基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的老化瀝青砂漿自愈合特性*

張 翔，崔亞楠，郭 靖，于慶年

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010051)

0 引 言

隨著我國(guó)公路的高速發(fā)展，瀝青道路在我國(guó)公路中占有較大比重，瀝青路面材料的研發(fā)及路用性能的提高成為科研工作者關(guān)注的焦點(diǎn)。Bazin P[1]于1967年發(fā)現(xiàn)瀝青混合料具有熱老化自愈合特性。Phillips M C[2]通過(guò)試驗(yàn)提出：瀝青的愈合分為3個(gè)層次，表面能作用是裂紋表面浸潤(rùn)，裂紋開(kāi)始閉合后，瀝青流動(dòng)性加強(qiáng)，力學(xué)性能提高。Dong Y S等[3]通過(guò)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)分析了試驗(yàn)溫度、損傷程度、瀝青類(lèi)型和瀝青混凝土比對(duì)可壓延瀝青混合料自愈性能的影響。Nejad F M等[4]和Behnia B等[5]通過(guò)使用聲發(fā)射(AE)及圓盤(pán)形致密拉伸(DCT)對(duì)熱老化下的瀝青混凝土材料的損傷自愈合進(jìn)行了定量評(píng)估，瀝青混凝土經(jīng)過(guò)了8個(gè)冷卻循環(huán)后研究循環(huán)之間的靜置時(shí)間對(duì)愈合的影響。Ajam H等[6]發(fā)現(xiàn)加熱能夠使瀝青混合料的裂縫自愈合加快，通過(guò)采用電磁感應(yīng)和紅外輻射的方式均有效提高了瀝青混凝土的愈合程度。

瀝青砂漿的性能對(duì)于瀝青混合料影響較大，對(duì)于瀝青砂漿的損傷愈合性能研究對(duì)研究瀝青混凝土的愈合性能具有重要意義?，F(xiàn)有一些學(xué)者開(kāi)展了瀝青砂漿性能的研究工作，張晨晨等[7]基于動(dòng)態(tài)力學(xué)分析方法(DMA)對(duì)7種瀝青砂漿進(jìn)行了動(dòng)態(tài)彎拉試驗(yàn)，分析不同條件下瀝青砂漿粘彈性應(yīng)變范圍及粘彈性能的影響。唐進(jìn)[8]通過(guò)彎曲梁流變儀研究不同愈合時(shí)間和不同愈合溫度下3種典型瀝青砂漿自愈合性能。王文進(jìn)等[9]根據(jù)單軸拉伸蠕變?cè)囼?yàn)論證比較了瀝青砂漿材料的蠕變規(guī)律。劉新[10]研究了不同溫度和加載應(yīng)力對(duì)3種瀝青砂漿的影響，并分析了其高溫性能。

為了進(jìn)一步研究瀝青材料開(kāi)裂損傷特性并分析其力學(xué)機(jī)理，一些學(xué)者開(kāi)始采用細(xì)觀測(cè)試技術(shù)，比如數(shù)字散斑技術(shù)(The digital speckle correlation method，DSCM)對(duì)力學(xué)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)，通過(guò)全場(chǎng)位移或應(yīng)變深入了解非均質(zhì)材料的變形和破壞特征。王嵐等[11]利用DSCM技術(shù)針對(duì)紫外光老化的瀝青混合料在試驗(yàn)中裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行表征，同時(shí)分析了瀝青混合料的界面特征。

總而言之，目前對(duì)瀝青砂漿宏細(xì)觀多尺度自愈合性能的研究較少，本文將基于數(shù)字散斑相關(guān)方法在不同愈合時(shí)間和老化程度下對(duì)SBS瀝青和基質(zhì)瀝青進(jìn)行瀝青砂漿損傷愈合實(shí)驗(yàn)，并定義了一種愈合評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)分析其愈合過(guò)程。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

瀝青砂漿試件制作采用90#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青，基本技術(shù)指標(biāo)如表1所示；集料為玄武巖，礦料指標(biāo)如表2所示；填料為石灰石礦粉，技術(shù)指標(biāo)如表3所示。以AC-16型密集配混合料配比為基礎(chǔ)，根據(jù)比表面積轉(zhuǎn)化法和δ體積修正法級(jí)配轉(zhuǎn)化得到瀝青砂漿的級(jí)配[13]，具體配比如表4所示。

表1 瀝青材料基本指標(biāo)Table 1 The basic indicators of asphalt

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1試件的制備

瀝青砂漿試件采用輪碾法成型,按照《T0734-2000熱拌瀝青混合料加速老化方法》進(jìn)行老化,并在小梁試件中點(diǎn)處預(yù)留預(yù)切口，預(yù)切口寬2 mm，深6 mm。在進(jìn)行DSCM觀測(cè)前對(duì)試件進(jìn)行噴漆處理，先對(duì)試件進(jìn)行啞光黑漆噴底，再用啞光白漆噴斑，在DSCM觀測(cè)下的灰度值達(dá)到30以下。

表2 礦料技術(shù)指標(biāo)Table 2 Mineral material technical index

表3 礦粉技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical index of mineral filler

表4 瀝青砂漿配比Table 4 Asphalt mortar ratio

1.2.2 瀝青砂漿損傷自愈合實(shí)驗(yàn)方案

采用改良的BOEF彈性地基梁加載方式[15]，如圖1所示，橡膠塊選為邵氏硬度25°的軟橡膠塊，用工業(yè)膠水將下部橡膠塊與試塊粘牢；試件加載位置上方粘貼同一規(guī)格的硬橡膠墊片，避免由于壓頭導(dǎo)致的瀝青砂漿小梁試件局部變形。采用三分點(diǎn)小梁彎曲損傷愈合實(shí)驗(yàn)，通過(guò)控制位移設(shè)定瀝青砂漿試件的損傷程度，加載速率為0.35 mm/min，先測(cè)得兩種瀝青在3種老化(未老化、短期老化和長(zhǎng)期老化)程度下破壞時(shí)的位移值S。而后將預(yù)設(shè)損傷程度定義為60%S，在達(dá)到預(yù)設(shè)損傷程度對(duì)應(yīng)位移時(shí)停止加載。

瀝青砂漿損傷自愈合實(shí)驗(yàn)步驟：首先，以0.35 mm/s的速率加載到設(shè)定損傷位移停止，并以相同的速率卸載；接著，啟動(dòng)DSCM每15 s拍攝一次荷載位移損傷，記錄最大位移以及完全卸除時(shí)的時(shí)間以及照片；最后，采用DSCM進(jìn)行室溫下愈合1，2和4 h的愈合觀測(cè)并記錄。

1.2.3 瀝青砂漿損傷自愈合實(shí)驗(yàn)的影響因素

瀝青砂漿損傷愈合實(shí)驗(yàn)主要考慮老化程度和愈合時(shí)間。兩種瀝青砂漿損傷愈合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表5所示，每個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3組平行實(shí)驗(yàn)。

圖1 改良的BOEF彈性地基梁Fig 1 BOEF modified elastic foundation beam

表5 瀝青砂漿損傷自愈合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表Table 5 Damage and self-healing properties orthogonal test table of asphalt mortar

1.3 基于數(shù)字散斑相關(guān)方法的指標(biāo)選取

基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的瀝青砂漿損傷愈合實(shí)驗(yàn)，在預(yù)切口兩側(cè)對(duì)稱(chēng)選取8個(gè)點(diǎn)，分別測(cè)得每點(diǎn)的位移，用右側(cè)總位移減去左側(cè)總位移后取得平均值即為兩點(diǎn)之間的位移差ΔU，以ΔU直觀表現(xiàn)預(yù)切口處的損傷愈合情況。試件表面坐標(biāo)情況如圖2所示。

圖2 試件表面坐標(biāo)劃分圖Fig 2 Surface coordinate division diagram of specimen

預(yù)切口兩側(cè)位移值ΔU計(jì)算公式如式(1) 所示：

(1)

其中，ΔU為預(yù)切口兩側(cè)的位移差，U右為預(yù)切口右側(cè)總位移值，U左為預(yù)切口左側(cè)總位移值。

用開(kāi)始時(shí)刻的ΔU值與不同愈合時(shí)間后的ΔU值作差記為ΔU愈合值，分析ΔU愈合值隨著愈合時(shí)間的增長(zhǎng)的變化過(guò)程。當(dāng)卸載過(guò)后，試件瞬時(shí)發(fā)生彈性回復(fù)階段，呈線性變形回復(fù)階段，隨后才是開(kāi)始愈合時(shí)刻預(yù)切口兩側(cè)的位移值，如圖3所示。ΔU愈合值計(jì)算公式如式(2) 所示

ΔU愈合值=ΔUt=0-ΔUt=x

(2)

其中，ΔU愈合值為ΔU愈合值，mm；ΔUt=0為開(kāi)始愈合時(shí)預(yù)切口兩側(cè)位移值，mm；ΔUt=x為愈合x(chóng)時(shí)間后的ΔU值，mm。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同愈合時(shí)間下的位移差ΔU，定義基于位移差ΔU的損傷愈合指標(biāo)HI，計(jì)算公式如式(3) 所示

(3)

其中，HI為愈合度；ΔUt=0為開(kāi)始愈合時(shí)預(yù)切口兩側(cè)位移值；ΔUt=i為愈合i=0,1,2 h后預(yù)切口兩側(cè)的位移差；基于變形差ΔU的損傷愈合指標(biāo)HI，通過(guò)開(kāi)始時(shí)與不同愈合時(shí)間段內(nèi)的位移差與開(kāi)始愈合時(shí)預(yù)切口處位移的比值，以此作為瀝青砂漿在不同愈合時(shí)間段下的愈合度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖3 損傷愈合過(guò)程Fig 3 Specimen injury healing process

2 結(jié)果分析與討論

2.1 SBS改性瀝青砂漿損傷愈合U云圖

以SBS改性瀝青砂漿試件為例采用數(shù)字散斑技術(shù)對(duì)損傷愈合過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)。圖4和5中下端兩支座間距為14 cm，右側(cè)圖例對(duì)應(yīng)位移程度。通過(guò)對(duì)比施加荷載和愈合過(guò)程中位移云圖的變化，分析SBS改性瀝青砂漿的損傷愈合過(guò)程。

2.1.1 瀝青砂漿荷載損傷應(yīng)變?cè)茍D

圖4為SBS改性瀝青砂漿荷載應(yīng)變?cè)茍D。從圖4(a)可以看出，無(wú)荷載時(shí)的試件表面無(wú)云圖；由圖4(b)可知，試件剛開(kāi)始加載，由于預(yù)切口處出現(xiàn)應(yīng)力集中導(dǎo)致頂端處應(yīng)變最先開(kāi)始，預(yù)切口處顏色變深；由圖4(c)可知，試件加載10 min時(shí)，出現(xiàn)了明顯的火苗狀應(yīng)變?cè)茍D，表示切口處受壓應(yīng)變最大，試件兩側(cè)為拉應(yīng)變；圖4(d)為峰值荷載下的試件應(yīng)變?cè)茍D，此時(shí)應(yīng)變達(dá)到最大，壓頭兩側(cè)的拉應(yīng)變最大，中間區(qū)域壓應(yīng)變最大；同時(shí)由于達(dá)到峰值荷載試件中部深色區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了細(xì)微的裂紋，導(dǎo)致其表面應(yīng)變無(wú)法被識(shí)別。

圖4 SBS改性瀝青砂漿荷載應(yīng)變?cè)茍DFig 4 Load strain cloud map of SBS modified asphalt mortar

2.1.2 瀝青砂漿愈合位移云圖

圖5為SBS改性瀝青砂漿的愈合位移云圖。對(duì)比SBS改性瀝青砂漿在不同愈合時(shí)間下的位移云圖，由圖5(a)開(kāi)始愈合時(shí)可以看出，試件左右兩側(cè)受拉位移區(qū)域顏色呈現(xiàn)深紅色。從圖5(b)可以看出，愈合1 h后兩側(cè)最大位移處區(qū)域淺化，說(shuō)明試件位移在減小，受拉區(qū)縮小，呈現(xiàn)一定程度的恢復(fù)。從圖5(c)可以看出，愈合2 h后位移縮小區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，試件整體呈現(xiàn)更明顯的愈合趨勢(shì)。從圖5(d)可以看出，愈合4 h后最大位移區(qū)域顏色已經(jīng)完全淺化，此時(shí)最大位移區(qū)域較小，試件中部淺顏色區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，與開(kāi)始愈合時(shí)相比愈合4 h后SBS改性瀝青砂漿的位移呈現(xiàn)顯著的趨勢(shì)愈合。

圖5 SBS改性瀝青砂漿的愈合位移云圖Fig 5 Cloud image of healing displacement of SBS modified asphalt mortar

2.2 瀝青砂漿ΔU的損傷愈合過(guò)程

對(duì)瀝青砂漿試件的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，按照式(1)得到不同老化程度下基質(zhì)瀝青砂漿和SBS改性瀝青砂漿位移差ΔU隨時(shí)間的變化過(guò)程，分析瀝青砂漿試件的損傷自愈合過(guò)程，如圖6所示。

從圖6可看出，ΔU會(huì)出現(xiàn)峰值，整體呈現(xiàn)為先增大后減小；對(duì)比不同老化程度下預(yù)切口兩側(cè)的ΔU最大值與最小值發(fā)現(xiàn)，兩種瀝青砂漿短期老化后的ΔU值最大，長(zhǎng)期老化后兩種瀝青砂漿的ΔU值最小。這是由于ΔU值與損傷位移有關(guān)，損傷位移越大其整體變形位移越大，從而瀝青砂漿試件預(yù)切口兩側(cè)位移越大[12]。瀝青砂漿在經(jīng)過(guò)短期老化和長(zhǎng)期老化后，瀝青中的瀝青質(zhì)含量增多，流動(dòng)性降低，瀝青與集料的粘附力下降，預(yù)切口兩側(cè)抗開(kāi)裂能力下降，而在長(zhǎng)期老化過(guò)程中由于試件溫度升高，試件內(nèi)部瀝青流動(dòng)性增強(qiáng)，增大了瀝青與石料的粘附性，對(duì)裂紋的開(kāi)展起到了一定的抑制作用。因此，經(jīng)過(guò)短期老化后的瀝青砂漿試件預(yù)切口兩側(cè)位移最大，長(zhǎng)期老化次之，未老化最小。

圖6 不同老化程度下兩種瀝青砂漿損傷愈合過(guò)程中預(yù)切口兩側(cè)位移Fig 6 Displacement of two kinds of asphalt mortar in the process of damage healing under different aging degrees

對(duì)比圖6(a)和(b)可以發(fā)現(xiàn)，相同老化條件下加載階段基質(zhì)瀝青砂漿ΔU峰值大于SBS改性瀝青砂漿，卸載階段基質(zhì)瀝青砂漿的ΔU恢復(fù)值也大于SBS改性瀝青砂漿，這是由于改性瀝青中改性劑隨瀝青老化而發(fā)生降解或斷裂，不能在卸載階段起到原有得改性作用，導(dǎo)致SBS瀝青砂漿比基質(zhì)瀝青砂漿具有較差變形能力和愈合能力。

2.3 對(duì)比不同老化程度下兩種瀝青砂漿ΔU愈合值

圖7為不同老化程度下基質(zhì)瀝青砂漿和SBS改性瀝青砂漿愈合4 h的愈合值。對(duì)比圖7中兩種瀝青砂漿的愈合值發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)瀝青砂漿在長(zhǎng)期老化下愈合值最大，未老化次之，短期老化最小，SBS瀝青砂漿在短期老化下愈合值最大，長(zhǎng)期老化次之，未老化最小。這是由于長(zhǎng)期老化下SBS瀝青砂漿由于改性劑的分子顆粒在高溫下出現(xiàn)交聯(lián)體，相對(duì)分子質(zhì)量增大，流動(dòng)性降低，使得表現(xiàn)出較差的愈合值，而基質(zhì)瀝青砂漿由于高溫的原因，瀝青砂漿內(nèi)部瀝青析出，增大瀝青與骨料的粘附性，抑制裂紋出現(xiàn)，因此在長(zhǎng)期老化的情況下表現(xiàn)出更好的損傷恢復(fù)能力。

2.4 對(duì)比不同愈合時(shí)間下兩種瀝青砂漿ΔU愈合值

分子擴(kuò)散理論[19]認(rèn)為瀝青材料的裂縫自愈包括以下3個(gè)機(jī)理：(1)在表面能作用下，微觀裂紋上下表面接觸并潤(rùn)濕( 潤(rùn)濕機(jī)理)；(2)微裂紋界面分子擴(kuò)散，裂紋界面粘結(jié)( 擴(kuò)散機(jī)理)；(3)擴(kuò)散瀝青大分子鏈的隨機(jī)化引發(fā)材料力學(xué)性能恢復(fù)。

圖8為不同愈合時(shí)間段內(nèi)基質(zhì)瀝青砂漿和SBS改性瀝青砂漿的ΔU愈合值。從圖8可以看出，整體的愈合呈現(xiàn)明顯差異，愈合主要集中于0～1 h階段，此時(shí)試件處于愈合的第一階段，裂紋通過(guò)表面能的作用，裂紋表面接觸濕潤(rùn)，呈現(xiàn)較高的愈合值；2～4 h為愈合的第二階段，愈合速率較慢，愈合值較低，瀝青砂漿的愈合主要通過(guò)微裂紋界面分子的擴(kuò)散使裂紋粘結(jié)；整體而言愈合第一階段愈合速率較快，且愈合值較大；在愈合第二階段過(guò)程中，隨著愈合時(shí)間段的增加，愈合值的增量顯著降低并趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)出了愈合持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)且速率較慢的特點(diǎn)。在0～1 h愈合時(shí)間段中，未老化及長(zhǎng)期老化后的基質(zhì)瀝青砂漿的ΔU愈合值遠(yuǎn)高于SBS瀝青砂漿，而短期老化的SBS瀝青砂漿的ΔU愈合值大于基質(zhì)瀝青砂漿，這是由于基質(zhì)瀝青砂漿在愈合第一階段中愈合能力更強(qiáng)，愈合速率更快，而SBS改性劑的的抗老化性能使得SBS瀝青砂漿在短期老化下的愈合度更高。但在1～2 h內(nèi)，長(zhǎng)期老化下的基質(zhì)瀝青愈合值有明顯降低，這是由于第一階段其愈合能力強(qiáng)，在2～4 h，基質(zhì)瀝青的愈合值增加，這是由于基質(zhì)瀝青砂漿表面瀝青內(nèi)部析出，增加了試件表面的粘性，促進(jìn)了第二階段的愈合。而其他兩種老化情況下的ΔU愈合值迅速減小并趨于穩(wěn)定，說(shuō)明在相同愈合時(shí)間下長(zhǎng)期老化后基質(zhì)瀝青砂漿具有更好的愈合能力。

圖7 不同老化程度下兩種瀝青砂漿愈合4 h的愈合值Fig 7 Healing value of two kinds of asphalt mortar for 4 h under different aging degree

圖8 不同愈合時(shí)間段內(nèi)兩種瀝青砂漿的ΔU愈合值Fig 8 The ΔU value of two asphalt mortar in different healing time period

2.5 基于愈合指標(biāo)HI的愈合分析

基于變形差ΔU的愈合指標(biāo)HI(式(3))，對(duì)比基質(zhì)瀝青砂漿和SBS改性瀝青砂漿在不同愈合時(shí)間段內(nèi)的愈合度變化如圖9所示。

從圖9可以看出，不同老化程度下兩種瀝青砂漿在愈合時(shí)間1～2 h段內(nèi)的愈合度表現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)，隨著愈合時(shí)間的增長(zhǎng)，愈合度趨于平穩(wěn)，但基質(zhì)瀝青砂漿在后期仍表現(xiàn)出較好的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，表明瀝青砂漿的愈合呈現(xiàn)階段性，愈合1～2 h處于愈合第一階段，此時(shí)瀝青砂漿愈合速率快；愈合2～4 h處于愈合第二階段，此時(shí)瀝青砂漿愈合速率較慢并趨于穩(wěn)定。

由圖9可知，對(duì)比不同老化程度下兩種瀝青砂漿的愈合度發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期老化狀態(tài)下的兩種瀝青砂漿的愈合度最高，這是由于在高溫老化使得兩種瀝青砂漿表層內(nèi)部瀝青析出，增加了表面的粘性，促進(jìn)了裂紋的閉合，表現(xiàn)出較高的愈合度；短期老化狀態(tài)下的SBS改性瀝青相對(duì)于基質(zhì)瀝青砂漿表現(xiàn)出更好的愈合度，這是由于SBS瀝青砂漿自身的抗老化性能的體現(xiàn)，整體更加穩(wěn)定；未老化狀態(tài)下基質(zhì)瀝青砂漿體現(xiàn)出相對(duì)較好的愈合性能，這是由于SBS改性劑自身分子的相互纏繞以及瀝青間的粘摩阻力，影響了SBS瀝青砂漿的自愈能力。

整體對(duì)比兩種瀝青砂漿的愈合度可以發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)瀝青砂漿的愈合度在3種老化狀態(tài)下均表現(xiàn)出較好愈合能力，而改性瀝青砂漿則表現(xiàn)出更加穩(wěn)定的狀態(tài)，相對(duì)較差的愈合能力并不會(huì)影響SBS瀝青砂漿的路用性能，愈合能力并不是表征其特性的唯一指標(biāo)，在路用過(guò)程中應(yīng)當(dāng)具體考量。

圖9 基于HI兩種瀝青砂漿在不同愈合時(shí)間段內(nèi)愈合度Fig 9 The degree of healing of two kinds of asphalt mortar based on hi in different healing time

3 結(jié) 論

(1)利用數(shù)字散斑相關(guān)方法對(duì)基質(zhì)瀝青砂漿和SBS改性瀝青砂漿的損傷愈合過(guò)程進(jìn)行了觀測(cè)，效果明顯；兩種瀝青砂漿在不同老化程度下的愈合情況較顯著，并提出瀝青砂漿損傷愈合評(píng)價(jià)指標(biāo)HI，進(jìn)一步分析瀝青砂漿的愈合過(guò)程。

(2)基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的損傷愈合實(shí)驗(yàn)得出，短期老化時(shí)瀝青砂漿在損傷愈合過(guò)程中位移差最大，未老化次之，長(zhǎng)期老化最??；而在相同的愈合時(shí)間和老化程度條件下，基質(zhì)瀝青砂漿比SBS瀝青砂漿具有更好的愈合效果。

(3)將愈合時(shí)間對(duì)應(yīng)的愈合值分階段分析發(fā)現(xiàn)，瀝青砂漿的愈合效果呈現(xiàn)較為明顯的二階段現(xiàn)象，在第一階段愈合值較大，愈合速率較快，愈合的主要?jiǎng)恿榱鸭y的表面能；第二階段愈合增量顯著下降，并逐漸趨于穩(wěn)定，此時(shí)愈合的主要來(lái)源為微裂紋界面分子擴(kuò)散導(dǎo)致的裂紋界面粘結(jié)。