張 翔，崔亞楠，郭 靖，于慶年

(1.內蒙古工業(yè)大學 土木工程學院，呼和浩特 010051；2.內蒙古自治區(qū)結構與力學重點實驗室，呼和浩特 010051)

0 引 言

隨著我國公路的高速發(fā)展，瀝青道路在我國公路中占有較大比重，瀝青路面材料的研發(fā)及路用性能的提高成為科研工作者關注的焦點。Bazin P[1]于1967年發(fā)現(xiàn)瀝青混合料具有熱老化自愈合特性。Phillips M C[2]通過試驗提出：瀝青的愈合分為3個層次，表面能作用是裂紋表面浸潤，裂紋開始閉合后，瀝青流動性加強，力學性能提高。Dong Y S等[3]通過三點彎曲試驗分析了試驗溫度、損傷程度、瀝青類型和瀝青混凝土比對可壓延瀝青混合料自愈性能的影響。Nejad F M等[4]和Behnia B等[5]通過使用聲發(fā)射(AE)及圓盤形致密拉伸(DCT)對熱老化下的瀝青混凝土材料的損傷自愈合進行了定量評估，瀝青混凝土經(jīng)過了8個冷卻循環(huán)后研究循環(huán)之間的靜置時間對愈合的影響。Ajam H等[6]發(fā)現(xiàn)加熱能夠使瀝青混合料的裂縫自愈合加快，通過采用電磁感應和紅外輻射的方式均有效提高了瀝青混凝土的愈合程度。

瀝青砂漿的性能對于瀝青混合料影響較大，對于瀝青砂漿的損傷愈合性能研究對研究瀝青混凝土的愈合性能具有重要意義?，F(xiàn)有一些學者開展了瀝青砂漿性能的研究工作，張晨晨等[7]基于動態(tài)力學分析方法(DMA)對7種瀝青砂漿進行了動態(tài)彎拉試驗，分析不同條件下瀝青砂漿粘彈性應變范圍及粘彈性能的影響。唐進[8]通過彎曲梁流變儀研究不同愈合時間和不同愈合溫度下3種典型瀝青砂漿自愈合性能。王文進等[9]根據(jù)單軸拉伸蠕變試驗論證比較了瀝青砂漿材料的蠕變規(guī)律。劉新[10]研究了不同溫度和加載應力對3種瀝青砂漿的影響，并分析了其高溫性能。

為了進一步研究瀝青材料開裂損傷特性并分析其力學機理，一些學者開始采用細觀測試技術，比如數(shù)字散斑技術(The digital speckle correlation method，DSCM)對力學試驗過程進行觀測，通過全場位移或應變深入了解非均質材料的變形和破壞特征。王嵐等[11]利用DSCM技術針對紫外光老化的瀝青混合料在試驗中裂紋產(chǎn)生及擴展規(guī)律進行表征，同時分析了瀝青混合料的界面特征。

總而言之，目前對瀝青砂漿宏細觀多尺度自愈合性能的研究較少，本文將基于數(shù)字散斑相關方法在不同愈合時間和老化程度下對SBS瀝青和基質瀝青進行瀝青砂漿損傷愈合實驗，并定義了一種愈合評價指標來分析其愈合過程。

1 實 驗

1.1 實驗材料

瀝青砂漿試件制作采用90#基質瀝青和SBS改性瀝青，基本技術指標如表1所示；集料為玄武巖，礦料指標如表2所示；填料為石灰石礦粉，技術指標如表3所示。以AC-16型密集配混合料配比為基礎，根據(jù)比表面積轉化法和δ體積修正法級配轉化得到瀝青砂漿的級配[13]，具體配比如表4所示。

表1 瀝青材料基本指標Table 1 The basic indicators of asphalt

1.2 實驗方法

1.2.1試件的制備

瀝青砂漿試件采用輪碾法成型,按照《T0734-2000熱拌瀝青混合料加速老化方法》進行老化,并在小梁試件中點處預留預切口，預切口寬2 mm，深6 mm。在進行DSCM觀測前對試件進行噴漆處理，先對試件進行啞光黑漆噴底，再用啞光白漆噴斑，在DSCM觀測下的灰度值達到30以下。

表2 礦料技術指標Table 2 Mineral material technical index

表3 礦粉技術指標Table 3 Technical index of mineral filler

表4 瀝青砂漿配比Table 4 Asphalt mortar ratio

1.2.2 瀝青砂漿損傷自愈合實驗方案

采用改良的BOEF彈性地基梁加載方式[15]，如圖1所示，橡膠塊選為邵氏硬度25°的軟橡膠塊，用工業(yè)膠水將下部橡膠塊與試塊粘牢；試件加載位置上方粘貼同一規(guī)格的硬橡膠墊片，避免由于壓頭導致的瀝青砂漿小梁試件局部變形。采用三分點小梁彎曲損傷愈合實驗，通過控制位移設定瀝青砂漿試件的損傷程度，加載速率為0.35 mm/min，先測得兩種瀝青在3種老化(未老化、短期老化和長期老化)程度下破壞時的位移值S。而后將預設損傷程度定義為60%S，在達到預設損傷程度對應位移時停止加載。

瀝青砂漿損傷自愈合實驗步驟：首先，以0.35 mm/s的速率加載到設定損傷位移停止，并以相同的速率卸載；接著，啟動DSCM每15 s拍攝一次荷載位移損傷，記錄最大位移以及完全卸除時的時間以及照片；最后，采用DSCM進行室溫下愈合1，2和4 h的愈合觀測并記錄。

1.2.3 瀝青砂漿損傷自愈合實驗的影響因素

瀝青砂漿損傷愈合實驗主要考慮老化程度和愈合時間。兩種瀝青砂漿損傷愈合實驗設計如表5所示，每個實驗進行3組平行實驗。

圖1 改良的BOEF彈性地基梁Fig 1 BOEF modified elastic foundation beam

表5 瀝青砂漿損傷自愈合實驗設計表Table 5 Damage and self-healing properties orthogonal test table of asphalt mortar

1.3 基于數(shù)字散斑相關方法的指標選取

基于數(shù)字散斑相關技術的瀝青砂漿損傷愈合實驗，在預切口兩側對稱選取8個點，分別測得每點的位移，用右側總位移減去左側總位移后取得平均值即為兩點之間的位移差ΔU，以ΔU直觀表現(xiàn)預切口處的損傷愈合情況。試件表面坐標情況如圖2所示。

圖2 試件表面坐標劃分圖Fig 2 Surface coordinate division diagram of specimen

預切口兩側位移值ΔU計算公式如式(1) 所示：

(1)

其中，ΔU為預切口兩側的位移差，U右為預切口右側總位移值，U左為預切口左側總位移值。

用開始時刻的ΔU值與不同愈合時間后的ΔU值作差記為ΔU愈合值，分析ΔU愈合值隨著愈合時間的增長的變化過程。當卸載過后，試件瞬時發(fā)生彈性回復階段，呈線性變形回復階段，隨后才是開始愈合時刻預切口兩側的位移值，如圖3所示。ΔU愈合值計算公式如式(2) 所示

ΔU愈合值=ΔUt=0-ΔUt=x

(2)

其中，ΔU愈合值為ΔU愈合值，mm；ΔUt=0為開始愈合時預切口兩側位移值，mm；ΔUt=x為愈合x時間后的ΔU值，mm。

通過實驗測得不同愈合時間下的位移差ΔU，定義基于位移差ΔU的損傷愈合指標HI，計算公式如式(3) 所示

(3)

其中，HI為愈合度；ΔUt=0為開始愈合時預切口兩側位移值；ΔUt=i為愈合i=0,1,2 h后預切口兩側的位移差；基于變形差ΔU的損傷愈合指標HI，通過開始時與不同愈合時間段內的位移差與開始愈合時預切口處位移的比值，以此作為瀝青砂漿在不同愈合時間段下的愈合度的評價指標。

圖3 損傷愈合過程Fig 3 Specimen injury healing process

2 結果分析與討論

2.1 SBS改性瀝青砂漿損傷愈合U云圖

以SBS改性瀝青砂漿試件為例采用數(shù)字散斑技術對損傷愈合過程進行觀測。圖4和5中下端兩支座間距為14 cm，右側圖例對應位移程度。通過對比施加荷載和愈合過程中位移云圖的變化，分析SBS改性瀝青砂漿的損傷愈合過程。

2.1.1 瀝青砂漿荷載損傷應變云圖

圖4為SBS改性瀝青砂漿荷載應變云圖。從圖4(a)可以看出，無荷載時的試件表面無云圖；由圖4(b)可知，試件剛開始加載，由于預切口處出現(xiàn)應力集中導致頂端處應變最先開始，預切口處顏色變深；由圖4(c)可知，試件加載10 min時，出現(xiàn)了明顯的火苗狀應變云圖，表示切口處受壓應變最大，試件兩側為拉應變；圖4(d)為峰值荷載下的試件應變云圖，此時應變達到最大，壓頭兩側的拉應變最大，中間區(qū)域壓應變最大；同時由于達到峰值荷載試件中部深色區(qū)域內產(chǎn)生了細微的裂紋，導致其表面應變無法被識別。

圖4 SBS改性瀝青砂漿荷載應變云圖Fig 4 Load strain cloud map of SBS modified asphalt mortar

2.1.2 瀝青砂漿愈合位移云圖

圖5為SBS改性瀝青砂漿的愈合位移云圖。對比SBS改性瀝青砂漿在不同愈合時間下的位移云圖，由圖5(a)開始愈合時可以看出，試件左右兩側受拉位移區(qū)域顏色呈現(xiàn)深紅色。從圖5(b)可以看出，愈合1 h后兩側最大位移處區(qū)域淺化，說明試件位移在減小，受拉區(qū)縮小，呈現(xiàn)一定程度的恢復。從圖5(c)可以看出，愈合2 h后位移縮小區(qū)域進一步擴大，試件整體呈現(xiàn)更明顯的愈合趨勢。從圖5(d)可以看出，愈合4 h后最大位移區(qū)域顏色已經(jīng)完全淺化，此時最大位移區(qū)域較小，試件中部淺顏色區(qū)域進一步擴大，與開始愈合時相比愈合4 h后SBS改性瀝青砂漿的位移呈現(xiàn)顯著的趨勢愈合。

圖5 SBS改性瀝青砂漿的愈合位移云圖Fig 5 Cloud image of healing displacement of SBS modified asphalt mortar

2.2 瀝青砂漿ΔU的損傷愈合過程

對瀝青砂漿試件的變形數(shù)據(jù)進行采集，按照式(1)得到不同老化程度下基質瀝青砂漿和SBS改性瀝青砂漿位移差ΔU隨時間的變化過程，分析瀝青砂漿試件的損傷自愈合過程，如圖6所示。

從圖6可看出，ΔU會出現(xiàn)峰值，整體呈現(xiàn)為先增大后減??；對比不同老化程度下預切口兩側的ΔU最大值與最小值發(fā)現(xiàn)，兩種瀝青砂漿短期老化后的ΔU值最大，長期老化后兩種瀝青砂漿的ΔU值最小。這是由于ΔU值與損傷位移有關，損傷位移越大其整體變形位移越大，從而瀝青砂漿試件預切口兩側位移越大[12]。瀝青砂漿在經(jīng)過短期老化和長期老化后，瀝青中的瀝青質含量增多，流動性降低，瀝青與集料的粘附力下降，預切口兩側抗開裂能力下降，而在長期老化過程中由于試件溫度升高，試件內部瀝青流動性增強，增大了瀝青與石料的粘附性，對裂紋的開展起到了一定的抑制作用。因此，經(jīng)過短期老化后的瀝青砂漿試件預切口兩側位移最大，長期老化次之，未老化最小。

圖6 不同老化程度下兩種瀝青砂漿損傷愈合過程中預切口兩側位移Fig 6 Displacement of two kinds of asphalt mortar in the process of damage healing under different aging degrees

對比圖6(a)和(b)可以發(fā)現(xiàn)，相同老化條件下加載階段基質瀝青砂漿ΔU峰值大于SBS改性瀝青砂漿，卸載階段基質瀝青砂漿的ΔU恢復值也大于SBS改性瀝青砂漿，這是由于改性瀝青中改性劑隨瀝青老化而發(fā)生降解或斷裂，不能在卸載階段起到原有得改性作用，導致SBS瀝青砂漿比基質瀝青砂漿具有較差變形能力和愈合能力。

2.3 對比不同老化程度下兩種瀝青砂漿ΔU愈合值

圖7為不同老化程度下基質瀝青砂漿和SBS改性瀝青砂漿愈合4 h的愈合值。對比圖7中兩種瀝青砂漿的愈合值發(fā)現(xiàn)，基質瀝青砂漿在長期老化下愈合值最大，未老化次之，短期老化最小，SBS瀝青砂漿在短期老化下愈合值最大，長期老化次之，未老化最小。這是由于長期老化下SBS瀝青砂漿由于改性劑的分子顆粒在高溫下出現(xiàn)交聯(lián)體，相對分子質量增大，流動性降低，使得表現(xiàn)出較差的愈合值，而基質瀝青砂漿由于高溫的原因，瀝青砂漿內部瀝青析出，增大瀝青與骨料的粘附性，抑制裂紋出現(xiàn)，因此在長期老化的情況下表現(xiàn)出更好的損傷恢復能力。

2.4 對比不同愈合時間下兩種瀝青砂漿ΔU愈合值

分子擴散理論[19]認為瀝青材料的裂縫自愈包括以下3個機理：(1)在表面能作用下，微觀裂紋上下表面接觸并潤濕( 潤濕機理)；(2)微裂紋界面分子擴散，裂紋界面粘結( 擴散機理)；(3)擴散瀝青大分子鏈的隨機化引發(fā)材料力學性能恢復。

圖8為不同愈合時間段內基質瀝青砂漿和SBS改性瀝青砂漿的ΔU愈合值。從圖8可以看出，整體的愈合呈現(xiàn)明顯差異，愈合主要集中于0～1 h階段，此時試件處于愈合的第一階段，裂紋通過表面能的作用，裂紋表面接觸濕潤，呈現(xiàn)較高的愈合值；2～4 h為愈合的第二階段，愈合速率較慢，愈合值較低，瀝青砂漿的愈合主要通過微裂紋界面分子的擴散使裂紋粘結；整體而言愈合第一階段愈合速率較快，且愈合值較大；在愈合第二階段過程中，隨著愈合時間段的增加，愈合值的增量顯著降低并趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)出了愈合持續(xù)時間更長且速率較慢的特點。在0～1 h愈合時間段中，未老化及長期老化后的基質瀝青砂漿的ΔU愈合值遠高于SBS瀝青砂漿，而短期老化的SBS瀝青砂漿的ΔU愈合值大于基質瀝青砂漿，這是由于基質瀝青砂漿在愈合第一階段中愈合能力更強，愈合速率更快，而SBS改性劑的的抗老化性能使得SBS瀝青砂漿在短期老化下的愈合度更高。但在1～2 h內，長期老化下的基質瀝青愈合值有明顯降低，這是由于第一階段其愈合能力強，在2～4 h，基質瀝青的愈合值增加，這是由于基質瀝青砂漿表面瀝青內部析出，增加了試件表面的粘性，促進了第二階段的愈合。而其他兩種老化情況下的ΔU愈合值迅速減小并趨于穩(wěn)定，說明在相同愈合時間下長期老化后基質瀝青砂漿具有更好的愈合能力。

圖7 不同老化程度下兩種瀝青砂漿愈合4 h的愈合值Fig 7 Healing value of two kinds of asphalt mortar for 4 h under different aging degree

圖8 不同愈合時間段內兩種瀝青砂漿的ΔU愈合值Fig 8 The ΔU value of two asphalt mortar in different healing time period

2.5 基于愈合指標HI的愈合分析

基于變形差ΔU的愈合指標HI(式(3))，對比基質瀝青砂漿和SBS改性瀝青砂漿在不同愈合時間段內的愈合度變化如圖9所示。

從圖9可以看出，不同老化程度下兩種瀝青砂漿在愈合時間1～2 h段內的愈合度表現(xiàn)出增長趨勢，隨著愈合時間的增長，愈合度趨于平穩(wěn)，但基質瀝青砂漿在后期仍表現(xiàn)出較好的增長態(tài)勢，表明瀝青砂漿的愈合呈現(xiàn)階段性，愈合1～2 h處于愈合第一階段，此時瀝青砂漿愈合速率快；愈合2～4 h處于愈合第二階段，此時瀝青砂漿愈合速率較慢并趨于穩(wěn)定。

由圖9可知，對比不同老化程度下兩種瀝青砂漿的愈合度發(fā)現(xiàn)，長期老化狀態(tài)下的兩種瀝青砂漿的愈合度最高，這是由于在高溫老化使得兩種瀝青砂漿表層內部瀝青析出，增加了表面的粘性，促進了裂紋的閉合，表現(xiàn)出較高的愈合度；短期老化狀態(tài)下的SBS改性瀝青相對于基質瀝青砂漿表現(xiàn)出更好的愈合度，這是由于SBS瀝青砂漿自身的抗老化性能的體現(xiàn)，整體更加穩(wěn)定；未老化狀態(tài)下基質瀝青砂漿體現(xiàn)出相對較好的愈合性能，這是由于SBS改性劑自身分子的相互纏繞以及瀝青間的粘摩阻力，影響了SBS瀝青砂漿的自愈能力。

整體對比兩種瀝青砂漿的愈合度可以發(fā)現(xiàn)，基質瀝青砂漿的愈合度在3種老化狀態(tài)下均表現(xiàn)出較好愈合能力，而改性瀝青砂漿則表現(xiàn)出更加穩(wěn)定的狀態(tài)，相對較差的愈合能力并不會影響SBS瀝青砂漿的路用性能，愈合能力并不是表征其特性的唯一指標，在路用過程中應當具體考量。

圖9 基于HI兩種瀝青砂漿在不同愈合時間段內愈合度Fig 9 The degree of healing of two kinds of asphalt mortar based on hi in different healing time

3 結 論

(1)利用數(shù)字散斑相關方法對基質瀝青砂漿和SBS改性瀝青砂漿的損傷愈合過程進行了觀測，效果明顯；兩種瀝青砂漿在不同老化程度下的愈合情況較顯著，并提出瀝青砂漿損傷愈合評價指標HI，進一步分析瀝青砂漿的愈合過程。

(2)基于數(shù)字散斑相關技術的損傷愈合實驗得出，短期老化時瀝青砂漿在損傷愈合過程中位移差最大，未老化次之，長期老化最?。欢谙嗤挠蠒r間和老化程度條件下，基質瀝青砂漿比SBS瀝青砂漿具有更好的愈合效果。

(3)將愈合時間對應的愈合值分階段分析發(fā)現(xiàn)，瀝青砂漿的愈合效果呈現(xiàn)較為明顯的二階段現(xiàn)象，在第一階段愈合值較大，愈合速率較快，愈合的主要動力為裂紋的表面能；第二階段愈合增量顯著下降，并逐漸趨于穩(wěn)定，此時愈合的主要來源為微裂紋界面分子擴散導致的裂紋界面粘結。