué)者從瀝青、瀝青膠漿、瀝青砂漿和瀝青混合料等不同尺度開展瀝青混凝土路面自愈合的裂紋自愈合修復(fù)研究，提出了兩種可增強瀝青材料自修復(fù)能力的方法:物質(zhì)補給法(微膠囊技術(shù))和被動供能法(磁感應(yīng)加熱和微波加熱技術(shù))，從而提高瀝青混凝土的自修復(fù)能力，激勵瀝青材料愈合[4].其中微膠囊愈合技術(shù)主要利用微膠囊包裹愈合劑混入瀝青混合料中，在裂紋產(chǎn)生時微膠囊破裂釋放愈合劑修復(fù)裂縫.該技術(shù)成本較高且在瀝青混合料中產(chǎn)生裂縫的同一區(qū)域愈合次數(shù)有限[5-6].磁感應(yīng)和微波加熱愈合方法利用在瀝青混合料引入鐵質(zhì)材料，從而可利用外部磁感應(yīng)和微波對瀝青路面進行加熱以促進裂紋愈合.這種方法局限于修復(fù)愈合瀝青材料中出現(xiàn)的微小裂紋，對于宏觀裂紋的修復(fù)能力有限[7-8].填縫與灌縫修補法是目前最常用的修補瀝青混凝土路面宏觀裂縫的方法，但是該養(yǎng)護方式只是起到表面防水，不能很好的提高裂縫粘結(jié)強度，同時由于修補材料與原路面瀝青混凝土的粘結(jié)性能不好，往往不能達到有效地封縫防水的效果.為了達到封縫防水的養(yǎng)護效果，文中提出乳化瀝青處治瀝青混凝土裂縫的養(yǎng)護方式以促進裂縫的自愈合修復(fù).為此，采用瀝青混凝土半圓形三點彎曲試件研究普通乳化瀝青和改性乳化瀝青對裂縫愈合性能的影響，分析不同類型乳化瀝青、不同養(yǎng)護時間和斷裂-再愈合因素對裂縫愈合性能的影響.

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

瀝青混合料采用我國瀝青路面表面層應(yīng)用最廣泛的AC-13級配，其級配范圍及合成級配見表1.玄武巖集料的基本性能為:壓碎值12%;洛杉磯磨耗值7.8%;針片狀顆粒含量12.5%;密度2.961 g/cm3.礦粉為石灰石礦粉，其密度為2.83 g/cm3;化學(xué)組成為51.8%CaO，34.9%SiO2和1.29%Al2O3.瀝青采用SBS改性瀝青，其三大指標,針入度(25 ℃)為72.6,(0.1 mm);軟化點,68 ℃;延度(5 ℃)為52 cm.通過AC-13瀝青混合料通過馬歇爾設(shè)計方法確定其最佳油石比為4.7%，對應(yīng)的孔隙率為4.5%.

表1 AC-13瀝青混合料設(shè)計級配

選用基質(zhì)乳化瀝青(BBE)和SBR改性乳化瀝青(SBRE)分別為瀝青混凝土裂縫愈合劑，以促進裂縫的粘結(jié)與愈合.以上兩種乳化瀝青均為陽離子乳化瀝青，且蒸發(fā)殘留物含量大于50%.BBE和SBRE兩種乳化瀝青分別滿足文獻[9]中PC-1基質(zhì)瀝青乳化瀝青和PCR改性乳化瀝青相關(guān)規(guī)范.表2為兩種乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的化學(xué)組成、60 ℃粘度及25 ℃乳液粘度.

表2 乳化瀝青的化學(xué)組成和粘度

1.2 試件的制備

半圓三點彎曲試驗廣泛用來評價瀝青混凝土斷裂愈合前后的抗斷裂性能.采用Troxler-4140型旋轉(zhuǎn)壓實儀成型孔隙率為4±0.5%，直徑為150 mm的瀝青混合料試件.采用鉆芯取樣從旋轉(zhuǎn)壓實試件鉆取直徑為100 mm的圓柱體試件，然后根據(jù)文獻[10]要求將該圓柱體試件切割成厚度為25 mm的圓形試件，再將該圓形試件切成兩個半圓，并在半圓形試件中部切一個10 mm深、4 mm寬的凹槽，具體尺寸見圖1.

圖1 半圓形瀝青混凝土試件尺寸和試驗過程

1.3 試驗方法

本文采用動態(tài)伺服液壓材料試驗系統(tǒng)(UTM-25)對瀝青混凝土半圓試件進行三點彎曲試驗.試驗之前，先將所有半圓形試件在-10 ℃的恒溫箱中保溫4 h.根據(jù)文獻[7]可知，該試驗溫度能使試件出現(xiàn)脆性變形，免受蠕變變形的影響.保溫結(jié)束后將試件按照圖1的方法放在試驗支架上，該試驗荷載的加載速率為0.5 mm/min，試驗過程中儀器將自動記錄試驗荷載和垂直位移得到荷載-位移曲線.為了避免試驗過程中由于低溫附著在試件表面的水分影響試件的愈合，當試件完全斷裂后，將其置于室溫(25 ℃)條件下放置2 h使試件表面水分充分揮發(fā).然后用軟木刷均勻涂抹兩種不同乳化瀝青(BBE和SBRE乳化瀝青分別為0.5 kg/m2和0.4 kg/m2)在瀝青混凝土斷面上，再將涂抹有乳化瀝青的斷裂試件放回一起并輕輕按壓，并放置在室溫條件下愈合.該試驗中，愈合養(yǎng)護時間有1，2，4和8 d，愈合循環(huán)次數(shù)共4次.愈合指數(shù)(HI)為

(1)

式中：Fa為試件初始斷裂最大試驗荷載；Fi為試件斷裂愈合最大試驗荷載.

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 乳化瀝青質(zhì)量變化規(guī)律

圖2 乳化瀝青在瀝青試件表面的質(zhì)量變化

圖2為BBE和SBRE兩種不同類型乳化瀝青涂在瀝青混凝土斷面上后的質(zhì)量變化.隨著在空氣中暴露的時間增加，兩種類型乳化瀝青的質(zhì)量逐漸減少.其中，乳化瀝青質(zhì)量損失變化最大出現(xiàn)在養(yǎng)護的前三天，然后其質(zhì)量變化較小，出現(xiàn)一個平臺區(qū)域.乳化瀝青質(zhì)量減少主要是由于材料中水和其他易揮發(fā)組分的流失，SBRE乳化瀝青在前2 d時間內(nèi)質(zhì)量變化率最大，而BBE乳化瀝青在養(yǎng)護頭3 d均出現(xiàn)較大的質(zhì)量變化.一般地，乳化瀝青的質(zhì)量變化速率會影響瀝青混凝土試件的愈合和再愈合性能，其質(zhì)量損失較快的乳化瀝青殘留物有更高的粘度，因此在愈合過程中需要更高的活化能潤濕裂紋表面，達到修補裂紋的效果.

2.2 養(yǎng)護時間對愈合性能的影響

圖3為不同養(yǎng)護時間和不同乳化瀝青的瀝青混凝土試件愈合指數(shù).由圖3可知，沒有施加乳化瀝青的試件愈合指數(shù)很低，在經(jīng)過1，2，4,8 d養(yǎng)護時間后，其平均愈合指數(shù)分別為0.13%，0.19%，0.20%,0.18%，表明裂縫沒有粘結(jié)力自愈合性能差.在瀝青混凝土斷面施加BBE和SBRE乳化瀝青養(yǎng)護1 d后平均愈合指數(shù)分別達到32.3%和30.7%，這說明了乳化瀝青具有促進瀝青混凝土裂紋修復(fù)愈合的能力.此外，試件的愈合指數(shù)隨著養(yǎng)護時間的延長而顯著增加，當試件在室溫下養(yǎng)護8 d，BBE和SBRE兩種乳化瀝青平均愈合指數(shù)分別達到67.8%和58.2%.整體而言，BBE愈合指數(shù)略高于SBRE乳化瀝青，其與殘留物粘度相一致.在養(yǎng)護的前2 d內(nèi)試件的平均愈合速率增長較快.例如，BBE乳化瀝青在2和8 d養(yǎng)護時間后平均愈合指數(shù)分別為47.5%和67.8%，SBRE乳化瀝青在2和8 d養(yǎng)護時間后平均愈合指數(shù)分別為37.4%和58.2%.

圖3 不同養(yǎng)護時間和不同乳化瀝青的愈合指數(shù)

圖4為不同養(yǎng)護時間瀝青混凝土試件表面情況，由圖4可知，經(jīng)過4 d養(yǎng)護后，乳化瀝青由于易揮發(fā)組分的流失出現(xiàn)粘度變大和表面硬化現(xiàn)象，而在前2 d養(yǎng)護時間內(nèi)乳化瀝青粘度較小，易軟化周圍瀝青從而提高愈合效果，這與圖2中的結(jié)論互為佐證.

圖4 不同養(yǎng)護時間瀝青混凝土試件表面情況

以上試驗結(jié)果說明乳化瀝青能顯著地提高瀝青混凝土路面的愈合效果，達到修補裂縫的功效.經(jīng)過8 d養(yǎng)護時間后，瀝青混凝土的愈合指數(shù)能與感應(yīng)加熱鋼纖維瀝青混凝土愈合指數(shù)相當.除了具有高的愈合性能，乳化瀝青修復(fù)瀝青混凝土路面還具有施工簡單等優(yōu)勢，這使得乳化瀝青在瀝青道路預(yù)養(yǎng)護方面具有良好的操作性和前景.

2.3 多次斷裂再愈合能力分析

多次斷裂-愈合試驗可模擬實際路面出現(xiàn)的多次斷裂-再修復(fù)過程.未施加乳化瀝青處治的瀝青混凝土試件在第一個循環(huán)以后沒有再次出現(xiàn)愈合現(xiàn)象.圖5為瀝青混凝土施加BBE和SBRE乳化瀝青多次斷裂-愈合的愈合指數(shù).瀝青混凝土試件多次斷裂-愈合養(yǎng)護時間與初次養(yǎng)護時間保持一致，另外只在第一個循環(huán)里向瀝青混凝土試件上施加乳化瀝青，其他次數(shù)循環(huán)里不再施加乳化瀝青.在經(jīng)過四次斷裂-再愈合循環(huán)后，BBE和SBRE乳化瀝青愈合指數(shù)分別在32%～68%和30%～60%之間.BBE和SBRE乳化瀝青在每1 d和每2 d斷裂-再愈合循環(huán)過程中，其愈合指數(shù)保持穩(wěn)定上升的趨勢.在每4 d斷裂-再愈合循環(huán)過程中，兩種乳化瀝青試件的愈合指數(shù)基本保持不變，而每8 d斷裂-再愈合循環(huán)后兩種乳化瀝青試件的愈合指數(shù)都稍有下降.

圖5 不同乳化瀝青多次斷裂愈合的愈合指數(shù)變化

在瀝青混凝土愈合過程中，乳化瀝青的擴散和干燥同時發(fā)生.擴散的動力來源于濃度梯度，所以在愈合初期瀝青混凝土的愈合就以較高的速率進行.愈合1,2 d后斷裂的瀝青混凝土試件在后面的循環(huán)過程中保持著穩(wěn)定的愈合指數(shù)增長.這可以用以下兩個原因進行解釋.①在多次愈合過程中，乳化瀝青由于其粘度較低在瀝青混凝土斷裂面的擴散速率更快.由于乳化瀝青粘度更低，乳化瀝青潤濕瀝青混凝土斷裂面所需的活化能更低.②乳化瀝青和瀝青混凝土斷裂面之間化學(xué)成分的濃度梯度很大，為了達到濃度平衡，擴散將持續(xù)進行(雖然速率很慢).而經(jīng)過了4 d的養(yǎng)護以后，瀝青混凝土試件斷裂面和乳化瀝青之間已經(jīng)形成了化學(xué)成分濃度的平衡.當這些試件進行更多次斷裂-再愈合循環(huán)，僅僅依靠乳化瀝青的殘留物進行愈合的效果也不會有明顯的提高.

利用乳化瀝青進行試件的多次斷裂-再愈合試驗的1,2,4,8 d的愈合指數(shù)范圍分別為30%～36%，37%～51%，47%～55%,55%～68%.這表明瀝青混凝土裂縫愈合是一個長期性的過程，因此無間斷愈合是使瀝青混凝土試件得到最佳愈合效果的重要條件.然而在許多需要盡快開放交通的瀝青混凝土路面，BBE乳化瀝青將會比SBRE乳化瀝青效果更優(yōu).因為BBE乳化瀝青在斷裂-再愈合過程中愈合指數(shù)相對較高且穩(wěn)定，在實際道路行車荷載作用下依然具有較好的愈合性能.

為了研究愈合中斷對瀝青混合料試件愈合性能的影響研究，本文對總的養(yǎng)護時間為4 d的瀝青混凝土試件進行對比分析.表3為瀝青混凝土試件在養(yǎng)護1 d 4次循環(huán)和養(yǎng)護4 d 1次循環(huán)的愈合指數(shù)對比(即每一個試件愈合總時間都為4 d).由表3可知，愈合中多次斷裂對瀝青混凝土試件的愈合性能有很大的負面影響.BBE和SBRE乳化瀝青的未中斷愈合指數(shù)和中斷愈合指數(shù)差值分別為13.4%和11.1%，這說明中斷瀝青試件愈合極大地影響其最終愈合指數(shù).這是因為這兩種乳化瀝青干燥速率快，在養(yǎng)護的第3 d乳化瀝青的殘留物就基本保持不變，粘度上升快.由此可以看出傳統(tǒng)的快干型乳化瀝青(如BBE和SBRE乳化瀝青)的愈合指數(shù)受愈合中斷影響較大.雖然快干型乳化瀝青材料是修補瀝青混凝土裂縫的理想材料，尤其對于需要快速開放交通的道路，但是瀝青混凝土的多次愈合效果對乳化瀝青的干燥速率很敏感.對于路面需要承受外部荷載較大的重交通等級道路來說，路面經(jīng)常出現(xiàn)斷裂-再愈合過程，此時應(yīng)該選用中斷愈合過程其愈合指數(shù)影響較小的乳化瀝青進行養(yǎng)護.相反地，對于停車場等輕交通等級道路來說，選擇具有高愈合指數(shù)和適當?shù)臄嗔?再愈合能力的乳化瀝青是一種較好的處治方法.

表3 瀝青混凝土試件愈合指數(shù)對比 %

3 結(jié) 束 語

本文采用半圓三點彎曲試驗研究了常用的普通乳化瀝青和SBR改性乳化瀝青對AC-13瀝青混凝土裂紋愈合性能的影響.試驗結(jié)果表明，斷裂后的瀝青混凝土試件可以用乳化瀝青進行修復(fù).試件的愈合指數(shù)受到乳化瀝青類型和養(yǎng)護時間的影響，修復(fù)后的瀝青混凝土試件愈合指數(shù)范圍為30%～70%之間，延長養(yǎng)護時間有利于提高愈合指數(shù).多次斷裂-再愈合循環(huán)證實傳統(tǒng)基質(zhì)乳化瀝青和SBR改性乳化瀝青具備多次愈合能力，干燥速率較快，多次斷裂-再愈合能力較差.整體而言，BBE愈合指數(shù)略高于SBRE乳化瀝青，其與殘留物粘度相一致.

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