郭自燦

（湖北職業(yè)技術學院 建筑技術學院，湖北 孝感 432000）

0 引 言

瀝青混凝土路面在溫度和荷載的作用下會產(chǎn)生微裂縫，研究表明這種微裂縫在常溫下可以自發(fā)進行愈合，但速度非常緩慢[1]，瀝青混合料的自愈合性能會修復瀝青混凝土路面由溫度裂縫和疲勞裂縫等引發(fā)的病害[2]，因此會提高瀝青混凝土路面的服務壽命，減少路面的養(yǎng)護和修復，具有良好的經(jīng)濟、技術效益。因此提高瀝青混凝土路面的愈合率是延長路面服務壽命的一種好方法[3]。近年以來，研究人員圍繞瀝青混合料的自愈性能作了很多室內研究。Qiu等[4]研究了分子以及納米水平的聚合物材料增強瀝青混合料自愈合性的方法，并對各種方法的優(yōu)缺點進行了比較；Su等[5]將瀝青再生劑微膠囊化并加入到混合料中發(fā)現(xiàn)可以提高瀝青路面的愈合效率，并增加了瀝青的自愈合速率，延長了路面的使用壽命[6]；García等[7]使用多孔砂作為再生劑的載體并制備了微膠囊，對摻微膠囊的瀝青混合料的力學性能進行研究發(fā)現(xiàn)，微膠囊破裂釋放出的再生劑提高了瀝青混合料的自愈合性能。

Zhou F等[8]在瀝青混合料中使用回收瀝青（RAS）替代部分原材料，從而降低瀝青混合料的生產(chǎn)成本，提高瀝青路面的性能。因此，可以在RAS瀝青混合料中加入再生劑或自愈合微膠囊，以研究其自愈合性能。本文通過彎曲梁流變試驗、三點彎曲試驗和對混合料裂縫進行觀測，研究了不同RAS混合料的自愈合特性，并對所制備微膠囊的熱穩(wěn)定性進行研究。

1 試驗

1.1 原材料

（1）制備微膠囊用材料

尿素、37%甲醛溶液、氯化銨：均為分析純，武漢金石化工有限公司。聚氨酯（PU）、苯乙酸乙酯（EPA）、聚乙烯-馬來酸酐共聚物（EMA）：均為分析純，武漢力太化工有限公司。

（2）室內試驗研究用材料

SK90#瀝青：其主要技術指標見表1。粗集料（玄武巖碎石）和細集料（石灰?guī)r機制砂）：均來源于施工拌和站，經(jīng)檢測各項指標符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》要求，主要技術指標見表2?？ㄗ延停何锢韷赫シㄉa(chǎn)，山東魯花集團有限公司。RAS：由武漢理工大學土木工程專業(yè)綜合實驗平臺提供，各成分含量分別為：瀝青19%～36%、玻璃纖維2%～15%、砂石20%～38%、礦粉和穩(wěn)定劑8%～40%。

表1 SK90#瀝青的主要技術指標

表2 集料的主要技術指標

1.2 試樣制備

1.2.1 微膠囊制備

使用原位聚合法對雙壁微膠囊進行設計[9－10]，以葵花籽油為芯材。微膠囊的制備技術路線如下：在500 mL的燒杯中將25 mL質量分數(shù)為25%的EMA溶液加入到200 mL去離子水，然后加入2.5 g尿素，0.25 g苯乙酸乙酯和0.25 g氯化銨，將盛滿溶液的燒杯放置在熱陶瓷板頂部以1000 r/min的轉速攪拌。將水溶液的pH值調節(jié)至3.5。在小燒杯中，將20 g再生劑與30 mL的EPA和5 g PU混合，然后緩慢加入到大燒杯的溶液中。最后向溶液中加入6.3 g的37%甲醛溶液，升溫至55℃。將溶液在此溫度下以1000 r/min攪拌4 h。攪拌完成后，將溶液冷卻至室溫即制得微膠囊。圖1為所制備微膠囊的SEM照片。

圖1 微膠囊的SEM照片

1.2.2 瀝青混合料制備

以葵花籽油為再生劑，使用馬歇爾擊實法設計制備了4種不同的AC-13瀝青混合料（見表3），混合料合成級配如表4所示，混合料油石比為5.0%，空隙率為5.0%，馬歇爾試驗方法按照JTG F40—2004、JTG E20—2011《公路瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進行。

表3 AC-13瀝青混合料試樣

表 4 AC-13瀝青混合料合成級配

1.3 性能測試方法

（1）微膠囊的熱穩(wěn)定性：采用上海天美RZY-2型熱重分析（TGA）儀對雙壁微膠囊的熱穩(wěn)定性進行研究[11]，加熱速率為20℃/min；通過掃描電子顯微鏡（SEM）對在烘箱中以163℃加熱2 h前后的微膠囊進行了觀測。

（2）低溫勁度：采用美國CANNONTE型彎曲梁流變儀（BBR）分別在3種不同的溫度（-18℃、-12℃和-6℃）下測量4種瀝青試樣的低溫勁度[12]。

（3）三點彎曲試驗：根據(jù)JTG E20—2011將輪碾成型后的混合料試樣切割為長×寬×高＝（250±2.0）mm×（30±2.0）mm×（35±2.0）mm的棱柱體小梁，跨徑為（200±0.5）mm。使用SYD-0715型三點彎曲試驗機測試混合料的抗彎強度[13]。在應變控制模式下以0.25 mm/min的速率在試樣的頂部中點施加載荷。首先對完好的試樣測量其初始勁度，然后對試樣施加荷載直到試樣底部產(chǎn)生裂縫，即獲得破裂試樣，測量破裂試樣的勁度記錄為破裂勁度，最后將破裂試樣置于室溫（25℃）和烘箱溫度（50℃）下分別養(yǎng)護愈合6 d，取出并測量在不同愈合條件下試樣的愈合勁度。使用勁度恢復比（SRR）來評價試樣的愈合效果，勁度恢復比按式（1）計算：

（4）愈合效率：將破裂的試樣（破裂試樣為本節(jié)三點彎曲試驗中，施加荷載直到試樣底部產(chǎn)生裂縫后的試樣）分別置于室溫（25℃）和烘箱中（50℃）養(yǎng)護，使用光學顯微鏡分別在第0、3、6 d觀測混合料裂縫的愈合程度。使用愈合效率評價試樣的愈合程度，愈效率按式（2）計算：

2 結果與討論

2.1 微膠囊的熱穩(wěn)定性分析（見圖2、圖3）

圖2 微膠囊的熱重分析

由圖2可知，在231℃時的最大質量損失率為0.4%/℃；在427℃的最大損失率為0.9%/℃，質量損失溫度均高于瀝青混合料的生產(chǎn)溫度，在100℃下微膠囊的質量損失小于5%，所以在混合料的生產(chǎn)過程中微膠囊的熱穩(wěn)定性良好[14]。

圖3 加熱前后微膠囊的SEM照片

由圖3可見，加熱前后的微膠囊微觀形貌基本沒有發(fā)生變化。

2.2 彎曲流變試驗

試樣的勁度和m值測試結果見圖4。

圖4 瀝青試樣的勁度和m值

由圖4可見，各試樣的勁度均隨著試驗溫度的升高而降低。4#試樣的勁度最小，說明微膠囊降低了瀝青的勁度。與1#試樣相比，加入RAS的2#試樣的勁度和m值均有所增加，由圖4（b）可見，摻入RAS和再生劑對瀝青的m值影響較小。

2.3 三點彎曲試驗（見表5）

表5 混合料的勁度恢復比

由表5可見，室溫下3#試樣的勁度可以恢復到其初始勁度的1.64倍，可見其自愈性能最好，而4#試樣勁度僅恢復到其初始勁度的75%。在烘箱中，愈合試樣的勁度均高于初始勁度，這可能是由于烘箱中溫度較高使得瀝青老化變硬造成的[15]。

2.4 試樣愈合效率

圖5和圖6為各試樣分別在室溫和烘箱養(yǎng)護條件及不同養(yǎng)護時間下，寬度大于400 μm裂縫愈合的顯微圖像。

圖5 室溫下試樣裂縫寬度的變化

圖6 烘箱中試樣裂縫寬度的變化

由圖5和圖6可知，隨著時間的延長，試樣的裂縫寬度逐漸變小，試樣逐漸愈合。

不同試樣的愈合效率如圖7所示。

圖7 不同試樣的愈合效率

由圖 7（a）和（b）可知，1#和 2#試樣的愈合效率最差，3#試樣自愈合性能最好，裂紋寬度小于400 μm時的愈合效率為82.7%，裂紋寬度大于400 μm時愈合效率為83.6%。4#試樣裂紋寬度小于400 μm時的愈合效率為78.8%，裂紋寬度大于400 μm時愈合效率為80.3%。結合表5中室溫下?lián)饺朐偕鷦┑?#試樣自愈性能最好的現(xiàn)象，可以認為3#試樣中的再生劑均勻地分散在混合料中，可以在混合料中任何有裂縫產(chǎn)生的地方立即發(fā)揮作用，增強了混合料的自愈合性；而4#試樣中的再生劑是由于微裂紋的出現(xiàn)引起膠囊破裂而發(fā)生作用的，該過程進行比較緩慢，且只有當試樣產(chǎn)生裂縫時再生劑才能得以釋放進而發(fā)揮作用[16]。

由圖7（c）和（d）可知，在烘箱中養(yǎng)護的4#試樣，養(yǎng)護時間為6 d時，裂紋寬度小于400 μm時的愈合效率為77.8%，裂紋寬度大于400 μm時愈合效率為71.8%?？梢娕c烘箱中的試樣相比，在室溫下養(yǎng)護的試樣愈合效率更高。在不同的愈合條件下，愈合效率在第1 d時相差最大，隨著養(yǎng)護時間的延長差異逐漸變小。

3 結論

（1）微膠囊的熱穩(wěn)定性良好，在混合料的生產(chǎn)拌和過程中仍保持良好的狀態(tài)。

（2）微膠囊的摻入降低了RAS瀝青的低溫勁度；隨養(yǎng)護時間的延長試樣均明顯愈合，摻入再生劑的3#試樣愈合性能最好。

（3）摻微膠囊試樣在室溫下較烘箱中的愈合效率更高；不同愈合條件下試樣的愈合效率隨著養(yǎng)護時間的延長逐漸增大。