基于毛細管理論的瀝青材料自愈合影響因素研究

陶小磊，梁 胡，農(nóng)紀源，韋 宗

(1.廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001；2.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

瀝青混合料是一種由瀝青、石料、礦粉、改性劑、外加劑等不同特性材料組成的結(jié)合料，在其服役周期內(nèi)受外界多場耦合作用，瀝青混合料內(nèi)部薄弱點尤其是不同材料的界面處，往往容易出現(xiàn)微小損傷，形成微裂紋，若沒有得到有效抑制，將會逐漸演變?yōu)槿庋劭梢姷牧芽p。相關研究表明[1-2]，由于瀝青屬于溫度敏感性材料，在一定的溫度場和荷載作用下，瀝青混合料的內(nèi)部微損傷存在自動愈合的現(xiàn)象。針對這種現(xiàn)象，一些道路工作者嘗試從理論上進行解釋，從而指導實際的試驗研究。目前解釋瀝青自愈合現(xiàn)象的理論包括有微觀和宏觀兩方面的[3-4]，其中微觀理論以表面能理論、分子擴散模型、相場模型理論為主；宏觀理論主要以斷裂力學模型理論和觸變模型理論為主。而毛細管流動擴散理論是由lvaro García提出的分子擴散理論[5]。為了更好地認識基于毛細管流動擴散理論的瀝青自愈合現(xiàn)象，并且探明在此理論條件下瀝青材料的自愈合影響因素，本文將闡明瀝青毛細管流動理論及擴散模型，并以試驗溫度和時間為變量研究瀝青材料自愈合的影響因素。

1 毛細管流動擴散理論

1.1 瀝青毛細管流動理論

毛細管作用廣泛存在于自然界和日常生活中，指的是在細管狀的物體內(nèi)部，由于管壁的內(nèi)聚力和附著力相互作用，當液體與管壁的附著力大于液體自身的內(nèi)聚力，液體可以克服地球引力而上升到一定高度的現(xiàn)象，如圖1所示。

為了更好地表征毛細管作用，人們主要采用毛細管試驗測試液體的上升高度，用以表征不同管徑條件下的毛細管作用力。大體設計思路為：將一根細長的玻璃管垂直置于裝有液體的裝置中，液體可根據(jù)試驗需要自行選用，一般采用蒸餾水。此時會觀察到玻璃管的液面明顯高于裝置四周液面，并且玻璃管管壁的液面高于中心液面。這主要是因為，在細玻璃管中管壁對液體形成附著力和表面張力，直到液體表面張力小于液體自重時，液體才會停止上升。相關研究顯示，玻璃管直徑越小，毛細管作用越明顯，液柱高度越大。

圖1 毛細管現(xiàn)象示意圖

液柱上升高度的計算公式為[6-7]：

(1)

式中：γ——表面張力；

θ——接觸角；

ρ——液體密度；

g——重力加速度；

r——細管半徑。

當前，一部分研究者認為瀝青混合料愈合期間存在瀝青的毛細管流動現(xiàn)象。2012年，lvaro García著手開展了瀝青材料的毛細管試驗研究，結(jié)果表明，在一定溫度條件下瀝青逐漸向裂縫流動，直至充滿整個裂縫，其主要原因是毛細管流動擴散作用。

當瀝青材料內(nèi)部存在裂縫時，往往呈現(xiàn)毛細管狀，從而存在壓力差。但瀝青材料在高溫條件下逐漸呈現(xiàn)出流動態(tài)，壓力作用將會促使瀝青在裂縫中擴散流動，從而起到自修復自愈合的作用。顯而易見，裂縫越小，溫度越高，毛細管作用越明顯，瀝青的自愈合能力越強。

在研究中，利用CT掃描技術對瀝青混合料小梁的自愈合進程進行了圖像觀察。如圖2所示，可以觀察到瀝青混合料的微裂縫隨愈合時間的延長在不斷地“閉合”，即瀝青材料的自愈合現(xiàn)象。

圖2 瀝青混合料小梁愈合過程的CT掃描圖

1.2 瀝青毛細管流動擴散模型

瀝青是一種粘彈性材料，瀝青內(nèi)部裂縫的毛細管作用與溫度、時間和裂縫大小關系密切。溫度越高，瀝青黏度越小，流動性越強，隨著時間的延長，瀝青的毛細管現(xiàn)象越明顯。在瀝青毛細管擴散流動中，瀝青裂縫的主要作用力包括有表面張力、液體粘滯力和液體自重力。其力學模型如下[8]：

(1)表面張力，用2πrγcos(θ)表示，其中，r為裂縫的寬度；γ為液體的表面張力；θ為瀝青潤濕處的接觸角，在計算中假設為一個常數(shù)。

(3)液體自重力，被認為是裂縫根部的靜水壓力，用pghp-pgh(t)表示，其中，pghp為正靜水壓力；ρ為液體的密度；hp為材料表面至愈合的最低處的距離，當考慮材料整體時，hp被認為是一個定值H。

根據(jù)力的平衡原理，可建立以下方程：

(2)

如果引入一個耗散參數(shù)β，式(2)可寫為：

(3)

由于裂縫的直徑非常小，對于一個非黏性的液體在多孔介質(zhì)中運動，可將式(3)簡化為式(4)，最終毛細管作用的平衡高度為h(t)，如式(5)所示。

(4)

(5)

由式(5)可知，當時間為無窮大時，毛細管作用的平衡高度為：

(6)

毛細管作用過程中的速度為：

(7)

當愈合時間為t，則內(nèi)部存在裂縫的瀝青材料修復面積A為：

(8)

通過對瀝青自愈合的毛細管流動擴散理論和模型進行總結(jié)分析，能夠為后續(xù)瀝青毛細管試驗方案設計和影響因素的設定提供理論依據(jù)。

2 瀝青毛細管試驗方案

2.1 原材料

(1)基質(zhì)瀝青：國創(chuàng)泰普克A-70#道路石油瀝青。

(2)SBS改性瀝青：采用星型SBS，摻量為5%。

(3)橡膠改性瀝青：由廣西交科新材料有限公司提供，橡膠粉目數(shù)為20～80目，摻量為20%。

對上述瀝青材料的關鍵技術指標進行檢測，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 瀝青材料技術指標表

2.2 試驗儀器設備

試驗儀器設備主要包括錐形瓶、玻璃毛細管、橡皮塞、恒溫水浴箱、烘箱、電子游標卡尺等。

通過瀝青在玻璃毛細管中的上升高度評價瀝青的毛細管流動能力，但是毛細管直徑對瀝青的上升高度具有較大影響，如下頁圖3所示。本次試驗選用的玻璃毛細管內(nèi)徑為1.5 mm，外徑為3.4 mm。

2.3 毛細管試驗方法

(1)將流動的瀝青倒入錐形瓶中，瀝青量大概為錐形瓶體積的1/3。

(2)將裝有瀝青的錐形瓶放入一定溫度的恒溫水浴箱中(恒溫水浴箱中的水分浸沒錐形瓶中的瀝青即可)，讓錐形瓶在特定溫度的恒溫水浴箱中保溫0.5 h左右。此時瀝青溫度可以達到試驗溫度，將裝有毛細玻璃管的橡皮塞塞緊錐形瓶的瓶口(橡皮塞上應留有孔道，保持錐形瓶內(nèi)外氣壓一致，毛細玻璃管應該插入瀝青下部，保持與水平面垂直)。

(3)當達到試驗時間時，取出錐形瓶，拔下橡皮塞，通過電子游標卡尺測量毛細玻璃管內(nèi)外瀝青柱的高度差h。試驗過程如圖4所示。

圖3 瀝青在不同尺寸的毛細管中上升高度隨時間變化曲線圖

圖4 瀝青毛細管試驗示意圖

3 瀝青毛細管自愈合影響因素研究

根據(jù)毛細管流動擴散理論，可用毛細管上升高度作為自愈合性能的表征指標，毛細管瀝青柱上升高度越高，表明瀝青擴散能力越強，瀝青混合料的自愈合能力越強，反之自愈合能力越弱。本文以溫度和持續(xù)時間作為研究因子，探究其對瀝青毛細管自愈合性能的影響。

3.1 溫度對瀝青毛細管上升高度的影響

為了分析溫度對瀝青毛細管流動擴散的影響，將瀝青錐形瓶分別放置在50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃恒溫水浴下1.5 h，通過毛細玻璃管內(nèi)外瀝青柱的高度差評價瀝青在各溫度下的毛細管擴散作用強度。瀝青柱高度差與溫度的關系如圖5所示。

由圖5可知，瀝青柱高度差受溫度影響較大，其隨著溫度升高而逐漸增大，在各溫度下，基質(zhì)瀝青的高度差最大，SBS改性瀝青次之，橡膠改性瀝青最小。當瀝青混合料出現(xiàn)微細的疲勞裂縫，在一定的溫度下會出現(xiàn)裂縫自愈合的現(xiàn)象，且隨著溫度的適當升高，愈合效率會增大，這與瀝青在毛細玻璃管中的毛細管流動現(xiàn)象有一定程度的類似，因此可以基于瀝青的毛細管流動擴散能力探索瀝青及瀝青混合料的自愈合能力。

隨著溫度的升高，瀝青的流動性能增大，瀝青及瀝青混合料中的微細裂縫愈合速率將增大。瀝青材料的自愈合性能隨溫度升高而變強的特性有一定的適用范圍。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，瀝青柱高度差在增大，但是增長率卻有一定程度的降低，這說明溫度對瀝青毛細管擴散的影響有一定的界限。瀝青與毛細玻璃管的附著力與瀝青重力之間存在著平衡，當溫度繼續(xù)上升，瀝青的毛細管擴散作用力也不會增強。

圖5 三種瀝青柱高度差與溫度的關系對比柱狀圖

根據(jù)無定型聚合物材料的粘彈性譜圖，當溫度低于瀝青玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化點時，瀝青分子不具有運動能力，而隨著溫度上升，分子獲得一定的能量，會產(chǎn)生一定的短程運動，瀝青分子會擴散和重組，此時的瀝青因分子的重構與擴散作用獲得一定的自愈合能力。當溫度繼續(xù)升高，瀝青開始具有一定的流動性，瀝青混合料中較大的裂縫往往是在這個階段愈合，但是當溫度過高，瀝青的基本性能會有一定衰減，而且會造成瀝青混合料中集料、瀝青的位置發(fā)生重新組合，將破壞瀝青混合料的固有結(jié)構?；谝陨显砜梢越忉尙F(xiàn)實路面情況。例如，東北地區(qū)瀝青路面在冬季低溫的作用下，路面會產(chǎn)生較多的微裂紋，由于東北地區(qū)溫度較低，微裂縫往往得不到愈合；但是炎熱的廣西地區(qū)卻不同，廣西的瀝青路面在夏季高溫、車輛荷載的作用下，其微裂縫會得到一定程度的愈合。

3.2 時間對瀝青毛細管上升高度的影響

為了分析時間對瀝青毛細管流動擴散的影響，將瀝青錐形瓶在70 ℃恒溫水浴下分別放置0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h，瀝青柱高度差與時間的關系如圖6所示。

圖6 70 ℃下三種瀝青柱高度差與時間的關系對比柱狀圖

由圖6可知，在一定溫度條件下，持續(xù)時間越長，瀝青柱的高度差逐漸增大，瀝青材料的毛細管作用越明顯，瀝青材料的自愈合效果越好；在相同的持續(xù)時間里，毛細管上升高度排序為基質(zhì)瀝青>SBS改性瀝青>橡膠改性瀝青，表明同等溫度和持續(xù)時間里，基質(zhì)瀝青的自愈合性能最佳，SBS改性瀝青次之，橡膠改性瀝青最差，這與自愈合時間對瀝青材料自愈合特性的影響結(jié)果相吻合，這進一步說明了毛細管理論分析瀝青及瀝青混合料自愈合現(xiàn)象的可行性。

4 結(jié)語

通過上述研究，可以得出以下主要結(jié)論：

(1)毛細管流動擴散理論及瀝青毛細管試驗能夠較好地表征和反映瀝青材料的自愈合特征，能夠為研究分析瀝青材料的自愈合性能提供理論支撐。

(2)瀝青柱高度差受溫度影響較大，其隨著溫度升高而逐漸增大，瀝青及瀝青混合料中的微細裂縫愈合速率將增大。在不同試驗溫度條件下，基質(zhì)瀝青的瀝青柱高度差最大，SBS改性瀝青次之，橡膠改性瀝青最小。由于瀝青與毛細玻璃管的附著力與瀝青重力之間存在著平衡，溫度對瀝青毛細管擴散的影響有一定的界限，當達到一定溫度后即使繼續(xù)升高溫度，瀝青的毛細管擴散作用力也不會明顯增強，瀝青材料的自愈合性能變化不大。

(3)在一定溫度條件下，持續(xù)時間越長，瀝青柱的高度差逐漸增大，瀝青材料的毛細管作用越明顯，瀝青材料的自愈合效果越好。在相同的持續(xù)時間里，毛細管上升高度由大到小排序為基質(zhì)瀝青>SBS改性瀝青>橡膠改性瀝青，表明在同等溫度和持續(xù)時間里，基質(zhì)瀝青的自愈合性能最佳，SBS改性瀝青次之，橡膠改性瀝青最差。