鄧 華，黃 峰

（重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶市 401336）

0 引言

對于路面工程而言，瀝青混凝土長期服役過程中受外界耦合因素的作用導(dǎo)致微裂縫或局部破壞，人們期望路面材料在損傷時也能復(fù)刻壁虎斷尾自愈合的功能。最早提出瀝青混合料能夠自愈合的是Bazin[1]，其中瀝青是使混合料產(chǎn)生自愈合能力的主要驅(qū)動力。此后，國內(nèi)外研究學(xué)者將研究廣泛集中于瀝青材料的自愈合機(jī)理、試驗方法、評價指標(biāo)、影響因素等方面。

Phillips 等[2]從物理- 化學(xué)特性的角度提出瀝青材料自愈合的三個階段。Lytton[3]通過表面能理論闡述了極性鍵和非極性鍵對自愈合效果的影響，并且提出相應(yīng)的指標(biāo)。隨著計算機(jī)在材料微觀領(lǐng)域的發(fā)展，朱建勇[4]從分子模擬技術(shù)入手，采用溶解度參數(shù)為評價指標(biāo)驗證國外學(xué)者[5-6]提出的瀝青分子模型，同時利用分子動力學(xué)模擬方法對1 nm 裂紋瀝青在不同溫度下能量變化規(guī)律。結(jié)果表明，溫度越高，其分子擴(kuò)散速度越快，從而瀝青自愈合程度越高。

Pang 等[7]通過剪切流變試驗將不同間歇時間條件下測得的瀝青愈合前、后損傷程度的比值作為評價指標(biāo)分析了基質(zhì)瀝青和SBS 改性瀝青的自愈合能力。湯文等[8]根據(jù)能量耗散原理建立了瀝青疲勞壽命Nf與耗散能坪值Pv的關(guān)系，同時分別以瀝青損傷前后的Nf和Pv的變化率作為瀝青材料自愈合指標(biāo)。羅蓉等[9]結(jié)合聚合物裂縫愈合理論和實驗數(shù)據(jù)對通用的自愈合性能指標(biāo)進(jìn)行驗證和修正，并闡述了影響自愈合性能的因素為損傷度、間歇時間。程耀飛等[10]從擴(kuò)散理論出發(fā)，提出瀝青膠漿疲勞自愈合方程，并設(shè)置不同溫度、粉膠比、填料類型等多個因素驗證了愈合度與時間t0.25的相關(guān)性。

上述研究瀝青自愈合性能影響因素多是獨立進(jìn)行的，因此本研究在前人研究基礎(chǔ)上采取正交試驗設(shè)計，引入間歇時間、損傷度、間歇溫度三個因素對瀝青自愈合性能指標(biāo)進(jìn)行分析，為預(yù)測瀝青路面壽命和路面養(yǎng)護(hù)時機(jī)作出一定的指導(dǎo)意義。

1 原材料與試驗方法

試驗采用SK70# 基質(zhì)瀝青，置于135℃烘箱中，待其成流動狀態(tài)時澆注于專用硅膠磨具中，冷卻后利用動態(tài)剪切流變儀進(jìn)行試驗。夾具為8 mm 平行板，間距2 mm，加載頻率10 Hz，恒應(yīng)變6%，設(shè)計三因素五水平正交試驗，見表1。

表1 正交試驗方案

2 結(jié)果與分析

用于評價瀝青材料自愈合性能的指標(biāo)尚未統(tǒng)一，目前的主流是以瀝青材料隨加載次數(shù)變化測試自愈合前后復(fù)數(shù)模量。本試驗采用HI1，HI2，為自愈合性能評價指標(biāo)進(jìn)行顯著性因素分析。

2.1 自愈合評價指標(biāo)HI1

HI1通常認(rèn)為是瀝青經(jīng)過間歇時間自愈合后的初始動態(tài)剪切模量與自愈合前初始模量的比值[11]，表達(dá)式為：

采用動態(tài)剪切流變儀測試三因素五水平下的復(fù)數(shù)模量，利用式（1）計算得到HI1結(jié)果，見表2。

表2 HI1 正交試驗結(jié)果

通過上述試驗結(jié)果及極差（見表3）分析，可以看出對于自愈合指標(biāo)HI1而言，影響因素較為顯著的是間歇時間。結(jié)合HI1的物理意義，不難解釋間歇時間對其的影響。在試驗過程中，經(jīng)過加載的瀝青會出現(xiàn)微裂紋，在分子擴(kuò)散重組的過程導(dǎo)致微裂紋實現(xiàn)愈合，并且隨著間歇時間一定的延長使G*after/G*initial增大，即愈合指數(shù)增大。當(dāng)以α=0.05 時，F(xiàn)（4，12）=3.26。從方差的分析結(jié)果來看，能夠顯著影響HI1的只有間歇時間，忽略了剩余兩個因素對指標(biāo)HI1的影響。結(jié)合聚合物自愈合機(jī)理可知，溫度升高的過程會加速分子擴(kuò)散、重組速度，從而使愈合幾率增大，同時損傷度越小，愈合程度會有所增加。因此，指標(biāo)HI1用于評價瀝青的自愈合性能存在一定的不足之處。

表3 極差與方差計算

2.2 自愈合評價指標(biāo)HI2

自愈合評價指標(biāo)HI2反映了當(dāng)荷載停止時瀝青材料在間歇前后模量損傷率的接近程度，其比值可用作自愈合性能的評價指標(biāo)[12]，表達(dá)式為：

采用HI2作為評價指標(biāo)的試驗結(jié)果及方差、極差計算結(jié)果見表4、表5。將表中數(shù)據(jù)按照極差分析可以看出，對自愈合評價指標(biāo)HI2影響程度的因素排序為間歇溫度＞間歇時間＞損傷度，但間歇溫度和間歇時間的極差結(jié)果較為接近。利用方差進(jìn)一步分析可知，在α=0.05，F(xiàn)（4,12）=3.26 時，各因素F 值均大于臨界值F（4,12），且根據(jù)F 值排序可認(rèn)為對自愈合指標(biāo)HI2的影響程度為間歇溫度＞間歇時間＞損傷度。

表4 HI2 正交試驗結(jié)果

表5 極差與方差計算

從表中數(shù)據(jù)得知，溫度為40℃時自愈合指標(biāo)HI2較20℃時增加66.7%，較25℃時增加49.2%?？烧J(rèn)為隨著間歇溫度的升高，自愈合指標(biāo)HI2會逐漸增大，驗證了瀝青分子內(nèi)部擴(kuò)散重組速度會隨溫度的升高而加速，當(dāng)溫度超過30℃時，增長速率趨于平緩。同時，間歇8 h 的自愈合指標(biāo)HI2是間歇0.5 h 的1.47 倍，并且間歇時間超過2 h 后，自愈合指標(biāo)HI2的變化幅度趨于平穩(wěn)。這說明間歇時間的延長有助于瀝青微裂縫的愈合。不同的損傷度所呈現(xiàn)的結(jié)果出現(xiàn)上下波動的情況，可能是由于在計算指標(biāo)HI2時，未考慮加載次數(shù)對結(jié)果的影響，但損傷度越小，瀝青材料的自愈合程度越高。

2.3 自愈合評價指標(biāo)

通常將瀝青自愈合前與自愈合后分別達(dá)到疲勞壽命時加載次數(shù)的比值作為自愈合指標(biāo)HI3，表達(dá)式為：

式中：Nafter為瀝青自愈合后至疲勞壽命所需荷載次數(shù)；Nbefore為瀝青自愈合前至疲勞壽命所需荷載次數(shù)。

但由于該指標(biāo)在計算過程中忽略了模量的變化[13-14]，對此采用修正指標(biāo)來表征瀝青材料自愈合性能，表達(dá)式為：

由表6、表7 可知，按照極差和方差的計算結(jié)果表明，損傷度顯著影響自愈合指標(biāo)的變化。當(dāng)瀝青材料損傷度由10%增加到30%、90%時，指標(biāo)分別降低了29.6%、58.3%。這說明隨著瀝青材料損傷度的提高，其自愈合性能逐漸降低。間歇溫度對指標(biāo)的影響與HI2的趨勢一致。而間歇時間的5 個水平結(jié)果出現(xiàn)波峰現(xiàn)象，原因可能是疲勞加載次數(shù)導(dǎo)致瀝青分子損傷程度出現(xiàn)差異。同時從表中數(shù)據(jù)可知，瀝青材料自愈合指標(biāo)的最優(yōu)組合為間歇溫度40℃、間歇時間4 h、損傷度10%。

表6 正交試驗結(jié)果

表6 正交試驗結(jié)果

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表7 極差與方差計算

另外，從理論上分析自愈合指標(biāo)的值應(yīng)小于等于1，接近1 表示自愈合性能良好，但因引入瀝青材料達(dá)到疲勞壽命的加載次數(shù)導(dǎo)致其自愈合前的復(fù)數(shù)模量大幅降低，造成計算結(jié)果出現(xiàn)大于1 的情況。

3 結(jié)論

（1）通過設(shè)計正交試驗對SK70# 基質(zhì)瀝青自愈合性能進(jìn)行疲勞- 自愈試驗的結(jié)果分析可知，能夠顯著影響自愈合指標(biāo)HI1的因素為間歇時間，但方差分析的結(jié)果表示間歇溫度和損傷度對指標(biāo)HI1幾乎無影響，從理論上認(rèn)為采用指標(biāo)HI1評價瀝青材料自愈合能力欠妥。

（2）自愈合指標(biāo)HI2通過計算瀝青材料間歇前后模量的變化率進(jìn)行表征，根據(jù)極差和方差的分析可知三個因素顯著性影響的排序為間歇溫度＞間歇時間＞損傷度，且間歇溫度達(dá)到30℃、間歇時間為4 h時能夠顯著改善自愈合性能。

（3）將間歇前后瀝青材料模量作為修正系數(shù)引入自愈合指標(biāo)HI3得到指標(biāo)進(jìn)行正交試驗。結(jié)果表明，所列三個因素都對瀝青材料自愈合性能產(chǎn)生影響，其顯著性排序為損傷度＞間歇溫度＞間歇時間，且隨著損傷度的增大，自愈合程度逐漸降低，體現(xiàn)自愈合性能良好的最優(yōu)組合為歇溫度30℃、間歇時間4 h，損傷度10%。