鄧 華，黃 峰

（重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，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致微裂縫或局部破壞，人們期望路面材料在損傷時也能復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動力。此后，國內外研究學者將研究廣泛集中于瀝青材料的自愈合機理、試驗方法、評價指標、影響因素等方面。

Phillips 等[2]從物理- 化學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，并且提出相應的指標。隨著計算機在材料微觀領域的發(fā)展，朱建勇[4]從分子模擬技術入手，采用溶解度參數(shù)為評價指標驗證國外學者[5-6]提出的瀝青分子模型，同時利用分子動力學模擬方法對1 nm 裂紋瀝青在不同溫度下能量變化規(guī)律。結果表明，溫度越高，其分子擴散速度越快，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分析了基質瀝青和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。羅蓉等[9]結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進行驗證和修正，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]從擴散理論出發(fā)，提出瀝青膠漿疲勞自愈合方程，并設置不同溫度、粉膠比、填料類型等多個因素驗證了愈合度與時間t0.25的相關性。

上述研究瀝青自愈合性能影響因素多是獨立進行的，因此本研究在前人研究基礎上采取正交試驗設計，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進行分析，為預測瀝青路面壽命和路面養(yǎng)護時機作出一定的指導意義。

1 原材料與試驗方法

試驗采用SK70# 基質瀝青，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)剪切流變儀進行試驗。夾具為8 mm 平行板，間距2 mm，加載頻率10 Hz，恒應變6%，設計三因素五水平正交試驗，見表1。

表1 正交試驗方案

2 結果與分析

用于評價瀝青材料自愈合性能的指標尚未統(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數(shù)模量。本試驗采用HI1，HI2，為自愈合性能評價指標進行顯著性因素分析。

2.1 自愈合評價指標HI1

HI1通常認為是瀝青經(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]，表達式為：

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

表2 HI1 正交試驗結果

通過上述試驗結果及極差（見表3）分析，可以看出對于自愈合指標HI1而言，影響因素較為顯著的是間歇時間。結合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，在分子擴散重組的過程導致微裂紋實現(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。當以α=0.05 時，F(xiàn)（4，12）=3.26。從方差的分析結果來看，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HI1的影響。結合聚合物自愈合機理可知，溫度升高的過程會加速分子擴散、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HI2

自愈合評價指標HI2反映了當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[12]，表達式為：

采用HI2作為評價指標的試驗結果及方差、極差計算結果見表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果較為接近。利用方差進一步分析可知，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 值排序可認為對自愈合指標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HI2較20℃時增加66.7%，較25℃時增加49.2%?？烧J為隨著間歇溫度的升高，自愈合指標HI2會逐漸增大，驗證了瀝青分子內部擴散重組速度會隨溫度的升高而加速，當溫度超過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)的結果出現(xiàn)上下波動的情況，可能是由于在計算指標HI2時，未考慮加載次數(shù)對結果的影響，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

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

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)。

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

由表6、表7 可知，按照極差和方差的計算結果表明，損傷度顯著影響自愈合指標的變化。當瀝青材料損傷度由10%增加到30%、90%時，指標分別降低了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。間歇溫度對指標的影響與HI2的趨勢一致。而間歇時間的5 個水平結果出現(xiàn)波峰現(xiàn)象，原因可能是疲勞加載次數(shù)導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 正交試驗結果

表6 正交試驗結果

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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的值應小于等于1，接近1 表示自愈合性能良好，但因引入瀝青材料達到疲勞壽命的加載次數(shù)導致其自愈合前的復數(shù)模量大幅降低，造成計算結果出現(xiàn)大于1 的情況。

3 結論

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

（2）自愈合指標HI2通過計算瀝青材料間歇前后模量的變化率進行表征，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HI3得到指標進行正交試驗。結果表明，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%。