Martin Riara 羅 欽 楊欽麟 唐 平 磨煉同

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 武漢 430070)(廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司2) 廣州 510101)

0 引 言

瀝青混凝土路面由于受長(zhǎng)期行車(chē)荷載、溫度效應(yīng),以及基層反射效應(yīng)等因素的作用，會(huì)產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂、溫縮裂縫和反射裂縫等病害.裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展將降低瀝青路面的結(jié)構(gòu)性能，嚴(yán)重影響路面的服役壽命[1-2].瀝青材料作為一種典型的黏彈性材料，其具有時(shí)間相關(guān)性和溫度敏感性，這為瀝青材料的自愈合提供了基礎(chǔ)[3].在常溫和沒(méi)有外部荷載的作用條件下，瀝青混凝土可以實(shí)現(xiàn)裂縫的自愈合，但其裂紋自愈合速度非常緩慢.

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者從瀝青、瀝青膠漿、瀝青砂漿和瀝青混合料等不同尺度開(kāi)展瀝青混凝土路面自愈合的裂紋自愈合修復(fù)研究，提出了兩種可增強(qiáng)瀝青材料自修復(fù)能力的方法:物質(zhì)補(bǔ)給法(微膠囊技術(shù))和被動(dòng)供能法(磁感應(yīng)加熱和微波加熱技術(shù))，從而提高瀝青混凝土的自修復(fù)能力，激勵(lì)瀝青材料愈合[4].其中微膠囊愈合技術(shù)主要利用微膠囊包裹愈合劑混入瀝青混合料中，在裂紋產(chǎn)生時(shí)微膠囊破裂釋放愈合劑修復(fù)裂縫.該技術(shù)成本較高且在瀝青混合料中產(chǎn)生裂縫的同一區(qū)域愈合次數(shù)有限[5-6].磁感應(yīng)和微波加熱愈合方法利用在瀝青混合料引入鐵質(zhì)材料，從而可利用外部磁感應(yīng)和微波對(duì)瀝青路面進(jìn)行加熱以促進(jìn)裂紋愈合.這種方法局限于修復(fù)愈合瀝青材料中出現(xiàn)的微小裂紋，對(duì)于宏觀裂紋的修復(fù)能力有限[7-8].填縫與灌縫修補(bǔ)法是目前最常用的修補(bǔ)瀝青混凝土路面宏觀裂縫的方法，但是該養(yǎng)護(hù)方式只是起到表面防水，不能很好的提高裂縫粘結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)由于修補(bǔ)材料與原路面瀝青混凝土的粘結(jié)性能不好，往往不能達(dá)到有效地封縫防水的效果.為了達(dá)到封縫防水的養(yǎng)護(hù)效果，文中提出乳化瀝青處治瀝青混凝土裂縫的養(yǎng)護(hù)方式以促進(jìn)裂縫的自愈合修復(fù).為此，采用瀝青混凝土半圓形三點(diǎn)彎曲試件研究普通乳化瀝青和改性乳化瀝青對(duì)裂縫愈合性能的影響，分析不同類型乳化瀝青、不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間和斷裂-再愈合因素對(duì)裂縫愈合性能的影響.

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

瀝青混合料采用我國(guó)瀝青路面表面層應(yīng)用最廣泛的AC-13級(jí)配，其級(jí)配范圍及合成級(jí)配見(jiàn)表1.玄武巖集料的基本性能為:壓碎值12%;洛杉磯磨耗值7.8%;針片狀顆粒含量12.5%;密度2.961 g/cm3.礦粉為石灰石礦粉，其密度為2.83 g/cm3;化學(xué)組成為51.8%CaO，34.9%SiO2和1.29%Al2O3.瀝青采用SBS改性瀝青，其三大指標(biāo),針入度(25 ℃)為72.6,(0.1 mm);軟化點(diǎn),68 ℃;延度(5 ℃)為52 cm.通過(guò)AC-13瀝青混合料通過(guò)馬歇爾設(shè)計(jì)方法確定其最佳油石比為4.7%，對(duì)應(yīng)的孔隙率為4.5%.

表1 AC-13瀝青混合料設(shè)計(jì)級(jí)配

選用基質(zhì)乳化瀝青(BBE)和SBR改性乳化瀝青(SBRE)分別為瀝青混凝土裂縫愈合劑，以促進(jìn)裂縫的粘結(jié)與愈合.以上兩種乳化瀝青均為陽(yáng)離子乳化瀝青，且蒸發(fā)殘留物含量大于50%.BBE和SBRE兩種乳化瀝青分別滿足文獻(xiàn)[9]中PC-1基質(zhì)瀝青乳化瀝青和PCR改性乳化瀝青相關(guān)規(guī)范.表2為兩種乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的化學(xué)組成、60 ℃粘度及25 ℃乳液粘度.

表2 乳化瀝青的化學(xué)組成和粘度

1.2 試件的制備

半圓三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)廣泛用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混凝土斷裂愈合前后的抗斷裂性能.采用Troxler-4140型旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型孔隙率為4±0.5%，直徑為150 mm的瀝青混合料試件.采用鉆芯取樣從旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件鉆取直徑為100 mm的圓柱體試件，然后根據(jù)文獻(xiàn)[10]要求將該圓柱體試件切割成厚度為25 mm的圓形試件，再將該圓形試件切成兩個(gè)半圓，并在半圓形試件中部切一個(gè)10 mm深、4 mm寬的凹槽，具體尺寸見(jiàn)圖1.

圖1 半圓形瀝青混凝土試件尺寸和試驗(yàn)過(guò)程

1.3 試驗(yàn)方法

本文采用動(dòng)態(tài)伺服液壓材料試驗(yàn)系統(tǒng)(UTM-25)對(duì)瀝青混凝土半圓試件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn).試驗(yàn)之前，先將所有半圓形試件在-10 ℃的恒溫箱中保溫4 h.根據(jù)文獻(xiàn)[7]可知，該試驗(yàn)溫度能使試件出現(xiàn)脆性變形，免受蠕變變形的影響.保溫結(jié)束后將試件按照?qǐng)D1的方法放在試驗(yàn)支架上，該試驗(yàn)荷載的加載速率為0.5 mm/min，試驗(yàn)過(guò)程中儀器將自動(dòng)記錄試驗(yàn)荷載和垂直位移得到荷載-位移曲線.為了避免試驗(yàn)過(guò)程中由于低溫附著在試件表面的水分影響試件的愈合，當(dāng)試件完全斷裂后，將其置于室溫(25 ℃)條件下放置2 h使試件表面水分充分揮發(fā).然后用軟木刷均勻涂抹兩種不同乳化瀝青(BBE和SBRE乳化瀝青分別為0.5 kg/m2和0.4 kg/m2)在瀝青混凝土斷面上，再將涂抹有乳化瀝青的斷裂試件放回一起并輕輕按壓，并放置在室溫條件下愈合.該試驗(yàn)中，愈合養(yǎng)護(hù)時(shí)間有1，2，4和8 d，愈合循環(huán)次數(shù)共4次.愈合指數(shù)(HI)為

(1)

式中：Fa為試件初始斷裂最大試驗(yàn)荷載；Fi為試件斷裂愈合最大試驗(yàn)荷載.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 乳化瀝青質(zhì)量變化規(guī)律

圖2 乳化瀝青在瀝青試件表面的質(zhì)量變化

圖2為BBE和SBRE兩種不同類型乳化瀝青涂在瀝青混凝土斷面上后的質(zhì)量變化.隨著在空氣中暴露的時(shí)間增加，兩種類型乳化瀝青的質(zhì)量逐漸減少.其中，乳化瀝青質(zhì)量損失變化最大出現(xiàn)在養(yǎng)護(hù)的前三天，然后其質(zhì)量變化較小，出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)區(qū)域.乳化瀝青質(zhì)量減少主要是由于材料中水和其他易揮發(fā)組分的流失，SBRE乳化瀝青在前2 d時(shí)間內(nèi)質(zhì)量變化率最大，而B(niǎo)BE乳化瀝青在養(yǎng)護(hù)頭3 d均出現(xiàn)較大的質(zhì)量變化.一般地，乳化瀝青的質(zhì)量變化速率會(huì)影響瀝青混凝土試件的愈合和再愈合性能，其質(zhì)量損失較快的乳化瀝青殘留物有更高的粘度，因此在愈合過(guò)程中需要更高的活化能潤(rùn)濕裂紋表面，達(dá)到修補(bǔ)裂紋的效果.

2.2 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)愈合性能的影響

圖3為不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間和不同乳化瀝青的瀝青混凝土試件愈合指數(shù).由圖3可知，沒(méi)有施加乳化瀝青的試件愈合指數(shù)很低，在經(jīng)過(guò)1，2，4,8 d養(yǎng)護(hù)時(shí)間后，其平均愈合指數(shù)分別為0.13%，0.19%，0.20%,0.18%，表明裂縫沒(méi)有粘結(jié)力自愈合性能差.在瀝青混凝土斷面施加BBE和SBRE乳化瀝青養(yǎng)護(hù)1 d后平均愈合指數(shù)分別達(dá)到32.3%和30.7%，這說(shuō)明了乳化瀝青具有促進(jìn)瀝青混凝土裂紋修復(fù)愈合的能力.此外，試件的愈合指數(shù)隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著增加，當(dāng)試件在室溫下養(yǎng)護(hù)8 d，BBE和SBRE兩種乳化瀝青平均愈合指數(shù)分別達(dá)到67.8%和58.2%.整體而言，BBE愈合指數(shù)略高于SBRE乳化瀝青，其與殘留物粘度相一致.在養(yǎng)護(hù)的前2 d內(nèi)試件的平均愈合速率增長(zhǎng)較快.例如，BBE乳化瀝青在2和8 d養(yǎng)護(hù)時(shí)間后平均愈合指數(shù)分別為47.5%和67.8%，SBRE乳化瀝青在2和8 d養(yǎng)護(hù)時(shí)間后平均愈合指數(shù)分別為37.4%和58.2%.

圖3 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間和不同乳化瀝青的愈合指數(shù)

圖4為不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間瀝青混凝土試件表面情況，由圖4可知，經(jīng)過(guò)4 d養(yǎng)護(hù)后，乳化瀝青由于易揮發(fā)組分的流失出現(xiàn)粘度變大和表面硬化現(xiàn)象，而在前2 d養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)乳化瀝青粘度較小，易軟化周?chē)鸀r青從而提高愈合效果，這與圖2中的結(jié)論互為佐證.

圖4 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間瀝青混凝土試件表面情況

以上試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明乳化瀝青能顯著地提高瀝青混凝土路面的愈合效果，達(dá)到修補(bǔ)裂縫的功效.經(jīng)過(guò)8 d養(yǎng)護(hù)時(shí)間后，瀝青混凝土的愈合指數(shù)能與感應(yīng)加熱鋼纖維瀝青混凝土愈合指數(shù)相當(dāng).除了具有高的愈合性能，乳化瀝青修復(fù)瀝青混凝土路面還具有施工簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，這使得乳化瀝青在瀝青道路預(yù)養(yǎng)護(hù)方面具有良好的操作性和前景.

2.3 多次斷裂再愈合能力分析

多次斷裂-愈合試驗(yàn)可模擬實(shí)際路面出現(xiàn)的多次斷裂-再修復(fù)過(guò)程.未施加乳化瀝青處治的瀝青混凝土試件在第一個(gè)循環(huán)以后沒(méi)有再次出現(xiàn)愈合現(xiàn)象.圖5為瀝青混凝土施加BBE和SBRE乳化瀝青多次斷裂-愈合的愈合指數(shù).瀝青混凝土試件多次斷裂-愈合養(yǎng)護(hù)時(shí)間與初次養(yǎng)護(hù)時(shí)間保持一致，另外只在第一個(gè)循環(huán)里向?yàn)r青混凝土試件上施加乳化瀝青，其他次數(shù)循環(huán)里不再施加乳化瀝青.在經(jīng)過(guò)四次斷裂-再愈合循環(huán)后，BBE和SBRE乳化瀝青愈合指數(shù)分別在32%～68%和30%～60%之間.BBE和SBRE乳化瀝青在每1 d和每2 d斷裂-再愈合循環(huán)過(guò)程中，其愈合指數(shù)保持穩(wěn)定上升的趨勢(shì).在每4 d斷裂-再愈合循環(huán)過(guò)程中，兩種乳化瀝青試件的愈合指數(shù)基本保持不變，而每8 d斷裂-再愈合循環(huán)后兩種乳化瀝青試件的愈合指數(shù)都稍有下降.

圖5 不同乳化瀝青多次斷裂愈合的愈合指數(shù)變化

在瀝青混凝土愈合過(guò)程中，乳化瀝青的擴(kuò)散和干燥同時(shí)發(fā)生.擴(kuò)散的動(dòng)力來(lái)源于濃度梯度，所以在愈合初期瀝青混凝土的愈合就以較高的速率進(jìn)行.愈合1,2 d后斷裂的瀝青混凝土試件在后面的循環(huán)過(guò)程中保持著穩(wěn)定的愈合指數(shù)增長(zhǎng).這可以用以下兩個(gè)原因進(jìn)行解釋.①在多次愈合過(guò)程中，乳化瀝青由于其粘度較低在瀝青混凝土斷裂面的擴(kuò)散速率更快.由于乳化瀝青粘度更低，乳化瀝青潤(rùn)濕瀝青混凝土斷裂面所需的活化能更低.②乳化瀝青和瀝青混凝土斷裂面之間化學(xué)成分的濃度梯度很大，為了達(dá)到濃度平衡，擴(kuò)散將持續(xù)進(jìn)行(雖然速率很慢).而經(jīng)過(guò)了4 d的養(yǎng)護(hù)以后，瀝青混凝土試件斷裂面和乳化瀝青之間已經(jīng)形成了化學(xué)成分濃度的平衡.當(dāng)這些試件進(jìn)行更多次斷裂-再愈合循環(huán)，僅僅依靠乳化瀝青的殘留物進(jìn)行愈合的效果也不會(huì)有明顯的提高.

利用乳化瀝青進(jìn)行試件的多次斷裂-再愈合試驗(yàn)的1,2,4,8 d的愈合指數(shù)范圍分別為30%～36%，37%～51%，47%～55%,55%～68%.這表明瀝青混凝土裂縫愈合是一個(gè)長(zhǎng)期性的過(guò)程，因此無(wú)間斷愈合是使瀝青混凝土試件得到最佳愈合效果的重要條件.然而在許多需要盡快開(kāi)放交通的瀝青混凝土路面，BBE乳化瀝青將會(huì)比SBRE乳化瀝青效果更優(yōu).因?yàn)锽BE乳化瀝青在斷裂-再愈合過(guò)程中愈合指數(shù)相對(duì)較高且穩(wěn)定，在實(shí)際道路行車(chē)荷載作用下依然具有較好的愈合性能.

為了研究愈合中斷對(duì)瀝青混合料試件愈合性能的影響研究，本文對(duì)總的養(yǎng)護(hù)時(shí)間為4 d的瀝青混凝土試件進(jìn)行對(duì)比分析.表3為瀝青混凝土試件在養(yǎng)護(hù)1 d 4次循環(huán)和養(yǎng)護(hù)4 d 1次循環(huán)的愈合指數(shù)對(duì)比(即每一個(gè)試件愈合總時(shí)間都為4 d).由表3可知，愈合中多次斷裂對(duì)瀝青混凝土試件的愈合性能有很大的負(fù)面影響.BBE和SBRE乳化瀝青的未中斷愈合指數(shù)和中斷愈合指數(shù)差值分別為13.4%和11.1%，這說(shuō)明中斷瀝青試件愈合極大地影響其最終愈合指數(shù).這是因?yàn)檫@兩種乳化瀝青干燥速率快，在養(yǎng)護(hù)的第3 d乳化瀝青的殘留物就基本保持不變，粘度上升快.由此可以看出傳統(tǒng)的快干型乳化瀝青(如BBE和SBRE乳化瀝青)的愈合指數(shù)受愈合中斷影響較大.雖然快干型乳化瀝青材料是修補(bǔ)瀝青混凝土裂縫的理想材料，尤其對(duì)于需要快速開(kāi)放交通的道路，但是瀝青混凝土的多次愈合效果對(duì)乳化瀝青的干燥速率很敏感.對(duì)于路面需要承受外部荷載較大的重交通等級(jí)道路來(lái)說(shuō)，路面經(jīng)常出現(xiàn)斷裂-再愈合過(guò)程，此時(shí)應(yīng)該選用中斷愈合過(guò)程其愈合指數(shù)影響較小的乳化瀝青進(jìn)行養(yǎng)護(hù).相反地，對(duì)于停車(chē)場(chǎng)等輕交通等級(jí)道路來(lái)說(shuō)，選擇具有高愈合指數(shù)和適當(dāng)?shù)臄嗔?再愈合能力的乳化瀝青是一種較好的處治方法.

表3 瀝青混凝土試件愈合指數(shù)對(duì)比 %

3 結(jié) 束 語(yǔ)

本文采用半圓三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究了常用的普通乳化瀝青和SBR改性乳化瀝青對(duì)AC-13瀝青混凝土裂紋愈合性能的影響.試驗(yàn)結(jié)果表明，斷裂后的瀝青混凝土試件可以用乳化瀝青進(jìn)行修復(fù).試件的愈合指數(shù)受到乳化瀝青類型和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的影響，修復(fù)后的瀝青混凝土試件愈合指數(shù)范圍為30%～70%之間，延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間有利于提高愈合指數(shù).多次斷裂-再愈合循環(huán)證實(shí)傳統(tǒng)基質(zhì)乳化瀝青和SBR改性乳化瀝青具備多次愈合能力，干燥速率較快，多次斷裂-再愈合能力較差.整體而言，BBE愈合指數(shù)略高于SBRE乳化瀝青，其與殘留物粘度相一致.

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