崔亞楠， 郭 靖， 馮 蕾， 孫廣寧

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 2.內(nèi)蒙古綜合交通科學(xué)研究院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

瀝青路面在長期使用過程中，由于受溫度、光照以及重載交通的影響，力學(xué)性能不斷下降，道路表面出現(xiàn)開裂、唧漿、松散、脫落等各種病害現(xiàn)象，最終影響瀝青路面的壽命.目前，國內(nèi)外學(xué)者就瀝青和瀝青混合料的自愈合特性進(jìn)行了較多的試驗(yàn)研究，主要集中于瀝青及瀝青混合料自愈合特點(diǎn)、自愈合表征及增強(qiáng)技術(shù)等方面，較少從細(xì)微觀角度對多因素影響下的瀝青混合料損傷自愈合性能進(jìn)行研究，現(xiàn)有研究結(jié)果不能全面解釋瀝青混合料自愈合機(jī)制.Kim等[1]研究了瀝青含量對混合料自愈合性能的影響，得出低瀝青含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.1%)混合料比高瀝青含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.2%)混合料具有更快的愈合速率.王昊鵬等[2]通過四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)得出，養(yǎng)護(hù)溫度越高，愈合時(shí)間越長，瀝青混合料愈合效果越好的結(jié)論.黃衛(wèi)東等[3]在對應(yīng)的設(shè)計(jì)空隙率下，共選取了11種瀝青混合料，通過四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)進(jìn)行了未考慮自愈合作用和考慮自愈合作用的瀝青混合料疲勞性能對比試驗(yàn)研究.苑苗苗[4]在研究瀝青混合料的疲勞特性時(shí)結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)方法，得出了瀝青混合料變形開裂特性與裂縫演變過程.為了更加準(zhǔn)確地研究瀝青混合料損傷自愈合的試驗(yàn)方法和評價(jià)指標(biāo)的可靠性，有必要采用宏觀力學(xué)和微觀力學(xué)相結(jié)合的試驗(yàn)方法，在瀝青混合料自愈合試驗(yàn)中考慮各種影響因素的綜合作用.

本文共選取3種瀝青混合料，在不同的損傷程度、老化程度、愈合時(shí)間和愈合溫度條件下，進(jìn)行了瀝青混合料損傷自愈合性能對比研究，并通過數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)分析了老化程度對瀝青混合料自愈合性能的影響，進(jìn)而研究不同因素對瀝青混合料自愈合性能的作用機(jī)制.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)采用90#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和膠粉改性瀝青，其性能指標(biāo)如表1所示；集料為內(nèi)蒙古的卓資山玄武巖碎石，分為0～5mm，5～10mm和 10～20mm 3檔規(guī)格；礦粉為內(nèi)蒙古毫沁營礦粉廠的石灰石礦粉.上述3種瀝青混合料均采用AC-16型級配設(shè)計(jì).

表1 3種瀝青的基本性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)

1.2.1瀝青混合料半圓彎拉試驗(yàn)

半圓試件的厚度為25mm，齊邊長度為100mm，在試件底部中間位置設(shè)置深度為 10mm，寬度為 2mm 的預(yù)制切口，如圖1所示.瀝青混合料半圓彎拉試驗(yàn)采用UTM-100加載設(shè)備，以控制加載位移的方式進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為15℃，施加荷載速率為0.1mm/s，達(dá)到目標(biāo)損傷豎向位移后以50mm/min的速率迅速卸載[5].彎曲試驗(yàn)完成后，將損傷的試件靜置于環(huán)境箱中在規(guī)定溫度和規(guī)定時(shí)間下愈合，然后將半圓試件冷卻至試驗(yàn)溫度15℃，再進(jìn)行半圓彎拉試驗(yàn)直至試件破壞.瀝青混合料半圓彎拉試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法(見表2)，同一條件下安排3次平行試驗(yàn)，去除誤差大于20%的意外破壞試件，保證最終獲取誤差最小的2組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較.

圖1 半圓試件Fig.1 Semicircular specimen(size:mm)

Sedwick[6]研究認(rèn)為材料的斷裂能密度(fracture energy density， FED)不會受試驗(yàn)方式或試件尺寸的影響；斷裂能密度越大，產(chǎn)生破壞所需要的能量越大，材料性能就越好.斷裂能密度是指材料開裂時(shí)單位體積所產(chǎn)生的能量，即從開始加載至達(dá)到峰值荷載之前荷載-位移曲線下的面積(見圖2陰影部分).斷裂能密度值可通過積分計(jì)算得到.

圖2 FED示意圖Fig.2 Calculation diagram of FED

采用斷裂能密度自愈合指標(biāo)HIFED來表征瀝青混合料自愈合性能.HIFED越大表明瀝青混合料自愈合效果越好，當(dāng)自愈合指標(biāo)HIFED為1時(shí)，表明瀝青混合料的性能完全恢復(fù).自愈合指標(biāo)HIFED定義為愈合后試件的斷裂能密度與愈合前試件的斷裂能密度的比值，具體計(jì)算公式如下：

(1)

式中：FEDOriginal為未經(jīng)損傷處理的瀝青混合料試件進(jìn)行半圓彎拉試驗(yàn)后獲得的斷裂能密度；FEDHealed為做過損傷處理的試件經(jīng)一定條件愈合后進(jìn)行半圓彎拉試驗(yàn)獲得的斷裂能密度.

1.2.2數(shù)字散斑技術(shù)

采用數(shù)字散斑試驗(yàn)研究老化程度(未老化、短期老化和長期老化)對瀝青混合料自愈合性能的影響.

加載設(shè)備為WDW-10型萬能試驗(yàn)機(jī).試驗(yàn)以控制加載位移的方式進(jìn)行，加載速率為0.1mm/min，持續(xù)加載，直至目標(biāo)損傷的豎向位移為2.6mm，然后以同樣速率卸載，直至外部荷載為0.試驗(yàn)開始后，加載系統(tǒng)與VIC-3D圖像采集系統(tǒng)同時(shí)工作，整個(gè)試驗(yàn)過程分為加載階段、卸載階段和愈合階段.

表2 正交試驗(yàn)的因素及水平

2 瀝青混合料損傷愈合性能分析

2.1 瀝青混合料半圓彎拉試驗(yàn)

如表2所示，試驗(yàn)考慮5個(gè)影響因素，每個(gè)影響因素取3個(gè)水平，各影響因素之間不存在交互作用.當(dāng)采用瀝青混合料半圓試件的FED作為損傷愈合的評價(jià)指標(biāo)時(shí)，各因素條件下的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示.為了消除重復(fù)水平試驗(yàn)中的誤差，在表3中設(shè)置了2個(gè)誤差空列(F,G).試驗(yàn)采用極差分析法對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析.通過正交試驗(yàn)得到在不同水平下各影響因素的HIFED值，試驗(yàn)結(jié)果與極差分析見表3.其中Ki(i=1,2,3)為因素水平為i時(shí)自愈合指標(biāo)HIFED值的總和；HIFEDi(i=1,2,3)為Ki的平均值；R表示極差.

由表3中的R值可知，豎向位移(損傷程度)的極差值最大，說明損傷程度對瀝青混合料斷裂能密度的恢復(fù)程度影響最顯著，其他4種因素對瀝青混凝土自愈合的影響程度由大到小依次為瀝青種類、老化程度、愈合溫度、愈合時(shí)間.

由表3中的HIFEDi值可知：(1)膠粉改性瀝青混合料的自愈合能力最好，其次為90#基質(zhì)瀝青混合料，最次為SBS改性瀝青混合料.這是由于膠粉改性瀝青中的橡膠粉具有溶脹吸附作用[7]，顆粒表面可形成瀝青質(zhì)凝膠膜，導(dǎo)致瀝青黏度增大，并且膠粉顆粒具有良好的彈性恢復(fù)能力.(2)隨豎向位移的增大(即損傷程度的加大)，瀝青混合料的自愈合能力急劇下降.當(dāng)豎向位移較小時(shí)，試件內(nèi)部出現(xiàn)微損傷，在溫度和時(shí)間的作用下發(fā)生愈合效應(yīng)；若瀝青混合料內(nèi)部存在宏觀損傷，則難以愈合.(3)瀝青混合料的老化程度越嚴(yán)重，其自愈合能力越差.對于90#基質(zhì)瀝青，老化過程中輕組分在高溫條件下?lián)]發(fā)，瀝青質(zhì)比例增加，流動性降低；對于改性瀝青，老化會令改性劑分子間結(jié)構(gòu)遭到破壞，改性劑對瀝青輕組分的吸附溶脹作用減弱，改性瀝青的流動性變差，瀝青變得硬脆[8].綜上得出，老化作用使瀝青的流動性變差，導(dǎo)致混合料的自愈合能力下降.(4)愈合溫度越高、愈合時(shí)間越長，對瀝青混合料的自愈合越有利.當(dāng)愈合溫度超過40℃時(shí)，瀝青混合料自愈合指標(biāo)迅速增大，即愈合速度更快，此情況與瀝青的流變特性相符.愈合時(shí)間小于8h時(shí)，瀝青混合料自愈合指標(biāo)隨時(shí)間延長迅速增大；當(dāng)愈合時(shí)間較長時(shí)(>8h)，瀝青混合料自愈合能力隨時(shí)間的延長而逐漸變低，說明時(shí)間達(dá)到一定值時(shí)，延長愈合時(shí)間并不能提高混合料的恢復(fù)能力.

2.2 數(shù)字散斑試驗(yàn)

熱老化作用對瀝青混合料的損傷及愈合過程均有一定程度的影響.通過數(shù)字散斑技術(shù)，進(jìn)行不同老化程度的基質(zhì)瀝青混合料損傷自愈合性能研究，觀察試件開始加載—目標(biāo)損傷—愈合的全過程.在每個(gè)試件主裂縫的起裂點(diǎn)左右兩側(cè)各取1組點(diǎn)，用這些對應(yīng)點(diǎn)的水平位移差ΔU=UR-UL(UR，UL分別代表起裂點(diǎn)左右兩側(cè)的水平位移)表示該處的裂縫寬度.圖3為未經(jīng)老化、短期老化及長期老化后基質(zhì)瀝青混合料試件的ΔU隨時(shí)間的變化曲線.其中階段Ⅰ表示加載開始到目標(biāo)損傷的加載階段；階段Ⅱ?yàn)槟繕?biāo)損傷完成后進(jìn)行的卸載階段；階段Ⅲ為在 55℃ 下自愈合120min的愈合階段.

表3 試驗(yàn)結(jié)果與極差分析

圖3 老化程度不同的基質(zhì)瀝青混合料水平位 移差隨時(shí)間的變化Fig.3 Change of ΔU vs time of asphalt mixture with different aging degrees

由圖3可以看出：在荷載施加的初期，ΔU穩(wěn)定上升，此時(shí)ΔU值較小且增長緩慢，此階段由于起裂點(diǎn)處還沒有形成宏觀裂縫，瀝青混合料還具有一定的持荷能力；繼續(xù)加載，在某一時(shí)刻ΔU突然增大，表明此時(shí)有裂縫產(chǎn)生，對比3條ΔU-t曲線發(fā)現(xiàn)，經(jīng)老化后的試件ΔU突變時(shí)刻早于未經(jīng)老化的試件，且老化越嚴(yán)重，ΔU突變越早，說明瀝青混合料經(jīng)溫度老化后開裂時(shí)間提前，其持荷能力與抗開裂能力均降低；經(jīng)老化后的試件ΔU增長速度大于未經(jīng)老化的試件，在達(dá)到目標(biāo)損傷位移2.6mm時(shí)，老化后的試件產(chǎn)生的裂縫較大，說明老化后試件的抗變形能力下降，瀝青混合料變得硬脆.由圖3中的階段Ⅱ曲線可以看出，卸載時(shí)的ΔU逐漸變小，裂縫寬度減小.由圖3中的階段Ⅲ曲線可以看出：未老化試件與短期老化試件的ΔU隨愈合時(shí)間延長逐漸變小，說明愈合過程中這2種試件的裂縫寬度仍在不斷減小，但速度較為緩慢；長期老化試件在愈合開始的 15min 后ΔU隨時(shí)間逐漸增大，說明試件裂縫寬度在逐漸變大；對比愈合階段的3條曲線可以發(fā)現(xiàn)，未老化試件裂縫寬度減小的速度略高于短期老化試件，長期老化試件在愈合過程中變形并沒有恢復(fù)，反而由于自身的重力作用造成裂縫寬度緩慢增大，這是由于瀝青長期老化后流動性變差，瀝青間的黏聚作用以及瀝青與骨料間的黏附作用減弱，導(dǎo)致瀝青混合料的變形恢復(fù)能力下降[9].

3 結(jié)論

(1)在5個(gè)影響因素中，損傷程度對瀝青混合料的自愈合性能影響最大，然后依次為瀝青種類、老化程度、愈合溫度和愈合時(shí)間.隨著損傷程度的不斷加大，瀝青混合料自愈合性能隨之下降，當(dāng)豎向位移由2.6mm增加到3.2mm時(shí)，其自愈合指標(biāo)下降了19.34%.

(2)3種瀝青混合料中，膠粉改性瀝青混合料的自愈合效果最好，其次為90#基質(zhì)瀝青混合料，最次為SBS瀝青混合料；當(dāng)愈合溫度為55℃時(shí)，瀝青混合料的自愈合能力最強(qiáng)，這一現(xiàn)象與瀝青的流變特性有關(guān).當(dāng)愈合時(shí)間小于8h時(shí)，瀝青混合料自愈合速度較快；當(dāng)愈合時(shí)間大于8h時(shí)，瀝青混合料自愈合速度減緩，說明過長的自愈合時(shí)間并不能有效提升瀝青混合料自愈合性能.

(3)當(dāng)采用裂縫兩側(cè)點(diǎn)的水平位移差ΔU分析不同老化程度的基質(zhì)瀝青混合料損傷自愈合性能時(shí)發(fā)現(xiàn)：在損傷階段，瀝青混合料經(jīng)老化后流動性能變差，抗裂性能降低；在愈合階段，未老化試件自愈合能力略高于短期老化試件，而長期老化試件由于裂縫較大，較難愈合.