羅 蓉， 許 苑， 劉涵奇， 馮光樂

(1.武漢理工大學 交通學院， 湖北 武漢 430063； 2.湖北省公路工程技術(shù)研究中心， 湖北 武漢 430063；3.湖北省交通運輸廳 工程質(zhì)量監(jiān)督局， 湖北 武漢 430063)

瀝青作為瀝青路面結(jié)構(gòu)的一部分，其疲勞壽命會影響路面服役壽命.現(xiàn)有針對瀝青疲勞壽命的試驗通常采用連續(xù)加載方式，同時將瀝青在不能繼續(xù)承受相應(yīng)荷載時的加載次數(shù)定義為瀝青的疲勞壽命.然而在實際路面行駛過程中，由于車輛間斷加載使得瀝青有一定的恢復時間，這就導致現(xiàn)有連續(xù)加載試驗無法真實評價服役環(huán)境中的瀝青疲勞壽命.1967年Bazin等[1]首次提出瀝青混合料的自愈合特性，并證明其可以提高瀝青路面的服役壽命.自此，瀝青的自愈合能力得到重點關(guān)注并有很多學者對其展開研究：Kim等[2]發(fā)現(xiàn)瀝青的裂縫愈合分為裂縫表面毛細作用產(chǎn)生的潤濕愈合和瀝青分子在裂縫表面的隨機擴散2個過程；lvaro[3]通過CT掃描分析了瀝青愈合的微觀過程，并通過Arrhenius方程對瀝青自愈合速率和溫度進行相關(guān)性分析；Tan等[4]采用應(yīng)力和應(yīng)變2種控制模式研究了各瀝青在不同損傷度、不同間歇時間條件下的愈合情況；Sun等[6-7]采用愈合行為方程對瀝青現(xiàn)有的自愈合評價指標進行擬合分析，并通過愈合活化能分析瀝青在不同溫度下的愈合難易程度.

目前，瀝青的自愈合評價指標主要通過動態(tài)剪切模量本身的變化情況來表征，并未考慮間歇前后動態(tài)剪切模量的變化速率.本文通過考慮加載時間對動態(tài)剪切模量的影響，修正了1種自愈合評價指標，使其更具有物理意義，并采用愈合行為方程進行擬合.同時，采用控制變量的方法綜合考慮損傷度(D)和間歇時間這2種因素對瀝青自愈合的影響規(guī)律.

1 試驗

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青為湖北某公司產(chǎn)A級70#道路石油瀝青；SBS改性瀝青為在70#基質(zhì)瀝青基礎(chǔ)上加入質(zhì)量分數(shù)為4%的SBS，高溫剪切攪拌使其均勻分散于瀝青中制成.將70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青分別加熱至135，155℃至流動狀，將其澆注至硅膠模具上，待冷卻后進行試驗.

1.2 試驗方法

在20℃，10Hz條件下，對上述2種瀝青進行不同應(yīng)力水平的時間掃描試驗，并加入間歇時間以模擬瀝青的自愈合時間；在應(yīng)力為200kPa的條件下，設(shè)定不同損傷度和不同間歇時間進行掃描試驗，采用自愈合指標評價瀝青的自愈合情況.

2 試驗結(jié)果分析

2.1 瀝青自愈合特性對疲勞壽命的影響

為探究瀝青自愈合特性對其疲勞性能的影響，本文對瀝青進行無間歇和有間歇2種條件下的時間掃描試驗.采用基本模量控制法得到瀝青疲勞壽命，并利用間歇1800s后增長的疲勞壽命ΔN來表征瀝青的恢復情況，如表1所示.

由表1可知，有間歇瀝青的疲勞壽命較無間歇瀝青有所增長，這證明了瀝青自愈合特性的存在.因此在研究瀝青抵抗疲勞開裂能力時需考慮瀝青的自愈合特性.

表1 2種瀝青在無間歇與有間歇條件下的疲勞壽命

2.2 自愈合評價指標及分析

目前，瀝青自愈合指標一般以瀝青動態(tài)剪切模量的變化情況為基礎(chǔ)建立.表2為常見的3種自愈合指標公式.其中G0表示初始動態(tài)剪切模量；Gb表示間歇前的終止動態(tài)剪切模量；Ga表示間歇后的初始動態(tài)剪切模量.

表2 常見的自愈合指標公式

圖1 瀝青間歇前后動態(tài)剪切模量變化曲線Fig.1 Change curve of dynamic shear modulus before and after rest periods of asphalt binder

由表2可知，指標HI1受瀝青損傷程度影響較大；指標HI2只能進行同一種瀝青在不同條件下的比較，不適用于不同瀝青的自愈合能力比較；指標HI3消除了初始動態(tài)剪切模量的影響，但通過瀝青間歇前后動態(tài)剪切模量變化曲線(圖1)可明顯發(fā)現(xiàn)，間歇前動態(tài)剪切模量曲線所對應(yīng)的點Ga下降至Gb的速率與間歇后動態(tài)剪切模量曲線中Ga下降至Gb的速率不一致，這一現(xiàn)象說明瀝青的自愈合能力不能完全由動態(tài)剪切模量變化值表征，應(yīng)考慮加載時間對動態(tài)剪切模量變化的影響.若間歇時間太長導致間歇后動態(tài)剪切模量恢復至間歇前的初始動態(tài)剪切模量，那么指標的計算結(jié)果為1，這顯然是不合理的.由此可見，以上3種指標在研究瀝青的自愈合能力時均有諸多條件限制且不夠明確有效，導致其不能真實反映瀝青的自愈合能力.考慮到間歇前后瀝青的動態(tài)剪切模量下降速率與加載時間有關(guān)，本文通過對指標HI3進行時間修正，得到新的自愈合評價指標HI4：

(1)

由式(1)可見，指標HI4合理利用了指標HI3的優(yōu)點，綜合考慮了瀝青自愈合能力受動態(tài)剪切模量變化和間歇前后加載次數(shù)的共同影響.本文通過對70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青進行不同損傷度(D)和不同間歇時間下的自愈合試驗，并采用指標HI4對試驗數(shù)據(jù)進行處理，如表3所示.

表3 2種瀝青的自愈合指標HI4

2.3 愈合方程擬合分析

聚合物裂縫愈合理論[8]從分子角度對聚合物的愈合過程進行了細致劃分，整體上可以分為裂縫界面潤濕和靜態(tài)愈合2個過程.采用潤濕函數(shù)和靜態(tài)愈合函數(shù)的卷積分形式建立自愈合理論方程，如式(2)所示：

(2)

式中：R(t)為聚合物的宏觀愈合指數(shù)；Rh(t-τ)為聚合物分子擴散靜態(tài)愈合函數(shù)；φ(τ)為裂紋界面的濕潤率；t為加載時間；τ為愈合時間.

將式(2)經(jīng)積分計算并考慮瀝青特性，簡化得到靜態(tài)愈合行為方程：

Rh(t)=R0+Kt0.25

(3)

式中：R0，K為擬合參數(shù).

為驗證指標HI4的可靠性，采用式(3)對其進行擬合，具體擬合結(jié)果如圖2所示.由表3可知，SBS改性瀝青在損傷度為10%情況下的自愈合指標大于1.這是由于損傷度太小，瀝青基本未破壞，且受瀝青觸變性[9]影響.為保證數(shù)據(jù)分析的合理性，圖2未對SBS改性瀝青在10%損傷度下的數(shù)據(jù)作擬合.

圖2 70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青指標擬合Fig.2 Index fitting of 70# base asphalt binder and SBS modified binder

由圖2可知，靜態(tài)愈合行為方程(式(3))對70#基質(zhì)瀝青的擬合度較好，對SBS改性瀝青擬合度稍差；從擬合曲線的斜率可以看出，70#基質(zhì)瀝青在損傷度為10%時愈合速率較快，在損傷度為30%和50%時愈合速率較為接近；SBS改性瀝青在30%損傷度時的斜率明顯大于50%損傷度時的斜率，說明其在30%損傷度下的愈合速率大于50%損傷度下的愈合速率.由此可見，損傷度越小的瀝青自愈合能力越強.

2.4 自愈合影響因素討論

2.4.1損傷度

瀝青損傷度(D)采用其動態(tài)剪切模量的變化情況進行表征，其表達式如下：

(4)

瀝青在承受重復荷載時產(chǎn)生疲勞開裂，裂縫由產(chǎn)生至逐漸開裂是瀝青損傷程度逐漸加大的一個過程.在瀝青損傷度較小的情況下給予一段時間的愈合，瀝青可能會恢復原狀；在瀝青損傷度較大的情況下，裂縫開展較大，瀝青較難恢復.為探究損傷度對瀝青愈合性能的影響，本文采用重復加載模式分別加載至損傷度為10%，30%，50%，再間歇愈合，來比較瀝青自愈合能力隨損傷程度變化的情況.不同損傷度統(tǒng)一采用600s的間歇時間進行分析，經(jīng)整理后如圖3所示.

由圖3可以看出，隨著瀝青損傷程度的增加，其自愈合指標逐漸減小，即瀝青的自愈合能力逐漸變差；在10%損傷度情況下，SBS改性瀝青的自愈合指標大于1，這是由于瀝青材料本身的位阻硬化和觸變性造成的，另一方面也說明其在該損傷條件下相較于70#基質(zhì)瀝青具有良好的自愈合能力.由圖3還可見，損傷度較大的瀝青因裂縫開展較大，破壞較嚴重，在一定時間內(nèi)，分子的隨機擴散以及重排列未能形成充分強度，導致上述2種瀝青在30%和50%損傷度下的自愈合能力相似，均低于0.5.

圖3 自愈合指標HI4隨損傷度變化情況Fig.3 Variation of healing index HI4 with damage degree

2.4.2間歇時間

根據(jù)分子運動理論，瀝青分子處于不停息、無規(guī)則的運動狀態(tài).在間歇時間內(nèi)，瀝青分子經(jīng)歷裂縫界面毛細作用的潤濕后會自由運動，運動過程中瀝青分子不斷地重新排列組合、填充裂縫，使得裂縫逐漸縮小至愈合.間歇時間越長，瀝青分子運動得越自由.為探究間歇時間對瀝青自愈合特性的影響，對其加載后采用不同的間歇時間，并采用自愈合指標來表征它們的恢復情況，如圖4所示.

由圖4可以看出，瀝青間歇時間越長，其自我恢復能力越好，若給予瀝青無限長的間歇時間，則瀝青可以恢復至初始狀態(tài)；隨著間歇時間的增長，瀝青愈合速度逐漸趨于緩慢；同一間歇條件下，SBS改性瀝青的自愈合能力優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青.

圖4 2種瀝青的自愈合指標HI4隨愈合時間變化情況Fig.4 Variation of healing index HI4 with healing time

3 結(jié)論

(1)通過無間歇加載和有間歇加載2種試驗模式，證明瀝青自愈合特性可延長其疲勞壽命.考慮自愈合特性的瀝青疲勞壽命可以更加有效地預測路面服役壽命.

(2)從試驗數(shù)據(jù)和物理意義上分析了HI1，HI2和HI3這3種常見自愈合指標的不足，采用修正HI3后得到的新指標HI4，對不同損傷度和不同間歇時間的試驗數(shù)據(jù)進行計算，并采用靜態(tài)自愈合行為方程進行了擬合.較好的擬合度證明該指標在評價瀝青自愈合能力上的可行性.

(3)在瀝青自愈合研究過程中，損傷度、間歇時間因素不可忽略.損傷度較小的瀝青還未超出線黏彈性范圍，其恢復能力受間歇時間影響較??；同一間歇時間下，損傷度較大的瀝青恢復能力較差；同一損傷度下，間歇時間越長，其恢復情況越好.

參考文獻：

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