瀝青混合料自愈合性能研究綜述

徐亞 吳丹

摘? 要：瀝青混合料作為一種粘彈性材料，本身就具有一定的損傷自愈合能力，人們很早就發(fā)現(xiàn)損傷的瀝青材料在撤去荷載后，經(jīng)過一段時(shí)間損傷能夠愈合。自從1967年Bazin和Saunier首先報(bào)道了瀝青混合料的損傷愈合以來[1]，很多研究者分別基于不同的手段驗(yàn)證了這一現(xiàn)象的存在[2]。文章基于國內(nèi)外的研究，分別從自愈合機(jī)理、自愈合評價(jià)方法、自愈合影響因素等方面對瀝青混合料的自愈合性能進(jìn)行總結(jié)，并對其未來在本領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：瀝青混合料;自愈性能;綜述

中圖分類號：U414? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）10-0062-03

Abstract： As a kind of viscoelastic material， asphalt mixture has a certain damage self-healing ability. It has been found for a long time that the damaged asphalt material can heal after removing the load. Since Bazin and Saunier first reported the damage healing of asphalt mixture in 1967， many researchers have verified the existence of this phenomenon based on different means. Based on the research at home and abroad， this paper summarizes the self-healing performance of asphalt mixture from the aspects of self-healing mechanism， self-healing evaluation method， self-healing influencing factors， and anticipates its future development in this field.

Keywords： asphalt mixture; self-healing performance; overview

1 瀝青混合料自愈合機(jī)理

Shen[3]等認(rèn)為瀝青混合料的自愈行為包括兩個(gè)方面，即瀝青膠結(jié)料本身的自愈及其膠結(jié)料和集料粘附面的自愈。Jian Qiu[4]等認(rèn)為瀝青混合料的自愈合是開裂的逆過程，從宏觀角度把這一過程描述為裂縫的閉合和混合料強(qiáng)度的再獲得兩個(gè)過程。然而這些描述只是宏觀上的描述，并不能解釋裂縫愈合的真正原因，于是Little和Bhasin[5]從微觀角度提出了解釋，他們提出瀝青材料的自愈合主要是瀝青的擴(kuò)散，包括兩個(gè)主要過程，一是裂縫上下界面的浸潤，二是裂縫界面的瀝青分子擴(kuò)散到裂縫處，使瀝青材料重新獲得強(qiáng)度。同濟(jì)大學(xué)孫大權(quán)等[6]從微觀角度給出了進(jìn)一步的解釋，他們提出瀝青混合料裂縫的自愈合過程實(shí)質(zhì)上是裂縫上下表面的瀝青分子為降低表面而自發(fā)進(jìn)行的界面浸潤于吸附和分子擴(kuò)散，其動(dòng)力來源于裂縫界面分子的范德華力和氫鍵形成的化學(xué)吸附。但是這一理論很難解釋瀝青路面裂縫較寬時(shí)仍能愈合的現(xiàn)象，為此，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的Alvaro Garavia[7]提出了毛細(xì)管流動(dòng)理論，他認(rèn)為瀝青材料產(chǎn)生的裂縫相當(dāng)于是毛細(xì)管，在合適的條件下，瀝青就會(huì)由于毛細(xì)作用向裂縫處流動(dòng)，最終愈合裂縫。

2 瀝青混合料自愈合評價(jià)方法

自從1967年Bazin和Saunier首次報(bào)道瀝青混合料的自愈合性能以來，評價(jià)自愈合效果的試驗(yàn)方法和指標(biāo)也經(jīng)歷了四十多年的發(fā)展，這些方法從評價(jià)對象方面可以分為瀝青膠結(jié)料的自愈合評價(jià)方法和瀝青混合料的自愈合評價(jià)方法。

2.1 面向?yàn)r青膠結(jié)料的自愈合評價(jià)方法

高超等[8]認(rèn)為可以使用分子模擬技術(shù)和動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)來評價(jià)瀝青膠結(jié)料的自愈合效果。Bommavaram等[9]采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀研究了五種瀝青的自愈合性能，指出瀝青材料的短期自愈效率取決于材料的表面能，長期自愈效率取決于瀝青分子的擴(kuò)散特性。Tan Yiqiu等[10]基于動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)評價(jià)了兩種基質(zhì)瀝青的自愈合性能，結(jié)果指出間歇前后的模量比和循環(huán)加載次數(shù)比適用于評價(jià)瀝青的自愈能力，間歇時(shí)間對瀝青的自愈效果有顯著影響。Kim等[11]使用動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀研究老化對瀝青自愈合性能的影響，結(jié)論指出這一方法的分析結(jié)果與基于表面能的分析結(jié)果一致。Nazzal等[12]使用原子力顯微鏡觀測瀝青表面的微觀結(jié)構(gòu)，以此來研究溫拌劑對瀝青膠漿自愈性能的影響，結(jié)果指出溫拌劑會(huì)降低瀝青膠漿的愈合速度。

2.2 面向?yàn)r青混合料的自愈合評價(jià)方法

瀝青膠結(jié)料只是瀝青混合料的組成部分，真正反映實(shí)際路面的自愈合性能還要重點(diǎn)考察瀝青混合料的自愈合性能。1967年，Bazin和Saunier首次報(bào)道瀝青混合料的自愈合性能時(shí)，使用直接拉伸試驗(yàn)測量瀝青混合料小梁的抗拉強(qiáng)度，以間歇前后的抗拉強(qiáng)度比作為評價(jià)混合料自愈合能力的指標(biāo)。馬元珽[13]介紹了挪威的一種類似的方法，該方法把瀝青混合料切割成75mm×75mm×75mm的立方體試件，然后進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，破壞后靜置一段時(shí)間后再進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，以兩次抗拉強(qiáng)度之比表征瀝青混合料的自愈合能力。Chowday等[14]進(jìn)行了瀝青混合料小梁的重復(fù)三軸試驗(yàn)，測量在此過程中小梁試件的應(yīng)力應(yīng)變和變形，他用兩個(gè)指標(biāo)來評價(jià)瀝青混合料的自愈合性能，一是間歇前后試件的變形百分比，二是卸載后間歇期的變形恢復(fù)程度。Magnanimo等[15]采取虛擬試驗(yàn)的方法，借助于離散元建立了相關(guān)模型，模擬出了瀝青混合料的損傷-愈合過程。

3 瀝青混合料自愈合影響因素

影響瀝青混合料自愈合性能的因素有很多，從大的方面可以分為外部因素和內(nèi)部因素兩大類。外部因素主要就是溫度和間歇時(shí)間，內(nèi)部因素則包括瀝青種類、級配、油石比等。只有搞清楚了瀝青混合料自愈合性能的影響因素，才能從材料設(shè)計(jì)角度設(shè)計(jì)出自愈合性能良好的瀝青混合料。

3.1 瀝青混合料自愈合外部影響因素

影響瀝青混合料自愈合性能的外部因素最主要就是溫度和時(shí)間。在撤去外荷載后，由于瀝青混合料的粘彈性，其疲勞損傷經(jīng)過一段時(shí)間會(huì)愈合，從理論上講，只要經(jīng)歷足夠的間歇時(shí)間，瀝青材料的裂縫都可以愈合，而較高的溫度則會(huì)加速這一愈合過程。

Maria Castro等[16]把瀝青混合料切割成小梁后分成兩組，進(jìn)行三點(diǎn)疲勞試驗(yàn)，一組采取連續(xù)加載的方式，另一組采取加載0.1s，間歇1s的間歇加載方式，試驗(yàn)結(jié)果指出采取間歇加載方式加載的小梁的疲勞壽命是采取連續(xù)加載方式小梁疲勞壽命的5-10倍，可見間歇時(shí)間對混合料愈合性能的影響。欒利強(qiáng)[17]基于AC-13C級配研究間歇時(shí)間對瀝青混合料疲勞壽命的影響，研究結(jié)果表明當(dāng)間歇時(shí)間小于0.5s時(shí)，瀝青混合料的疲勞壽命隨間歇時(shí)間延長而延長，當(dāng)間歇時(shí)間大于0.5s后，間歇時(shí)間不再是影響疲勞壽命的主要因素。高爽等[18]通過研究指出，瀝青混合料的疲勞壽命和間歇時(shí)間有很大關(guān)系，其疲勞壽命隨間歇時(shí)間延長而增大，當(dāng)試驗(yàn)溫度為40℃，間歇時(shí)間為0.3s時(shí)，瀝青混合料的疲勞壽命是連續(xù)加載時(shí)的5倍，當(dāng)試驗(yàn)溫度為25℃，間歇時(shí)間為0.5s時(shí)，這一比值達(dá)到了25。

3.2 瀝青混合料自愈合內(nèi)部影響因素

瀝青混合料作為一種粘彈性材料，其自身能夠發(fā)生自愈合行為與其自身的材料構(gòu)成是緊密相關(guān)的。影響瀝青混合料自愈合性能的內(nèi)部因素主要有瀝青膠漿性質(zhì)、瀝青含量、礦料級配等。

姜脘[19]選取SK-70號瀝青，基于動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)研究了老化對瀝青自愈合性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)老化后的SK-70瀝青的自愈合性能大幅降低。姜脘還研究了聚合物改性瀝青的自愈合性能，其研究結(jié)果表明加入聚合物改性劑后，瀝青的自愈合性能較基質(zhì)瀝青有很大提高。Kim等[20]的研究卻得出了不同的結(jié)論，他們的研究認(rèn)為聚合物改性劑能夠降低瀝青膠結(jié)料的疲勞損傷的積累，但對于瀝青混合料的自愈合性能卻沒有影響。礦粉也會(huì)影響瀝青膠漿的自愈合性能。Smith等[21]通過研究發(fā)現(xiàn)使用較粗顆粒礦粉的瀝青膠漿的自愈合性能要優(yōu)于使用較細(xì)顆粒礦粉的膠漿，但是并沒有指出這種現(xiàn)象的原因。Jahromi等[22]的研究指出使用粗顆粒礦粉的瀝青膠漿在損傷后的勁度恢復(fù)更快，但是相應(yīng)的疲勞壽命卻沒有較使用細(xì)顆粒礦粉的瀝青膠漿增加。

4 瀝青混合料自愈合研究展望

自從上世紀(jì)60、70年代人們發(fā)現(xiàn)瀝青混合料的自愈合行為以來，經(jīng)過四十多年的不斷研究，已經(jīng)在自愈合機(jī)理、自愈合評價(jià)方法、自愈合影響因素、自愈合增強(qiáng)手段等方面取得了很大的成績，但是還存在著很多不足，展望以后的研究方向，個(gè)人覺得要在以下幾個(gè)方面深入研究。

（1）自愈合評價(jià)方法方面?，F(xiàn)在所用的評價(jià)瀝青混合料自愈合性能的方法和指標(biāo)并不統(tǒng)一，比如加載方式、試驗(yàn)溫度、間歇時(shí)間等方面有很大分歧，各個(gè)方法和指標(biāo)之間缺乏比較，并且各個(gè)實(shí)驗(yàn)室評價(jià)指標(biāo)和瀝青路面實(shí)際的自愈合效果之間相關(guān)性如何不得而知。因此，還需要在瀝青混合料自愈合性能評價(jià)手段和評價(jià)指標(biāo)方面深入研究，以期與瀝青路面實(shí)際的自愈合效果有更好的相關(guān)性。

（2）自愈合影響因素方面。目前的研究對于影響瀝青混合料自愈合性能的因素還沒有定論，而且有些研究的結(jié)論與傳統(tǒng)觀點(diǎn)不符。比如對于聚合物改性劑瀝青混合料自愈合性能的影響到底如何，不同的研究者得出的結(jié)論并不一樣。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為較細(xì)的級配和較高的油石比更有利于提高瀝青混合料的抗疲勞性能，而有些研究卻指出較細(xì)的級配和較高的油石比反而不利于瀝青混合料的自愈合性能。因此，還需要在自愈合性能影響因素方面深入研究，而正確的結(jié)論又依賴試驗(yàn)手段和評價(jià)指標(biāo)的改善。

參考文獻(xiàn)：

[1]Bazin.P， Saunier J.B. Deformability， fatigue and healing properties of asphalt mixes[C].Proceedings of the Second International Conference on The Structure Design of Asphalt Pavements. Ann Arbor. Michigan.USA，1967，553-569.

[2]瞿金，田小革，等.瀝青混合料疲勞壽命及其影響因素研究[J].中外公路，2010，30（5）：266-270.

[3]Shen Shihui， Chiu Homing， Huang Hai. Characterization of fatigue and healing in asphalt binders[J]. Journal of Materials in Civil Engineering， 2010，22（9）：846-825.

[4]Jian Qiu， Martin F.C， Van de ven. Cracking and healing modeling of asphalt mixtures[C].7th RILEM International Conference on Cracking in Pavements，2012，1135-1144.

[5]Dallas N. Little， Amit Bhasin. Exploring Mechanism of healing in asphalt mixtures and quantifying its impact[J].Self-healing Materials，2008（100）：205-218.

[6]孫大權(quán)，張立文，等.瀝青混凝土疲勞損傷自愈合行為研究進(jìn)展（1）——自愈合行為機(jī)理與表征方法[J].石油瀝青，2011，25（5）：7-11.

[7]Alvaro Garavia. Self-healing of open cracks in asphalt mastic [J]. The Science and Technology of Fuel and Energy，2011（93）：264-272.

[8]高超，陸國陽，龔明輝，等.自愈合瀝青設(shè)計(jì)的可行性及評價(jià)方法研究[J].中外公路，2013，33（2）：72-75.

[9]Bommavaram R.R， Bhasin A， Little D.N. Determining intrinsic healing properties of asphalt binders： role of dynamic shear rheometer [J]. Transport Research Record，2009（1）：47-54.

[10]Tan Tiqiu， Shan Liyan. Healing characteristics of asphalt binder [J]. Construct build Mater，2012，27（1）：570-577.

[11]Yong Ram Kim， Hyum Jong Lee. Evaluation of the effect of aging on mechanical and fatigue properties of sand asphalt mixtures[J]. SCE Journal of Civil Engineering，2003，7（4）：389-398.

[12]Munir Nazzal， Savas Kaya. Evaluation of WMA healing properties using atomic force microscopy[J]. 7th RILEM International Conference on Cracking in Pavements，2012，1125-1134.

[13]馬元珽.室內(nèi)模擬瀝青混凝土裂縫的自愈特性[J].水利水電快報(bào)，2004，25（2）：28-30.

[14]Venkaiah Chowday， Murali Krishnan. Characterization of healing in sand asphalt mixtures using a thermo mechanical framework[J]. Airfield and Highway Pavements Special Conference，2006，467-478.

[15]V.Magnanimo， H.L.ter Huerne. Asphalt durability and self-healing modeling with discrete particles approach[J]. 7th RILEM International Conference on Cracking in Pavements，2012，1103-1114.

[16]Maria Castro， Jose A.Sanchez. Fatigue and healing of asphalt mixtures： discriminate analysis of fatigue curves[J].Journal of transportation engineering，2006，132（2）：168-174.

[17]欒利強(qiáng).考慮損傷與愈合的瀝青混凝土疲勞性能研究[D].長沙理工大學(xué)，2009.

[18]高爽，朱洪洲，唐伯明.瀝青混合料疲勞性能影響因素研究綜述[J].石油瀝青，2008，22（2）：1-6.

[19]姜脘.瀝青膠漿自愈合能力研究[D].武漢理工大學(xué)，2011.

[20]Kim.Y.R， Little D.N. Fatigue and healing characterization of asphalt mixes[J]. Journal of Materials in Civil Engineering，2003，15（1）：75-83.

[21]Smith B.J， Hesp S .A.M. Crack pinning in asphalt mastic and concrete： effect of rest periods and polymer modifier on the fatigue life [C].2nd Euro Asphalt and Euro Bitumen Congress. Bacelona， Spain，2000：539-546.

[22]Jahromi S.G， Vossough S. Fracture mechanism in bitumen， modified bitumen and asphalt mixes [J].Construct Building Materials，2012（29）：142-148.