黃衛(wèi)東，周 璐，呂 泉，關(guān)維陽

（1. 同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804；2. 中國建筑第八工程局有限公司，上海200135）

隨著道路服役時(shí)長以及交通量的增長，路面損害會(huì)頻繁產(chǎn)生。對于瀝青路面來說，剝落、麻面與飛散等主要病害會(huì)降低路面結(jié)構(gòu)的使用壽命，增加路面維修、養(yǎng)護(hù)成本［1］。產(chǎn)生以上路面病害的主要原因在于老化、水損害等因素引發(fā)的路面瀝青的黏附失效。研究發(fā)現(xiàn)，若給予一定的間歇期與合適的溫度，黏附失效的瀝青?集料會(huì)重新產(chǎn)生黏附，表現(xiàn)出自愈合特性，使得已產(chǎn)生微裂縫或宏觀破壞的瀝青混合料在一定程度上愈合空隙、重新形成強(qiáng)度，及時(shí)避免或延遲裂紋的發(fā)展，延長材料的疲勞壽命［2-3］。鑒于自愈合性能是瀝青材料的固有性能之一，在對瀝青路面的長期黏結(jié)性能進(jìn)行評價(jià)時(shí)，將黏附與自愈合性能納入考慮范圍內(nèi)能夠更貼合實(shí)際路面的使用情況。探究瀝青混合料自愈合的形成機(jī)理和影響因素，找到合適的方法提升瀝青混合料的自愈能力，對抵抗瀝青混合料的疲勞開裂，延長瀝青路面的服役壽命具有至關(guān)重要的意義。

目前對瀝青及混合料的自愈合性能研究主要通過以下兩類實(shí)驗(yàn)：一是基于疲勞的自愈合實(shí)驗(yàn)，包括動(dòng)態(tài)剪切流變（dynamic shear rheological，DSR）瀝青疲勞實(shí)驗(yàn)、兩點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)、四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)（fourpoint bending test，4PB）、間接拉伸實(shí)驗(yàn)等［4-6］；二是基于斷裂破壞的自愈合實(shí)驗(yàn)，包括半圓彎拉實(shí)驗(yàn)、基于DSR 實(shí)驗(yàn)儀的兩板法愈合實(shí)驗(yàn)等［5-7］。以上兩類實(shí)驗(yàn)均是對試件施加荷載，至試件發(fā)生損傷之后，給予其一定的時(shí)間與溫度進(jìn)行愈合，然后再次對試件進(jìn)行加載，以兩次加載后的試件響應(yīng)對比為指標(biāo)對其自愈合性能進(jìn)行評價(jià)。在現(xiàn)有針對瀝青材料的自愈合研究中，大部分是基于疲勞破壞的自愈合實(shí)驗(yàn)（DSR疲勞實(shí)驗(yàn)、4PB瀝青混合料疲勞實(shí)驗(yàn)），不僅所用儀器較昂貴，實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間較長，數(shù)據(jù)分析也較為復(fù)雜。近年來，一種新型的用于評價(jià)瀝青黏附性能的實(shí)驗(yàn)——拉拔實(shí)驗(yàn)，在瀝青材料研究領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。拉拔實(shí)驗(yàn)是瀝青黏結(jié)性實(shí)驗(yàn)（bitumen bond strength test，BBS實(shí)驗(yàn)）中的一種實(shí)驗(yàn)方法，早期發(fā)展于涂層行業(yè)［8］，最初被用來評價(jià)一些剛性基座表面涂層的黏結(jié)強(qiáng)度，近些年開始在瀝青行業(yè)內(nèi)逐漸得到越來越多的應(yīng)用［9］。Johannes［10］利用拉拔實(shí)驗(yàn)開展了關(guān)于瀝青材料黏結(jié)性能的測試，以黏結(jié)強(qiáng)度為指標(biāo)評價(jià)了碎石封層中瀝青的抗水損害性能。Copeland等［11］通過拉拔實(shí)驗(yàn)探究了老化對瀝青黏附性能的影響，并將拉拔實(shí)驗(yàn)結(jié)果與漢堡車轍實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了關(guān)聯(lián)。Hoki 等［12］探究了拉拔實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)參數(shù)對結(jié)果的影響，包括瀝青膜厚度、浸水養(yǎng)護(hù)時(shí)間的影響。拉拔實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟诙虝r(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確測量瀝青與石板的黏結(jié)強(qiáng)度，較好地反映瀝青混合料中瀝青與石料的黏結(jié)程度。

本文利用拉拔實(shí)驗(yàn)，對4 類具有代表性的改性劑（苯乙烯?丁二烯?苯乙烯嵌段共聚物（SBS）、膠粉、高 密 度 聚 乙 烯（high-density polyethylene，HDPE）以及巖瀝青）進(jìn)行研究，探究不同摻量的改性劑對基質(zhì)瀝青黏附性能與自愈合性能的影響。并通過4PB疲勞?愈合實(shí)驗(yàn)，從瀝青混合料層面評價(jià)不同瀝青的自愈合性能。通過拉拔實(shí)驗(yàn)結(jié)果與4PB疲勞?愈合實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性分析，驗(yàn)證拉拔實(shí)驗(yàn)在評價(jià)瀝青自愈合性能的準(zhǔn)確性，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合考慮黏附性能與自愈合性能，給出了以上改性劑在瀝青中的推薦摻量。

1 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為ESSO 70#基質(zhì)瀝青與5 種改性瀝青，包括SBS 改性瀝青、普通橡膠瀝青、terminal blend 溶解性膠粉改性瀝青（TB 膠粉瀝青）、HDPE改性瀝青與巖瀝青改性瀝青。所有改性瀝青的基質(zhì)瀝青均為ESSO 70#基質(zhì)瀝青，改性劑摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）除了橡膠粉與TB 膠粉為內(nèi)摻以外，其余均為外摻。所用瀝青與其詳細(xì)配比及制備方法見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)所用瀝青及其制備方法Tab.1 Summary of selected asphalt and preparation method

需要說明的是，傳統(tǒng)橡膠瀝青與TB瀝青雖均屬于橡膠瀝青的范圍，但二者的制備工藝與外觀（如圖1 所示）均有所不同。本文中的普通橡膠瀝青由30目的橡膠顆粒制成，其表面有明顯的橡膠顆粒凸起（如圖1b 所示），由于膠粉顆粒與瀝青不相容，會(huì)導(dǎo)致貯存穩(wěn)定性差與黏度高的問題，影響橡膠瀝青混合料的路用性能。而TB 膠粉瀝青在制備時(shí)選用粒徑更小的膠粉顆粒（本文中為100 目），采用了高溫脫硫、高速剪切技術(shù)，明顯改善了貯存穩(wěn)定性，降低了瀝青黏度，其外觀無橡膠瀝青的顆粒狀（如圖1a所示），是一種具有廣泛應(yīng)用前景的改良型橡膠類改性瀝青。

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)與方法

1.2.1 拉拔實(shí)驗(yàn)

拉拔實(shí)驗(yàn)是AASHTO TP—91［13］規(guī)范中用于評價(jià)瀝青黏結(jié)性能的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。具體操作步驟如下：在試件成型的準(zhǔn)備階段，將瀝青、經(jīng)過清洗的拔頭和玄武巖石板放入150 ℃烘箱中（若為改性瀝青，則溫度為170 ℃）加熱1 h，使得瀝青具有充分的流動(dòng)性，同時(shí)能夠讓石板內(nèi)部孔隙中的水分完全蒸發(fā)。加熱后，在石板上放置硅膠圈，并在其中心處均勻滴下直徑為0.8 cm左右的瀝青（圖2a），將加熱好的拔頭放置其上（圖2b），并在拔頭上擱置3塊質(zhì)量、體積相同的石板（圖2c），提供一定壓力使拔頭底部瀝青流淌均勻。實(shí)驗(yàn)中所用拔頭底部直徑為20 mm，環(huán)刻有0.2 mm高的開口凹槽，以便使多余瀝青溢流出來［10］，形成0.2 mm 厚的瀝青膜。而對于橡膠瀝青，由于橡膠顆粒的存在，因此選用了0.8 mm 的拔頭。在25 ℃恒溫箱中養(yǎng)護(hù)4 h 待強(qiáng)度形成后，取下壓重石板與硅膠圈（圖2d）。為了使試件的拉拔破壞形式為瀝青?石板間的黏附破壞（而非瀝青內(nèi)部的內(nèi)聚破壞），將試件置于40 ℃的水浴箱中24 h。水浴結(jié)束后，將試件放入25 ℃恒溫箱中降溫10 min，隨后可進(jìn)行拉拔測試。本文中拉拔實(shí)驗(yàn)所采用的拉拔儀器為美國DeFelsko PosiTest AT?A 全自動(dòng)數(shù)字顯示拉拔式附著力測試儀（圖2e），該儀器內(nèi)部的壓力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，精度可達(dá)±1%（滿量程），同時(shí)，高等級工業(yè)壓力傳感器能夠保證持續(xù)的實(shí)驗(yàn)精度。實(shí)驗(yàn)中，拉拔速率按AASHTO TP—91［13］規(guī)范中要求選定為0.7 MPa?s-1。

為了評價(jià)瀝青的黏附與自愈合性能，在進(jìn)行第1次拉拔實(shí)驗(yàn)之前，用記號(hào)筆標(biāo)記每個(gè)拔頭的位置（圖2f）。拉拔實(shí)驗(yàn)在25 ℃條件下進(jìn)行，第1 次拉拔后，記錄拉拔強(qiáng)度（pull-off tensile strength，POTS），按照標(biāo)記將拔頭原位放回，并在拔頭上壓蓋3 塊石板以施加恒力，置于40 ℃恒溫箱中養(yǎng)生12 h（一輪愈合）后，再次進(jìn)行拉拔實(shí)驗(yàn)并記錄愈合后的拉拔強(qiáng)度。愈合溫度及時(shí)長的確定依據(jù)如下：對于瀝青路面，在晴天狀態(tài)下，路面溫度可達(dá)40～60 ℃，這為已產(chǎn)生裂縫或受到損傷的瀝青?集料提供了合適的愈合條件；在瀝青拉拔實(shí)驗(yàn)中，為了模擬實(shí)際瀝青路面的狀況，愈合溫度也應(yīng)在此范圍內(nèi)。由于橡膠瀝青試件的瀝青膜厚為0.8 mm，若采用較高溫度進(jìn)行愈合養(yǎng)護(hù)，則其有可能產(chǎn)生塌陷流動(dòng)，導(dǎo)致瀝青膜厚發(fā)生變化，造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不準(zhǔn)確，因此選取40 ℃作為愈合溫度。瀝青?石板總共進(jìn)行1次初始拉拔與5次愈合?再次拉拔循環(huán)，若每一輪的愈合時(shí)長過久，則實(shí)驗(yàn)會(huì)耗費(fèi)較長時(shí)間。綜上，本文選取“在40 ℃恒溫箱中養(yǎng)生12 h”作為愈合條件。此外，需要說明的是，愈合后的試件在測試前也需要在25 ℃恒溫箱中放置10 min，以確保愈合后的拉拔測試條件相同。

以每次愈合后的拉拔強(qiáng)度與初始拉拔強(qiáng)度的比值作為每輪循環(huán)中瀝青的黏附愈合率（healing ratio ，HR）。

式中：RHi為第i 輪愈合后的愈合率；ppi為第i 輪愈合后的拉拔強(qiáng)度，MPa；pp為初始拉拔強(qiáng)度，MPa。

1.2.2 4PB疲勞?愈合實(shí)驗(yàn)

四點(diǎn)小梁彎曲疲勞（4PB）實(shí)驗(yàn)用于評價(jià)瀝青混合料的疲勞性能。本文選用基質(zhì)瀝青與典型摻量下的改性瀝青（4.5%SBS改性瀝青、15.0%TB膠粉瀝青、24.0%巖瀝青改性瀝青、8.0%HDPE 改性瀝青與18.0%橡膠瀝青）；采用Controls 公司生產(chǎn)的Pavelab 77?PV41A02 型標(biāo)準(zhǔn)板壓成型機(jī)制備瀝青混合料車轍板試件，并切割成尺寸為380.0 mm×63.5 mm×50.0 mm 的四點(diǎn)小梁試件，利用4PB 疲勞?愈合實(shí)驗(yàn)評價(jià)瀝青混合料的疲勞自愈合性能。

文中混合料中所用集料為玄武巖石料，礦粉為石灰?guī)r礦粉。為對比不同改性瀝青混合料的疲勞自愈合性能，除橡膠瀝青外，本研究所有混合料均選用相同級配（AC?13），油石比（質(zhì)量比）統(tǒng)一采用5.0%；對于橡膠瀝青的適用級配，我國目前還沒有相關(guān)的規(guī)范，在國內(nèi)橡膠瀝青的實(shí)驗(yàn)研究中使用較多的是美國規(guī)范［14］推薦的橡膠瀝青混合料級配（本文簡稱ARAC?13），與我國SMA（stone matrix asphalt）級配類似，具有粗集料多、細(xì)集料少、骨架結(jié)構(gòu)、高礦料間隙率、高瀝青用量的特點(diǎn)。不同點(diǎn)是橡膠瀝青間斷級配中不加礦粉，并嚴(yán)格控制0.075 mm篩孔的通過率在3%以下，而對于0.075～2.36 mm之間的范圍不加以控制［15］。在本文的研究中選取級配中值作為橡膠瀝青的設(shè)計(jì)級配，油石比選用6.5%。

4PB實(shí)驗(yàn)中采用NfNM法作為判斷改性瀝青的疲勞破壞的標(biāo)準(zhǔn)［16-17］。實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃，加載頻率為10 Hz，應(yīng)變?yōu)? 000×10-6。為了研究改性瀝青混合料的自愈合特性，在疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對小梁試件進(jìn)行愈合養(yǎng)生，將試件在50 ℃條件下平置養(yǎng)護(hù)4 h后，在25 ℃條件下靜置24 h。愈合養(yǎng)護(hù)過后，再次進(jìn)行疲勞測試。將兩次疲勞實(shí)驗(yàn)的疲勞壽命結(jié)果的比值作為評價(jià)瀝青混合料疲勞自愈合性能的指標(biāo)，如式（2）所示。

式中：R4PB為瀝青混合料的愈合率，%；Nf1為愈合后的疲勞壽命；Nf2為初次實(shí)驗(yàn)的疲勞壽命。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 拉拔實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用拉拔實(shí)驗(yàn)對不同改性劑及其摻量對瀝青黏附性能與自愈合性能的影響進(jìn)行了研究，初次拉拔破壞后的愈合?再次拉拔循環(huán)次數(shù)為5 次，即1 次初次拉拔后，進(jìn)行5次愈合?再拉拔實(shí)驗(yàn)。圖3～6為基質(zhì)瀝青與不同摻量的改性瀝青實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了使圖表簡潔便于分析，本文只將第1次與第5次的愈合率繪制于圖中。此外，本文中拉拔實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變異系數(shù)均小于15.0%，圖中省略了誤差棒的繪制。

2.1.1 SBS改性劑對瀝青黏附與自愈合性能的影響

瀝青的黏附與自愈合性能隨線型SBS改性劑摻量的變化如圖3所示。

圖3 不同摻量線型SBS對瀝青黏附與自愈合性能的影響Fig.3 Effect of linear SBS of different dosages on asphalt adhesive and self-healing properties

圖3顯示了不同摻量線型SBS改性劑對瀝青黏附與自愈合性能的影響。總體看來，線型SBS 改性瀝青的拉拔強(qiáng)度值與愈合率均低于基質(zhì)瀝青。這說明SBS 雖然能夠提高瀝青的彈性性能，改善其模量及內(nèi)聚性能，但SBS 改性瀝青的黏附強(qiáng)度則低于普通基質(zhì)瀝青。根據(jù)瀝青黏附理論中的“機(jī)械錨固機(jī)理”，瀝青在熱流動(dòng)狀態(tài)下與集料混合時(shí)，瀝青會(huì)覆蓋集料表面，并進(jìn)入到集料表面的微小孔隙中，當(dāng)瀝青冷卻后，其在集料孔隙中形成了“錨固”，因此提供了瀝青?集料間的黏附強(qiáng)度。對于SBS 改性瀝青來說，相比于基質(zhì)瀝青，其分子結(jié)構(gòu)體積較大，不易被石板表面微小孔隙所吸附，部分已經(jīng)溶脹的SBS 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)甚至?xí)璧K基質(zhì)瀝青與石板表面的黏附。此外，由于SBS改性劑本身并沒有黏附能力，因此未完全溶脹的SBS 也無法對瀝青?石板間的黏附做出貢獻(xiàn)。綜上，SBS改性劑不利于提高瀝青的黏附性能。

從愈合性能角度分析，瀝青的愈合過程包括“流動(dòng)?浸潤?強(qiáng)度恢復(fù)”，而SBS改性劑的加入顯著提高了瀝青的黏度，降低了瀝青的流動(dòng)性能，使得SBS改性瀝青的流動(dòng)愈合受阻；與基質(zhì)瀝青相比，體現(xiàn)出較差的自愈合性能。綜合考慮瀝青的黏附性能與愈合性能，可以看出，3.0%～4.5%為SBS改性劑的最佳摻量。

此外，第5 次愈合率與第1 次愈合率相比，下降了約1 倍，說明多次的破壞?愈合循環(huán)會(huì)顯著降低瀝青?石料抵抗外界荷載的能力，但當(dāng)在合適的溫度下受到一定的愈合壓力后，仍能有部分黏附強(qiáng)度得到恢復(fù)。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青?集料之間黏附強(qiáng)度的愈合率在不斷下降，但下降趨勢也在逐漸變緩?？傮w來看，SBS 改性瀝青在經(jīng)過5 次反復(fù)破壞后仍保留有至少20%的黏附與愈合行為。

2.1.2 橡膠顆粒與TB膠粉對瀝青黏附與自愈合性能的影響

普通膠粉與TB 膠粉對瀝青黏附與自愈合性能的影響如圖4 所示。從圖4 可以看出，橡膠瀝青的黏附性能相對于基質(zhì)瀝青有明顯下降，且黏附強(qiáng)度隨著膠粉摻量的增加而逐漸下降，這是由于橡膠顆粒與石板之間并無黏附，且橡膠顆粒會(huì)占據(jù)部分本該由瀝青進(jìn)行黏附的面積，使得總體的有效黏附面積下降，因而導(dǎo)致黏附強(qiáng)度的降低。

TB 膠粉的摻入同樣會(huì)造成瀝青黏附性能的降低，且其黏附強(qiáng)度與自愈合率均隨TB膠粉摻量的增加而先上升后下降。TB 膠粉摻量導(dǎo)致的黏附性能變化的原因在于：TB 膠粉瀝青是在高溫（≥220 ℃）中經(jīng)過脫硫得到，在熱解過程中，橡膠顆粒變小，分子間相互作用（范德華力）減小。隨著摻量的增加，橡膠分子的某些部分通過化學(xué)交聯(lián)或物理糾纏連接起來，形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。TB橡膠瀝青的Lewis酸性成分也增加，從而在一定程度上提高了瀝青的黏附強(qiáng)度和表面能。然而，當(dāng)TB 膠粉摻量過高時(shí)，瀝青的模量降低明顯，其黏附強(qiáng)度顯著下降。由于特殊的高溫脫硫制備方式，TB 膠粉瀝青的黏度較小，流動(dòng)性佳，這也解釋了為何在多次反復(fù)破壞后，TB膠粉瀝青仍具有較好的愈合性能。綜合考慮黏附性能與自愈合性能，10.0%～15.0%為TB膠粉瀝青中的膠粉的最佳摻量。

圖4 不同摻量橡膠顆粒與TB膠粉對瀝青黏附與自愈合性能的影響Fig.4 Effects of crumb rubber and TB rubber powder of different dosages on asphalt adhesive and self-healing properties

從橡膠瀝青與TB膠粉改性瀝青對比來看，兩種改性劑對瀝青的黏附強(qiáng)度均有不利影響。值得注意的是，盡管橡膠瀝青中橡膠顆粒尺寸較大，但二者相比，TB膠粉改性瀝青的黏附性能與自愈合性能卻更低。這一現(xiàn)象可能的原因是，由于生產(chǎn)工藝與粒徑大小的影響，橡膠瀝青中的橡膠顆粒無法均勻分散在瀝青中，而TB 膠粉由于已經(jīng)被加工成很細(xì)的粉狀，更容易在瀝青中分散均勻。

因此，對于TB膠粉瀝青來說，在瀝青?集料的接觸面上，有更多的膠粉顆粒與部分炭灰對二者的黏附性能造成不良影響，降低了黏附強(qiáng)度。另外，由于TB膠粉瀝青是通過高溫脫硫的方式制得，其模量較小，瀝青整體偏“軟”，即使在愈合的過程中能夠更為自由地流動(dòng)，但重新產(chǎn)生的黏附強(qiáng)度并不大。因此相比較于模量較高的橡膠瀝青，TB膠粉改性瀝青的整體愈合率較低。

2.1.3 HDPE改性劑對瀝青黏附與自愈合性能的影響

瀝青的黏附與自愈合性能隨HDPE改性劑摻量的變化如圖5所示。從圖5可以看出，HDPE的加入首先會(huì)使得基質(zhì)瀝青的黏附性能下降，但隨著摻量從2.0%增加至8.0%，瀝青的黏附性能也會(huì)不斷增加。這是由于HDPE 的結(jié)晶度為85%～97%，隨著HDPE 摻量的增加，其在瀝青中的分子鏈折疊堆積逐漸緊密，分子鏈間相互作用力增強(qiáng)，瀝青的黏結(jié)性能得到改善。值得關(guān)注的是，HDPE 改性瀝青具有優(yōu)異的愈合性能，隨著摻量的增加而上升，在摻量為8.0%時(shí)，其拉拔愈合率甚至達(dá)到了97%，表明在破壞?愈合之后，其黏附強(qiáng)度幾乎完全恢復(fù)。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能在于，HDPE 改性劑不僅含有乙烯共聚物，還包含乙烯與少量烯烴的共聚物。這些聚合物的分子結(jié)構(gòu)簡單，所含支鏈非常少［18-19］，這種含有較少支鏈的長鏈結(jié)構(gòu)已被證實(shí)具有很好的流動(dòng)愈合性能［20-21］。而HDPE改性瀝青由于具有較好的流動(dòng)愈合能力，當(dāng)瀝青?石板界面產(chǎn)生裂縫后，若給予合適的愈合溫度，相比于其他種類的瀝青，其能夠在更短時(shí)間內(nèi)在裂縫表面移動(dòng)，從而彌合裂縫，恢復(fù)強(qiáng)度。因此，在相同的愈合時(shí)間下，HDPE改性瀝青整體表現(xiàn)出較強(qiáng)的愈合能力。此外，HDPE 改性劑的加入提高了瀝青的表面能，增強(qiáng)了瀝青在破壞?愈合后再次接觸石板時(shí)的浸潤能力與黏結(jié)力。綜上原因，HDPE改性劑能夠顯著提高瀝青的自愈合性能。

2.1.4 巖瀝青改性劑對瀝青黏附與自愈合性能的影響

瀝青的黏附與自愈合性能隨巖瀝青摻量的變化如圖6所示。

圖5 不同摻量HDPE對瀝青黏附與自愈合性能的影響Fig.5 Effect of HDPE of different dosages on the asphalt adhesive and self-healing properties

圖6 不同摻量巖瀝青對瀝青黏附與自愈合性能的影響Fig.6 Effect of gilsonite of different dosages on asphalt adhesive and self-healing properties

從圖6 可以看出，巖瀝青能夠顯著提高瀝青的黏附性能，在合適的摻量范圍內(nèi)（≤20.0%），瀝青的黏附強(qiáng)度隨摻量的增加而提升。這是由于巖瀝青中含有較多雜原子與氮元素，且氮元素都是以官能團(tuán)的形式存在，這能夠提高瀝青的極性與浸潤性，增強(qiáng)瀝青與石板接觸時(shí)的黏附性。在微觀層面上，由于巖瀝青與瀝青的成分相近，二者相容性優(yōu)，巖瀝青提高了瀝青的模量，巖瀝青在瀝青中會(huì)形成以巖瀝青大膠束分子為中心，普通瀝青小分子填充、包圍的新的瀝青膠體。這種膠體分子既有天然巖瀝青的硬度和耐磨性，同時(shí)也增強(qiáng)了滲入石板表面微小孔隙中形成的瀝青“錨固力”。然而，過高摻量（≥24.0%）的巖瀝青可能會(huì)導(dǎo)致瀝青的模量過大，瀝青變得較“脆”，試件在測試前若受到外界擾動(dòng)容易出現(xiàn)內(nèi)部裂紋損傷，因此24.0%巖瀝青改性瀝青的黏附性能有所下降。

此外，較低摻量（≤12.0%）的巖瀝青能夠改善瀝青的愈合性能。但是過量（＞20.0%）的巖瀝青會(huì)對瀝青的自愈合性能造成明顯削弱。這是由于當(dāng)巖瀝青摻量較低（≤12.0%）時(shí)，其具有較好的黏附與自愈合性能，這是由于此時(shí)巖瀝青含量適中，在本文的愈合溫度（40 ℃）下，瀝青仍然有一定的流動(dòng)性，能夠在拉拔破壞后，與石板表面重新產(chǎn)生黏附。且由于巖瀝青改性瀝青的浸潤性較強(qiáng)，再次與石板的黏結(jié)仍能夠產(chǎn)生較高的黏附強(qiáng)度。而當(dāng)巖瀝青摻量過高時(shí)（＞20.0%），此時(shí)瀝青的模量顯著上升，流動(dòng)性大大降低，導(dǎo)致雖然給予較高的愈合溫度與較長的愈合時(shí)間（40 ℃，12 h），瀝青仍不能發(fā)生明顯的流動(dòng)，無法與石板重新產(chǎn)生有效的黏附。因此，對于巖瀝青改性瀝青來說，巖瀝青提升了瀝青的浸潤性與黏附性，但同時(shí)也會(huì)降低并限制瀝青的流動(dòng)性，阻礙瀝青流動(dòng)愈合的發(fā)生，這一雙面影響相互博弈，隨著巖瀝青摻量的高低而呈現(xiàn)出不同的愈合效果。

2.2 4PB疲勞愈合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

選取了基質(zhì)瀝青與5種具有代表性摻量的改性瀝青，包括4.5%SBS 改性瀝青、18.0% 橡膠瀝青、15.0%TB 膠粉改性瀝青、24.0%巖瀝青改性瀝青以及8.0%HDPE改性瀝青，對這6種瀝青混合料的小梁試件進(jìn)行4PB 疲勞?愈合實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 4PB疲勞?愈合實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of 4PB fatigue-healing test

4PB 疲勞?愈合實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，8.0%HDPE 改性瀝青與18.0%橡膠瀝青具有良好的疲勞愈合性能。對于HDPE 改性瀝青來說，其愈合性能主要來源于其所含的較少支鏈的長鏈結(jié)構(gòu)帶來的優(yōu)異愈合流動(dòng)性，這為瀝青彌合混合料中的微小裂縫提供了良好基礎(chǔ)。而對于橡膠瀝青來說，愈合性能可能主要體現(xiàn)在其彈性性能的恢復(fù)上。橡膠瀝青中橡膠顆粒的存在為混合料提供了更強(qiáng)的彈性變形的能力，因此能吸收更多外力做功，展現(xiàn)出較好的抵抗疲勞破壞的能力。橡膠顆粒本身在受力的過程中受損害較小，只要在愈合過程中能夠再次與瀝青產(chǎn)生黏結(jié)，在第2 次的疲勞實(shí)驗(yàn)中，混合料中的橡膠顆粒便能夠繼續(xù)發(fā)揮彈性效應(yīng)。此外，在經(jīng)歷一段時(shí)間的愈合后，橡膠瀝青混合料中的微裂縫也同樣會(huì)有部分彌合，綜合橡膠顆粒的彈性恢復(fù)與瀝青?集料黏結(jié)重建造成的強(qiáng)度恢復(fù)兩方面，橡膠瀝青混合料整體上表現(xiàn)出較高的愈合率。

15.0%TB膠粉改性瀝青也具有較好的疲勞?愈合性能，這是由于TB膠粉改性瀝青“較軟”，具有良好的流動(dòng)性，能夠在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生愈合；基質(zhì)瀝青與4.5%SBS改性瀝青混合料的疲勞?愈合表現(xiàn)相近，但4.5%SBS改性瀝青混合料更優(yōu)。在6種瀝青混合料中，24.0%巖瀝青改性瀝青混合料的愈合性能最差，這是由于巖瀝青混合料模量較高，盡管其抵抗外界荷載的能力較強(qiáng)，但一旦混合料內(nèi)部出現(xiàn)微裂縫，便較難愈合。此外，由于巖瀝青改性瀝青混合料試件可變形性較小，容易出現(xiàn)脆斷的破壞模式。在兩次加載之間的愈合階段，相同愈合溫度下，巖瀝青改性瀝青混合料中瀝青的流動(dòng)性相對較差，導(dǎo)致混合料中的裂縫難以充分愈合，因此展現(xiàn)出較低的愈合率。

由于相對于瀝青實(shí)驗(yàn)，混合料實(shí)驗(yàn)的測試結(jié)果更接近實(shí)際路面情況，因此本文將4PB混合料愈合實(shí)驗(yàn)與瀝青拉拔愈合實(shí)驗(yàn)（一次愈合循環(huán)后）的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比與相關(guān)性分析，以驗(yàn)證拉拔實(shí)驗(yàn)在評價(jià)瀝青愈合性能方面的準(zhǔn)確性。二者的相關(guān)性分析如圖7所示。

圖7 瀝青拉拔自愈合實(shí)驗(yàn)與混合料4PB疲勞自愈合實(shí)驗(yàn)相關(guān)性分析Fig.7 Correlation analysis of BBS healing test and 4PB mixture fatigue-healing test

從圖7 可以看出，4PB 混合料愈合實(shí)驗(yàn)與瀝青拉拔愈合實(shí)驗(yàn)中的愈合率存在著明顯的線性相關(guān)關(guān)系（R2=0.895）。無論是瀝青還是瀝青混合料，添加HDPE 改性劑后的愈合性能均最優(yōu)異，而加入巖瀝青后的愈合性能均最差。瀝青實(shí)驗(yàn)與瀝青混合料實(shí)驗(yàn)之間的相關(guān)性分析表明了瀝青拉拔實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行П碚鲗?yīng)的瀝青混合料的疲勞?愈合性能，因此能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測與反映實(shí)際工程中瀝青路面在長期使用下的疲勞愈合性能。

3 結(jié)論

本文利用拉拔實(shí)驗(yàn)，對基質(zhì)瀝青與5 種改性瀝青（SBS 改性瀝青、橡膠瀝青、TB 膠粉瀝青、HDPE改性瀝青與巖瀝青改性瀝青）進(jìn)行研究，探究了不同摻量改性劑對瀝青黏附性能與自愈合性能的影響。進(jìn)行了4PB瀝青混合料疲勞?自愈合實(shí)驗(yàn)，并將瀝青拉拔愈合實(shí)驗(yàn)的混合料疲勞?自愈合實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析。得到以下結(jié)論：

（1）從黏附性能角度看，盡管從工程經(jīng)驗(yàn)來說，大部分改性劑會(huì)提高瀝青的內(nèi)聚性能，但根據(jù)本文的拉拔實(shí)驗(yàn)結(jié)果，線型SBS、HDPE、橡膠顆粒與TB膠粉對瀝青的黏附強(qiáng)度均有不利影響；巖瀝青能夠顯著提升瀝青的黏附性能，然而，過量（≥24.0%）的巖瀝青會(huì)明顯降低這一改善效果。

（2）從自愈合角度看，HDPE、橡膠顆粒與較低摻量（≤12.0%）的巖瀝青能夠改善瀝青的自愈合水平。其中，8.0%摻量的HDPE改性瀝青的黏附自愈合率甚至能夠達(dá)到97%。隨著破壞?愈合循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青?集料之間黏附強(qiáng)度的愈合率在不斷下降，但下降趨勢逐漸變緩，說明瀝青在受到多次破壞后，仍具有長期的黏附愈合能力。

（3）在評價(jià)不同改性劑對瀝青材料愈合性能的影響方面，瀝青的拉拔?自愈合實(shí)驗(yàn)與瀝青混合料的疲勞?自愈合實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，二者結(jié)果之間具有較強(qiáng)相關(guān)性（R2=0.895）。這驗(yàn)證了拉拔實(shí)驗(yàn)在評價(jià)瀝青材料愈合性能方面的準(zhǔn)確性，也說明通過瀝青的拉拔實(shí)驗(yàn)，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測相應(yīng)混合料的長期疲勞?愈合性能。

（4）綜合考慮黏附性能與自愈合性能，不同改性瀝青的推薦最佳摻量如下：線型SBS 改性瀝青為3.0%～4.5%；TB 膠粉改性瀝青為10.0%～15.0%；HDPE 改性瀝青為8.0%；巖瀝青改性瀝青為12.0%～20.0%（以上摻量均為外摻）。而對于橡膠瀝青，由于其黏附性能與愈合性能隨摻量的變化趨勢并不明顯，因此在實(shí)際工程實(shí)踐中，建議綜合考慮膠粉應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性與其他路用性能，選用合適的摻量。

作者貢獻(xiàn)說明：

黃衛(wèi)東：負(fù)責(zé)論文的整體思路與實(shí)驗(yàn)研究方法的指導(dǎo)，以及論文的審核。

周 璐：負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)方案的制訂與實(shí)施，數(shù)據(jù)處理，論文的撰寫與修改。

呂 泉：負(fù)責(zé)論文的撰寫與修改。

關(guān)維陽：負(fù)責(zé)論文的修改。