林 俊，王 永，徐 霈

（1. 貴州省公路工程集團有限公司，貴州 貴陽 550008；2.貴州盤興高速公路有限公司，貴州 盤州 553599；3.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶市 400067）

0 引 言

瀝青混合料具有從損傷中恢復(fù)的能力，其裂縫可能會在某種環(huán)境作用下部分消失，即為瀝青混合料的自愈合[1]。

已有許多研究對瀝青混合料的自愈合性能進(jìn)行了研究[2]?！捌? 愈合- 疲勞”試驗在兩次疲勞加載中插入一定條件的間歇期，比較前后兩次疲勞試驗的指標(biāo)變化，以此來評價瀝青混合料的自愈合性能。因此，愈合條件及評價指標(biāo)的選擇式自愈合試驗的關(guān)鍵。荷載間歇期即為愈合期，一般來說，瀝青混合料的自愈合發(fā)生在疲勞全過程，間歇期越長，自愈合效果越好[3]。瀝青混合料的自愈合作用與多種因素有關(guān)[4]。疲勞損傷是從微裂紋產(chǎn)生到逐漸擴大損傷程度的過程，疲勞損傷程度對瀝青材料的自愈合性能有顯著影響[5]。Song 等[6]研究表明，隨著裂紋寬度的增加，瀝青混合料的自愈合能力急劇下降。微裂紋的愈合能力遠(yuǎn)優(yōu)于寬裂紋；當(dāng)裂紋寬度擴展到疲勞臨界點時，瀝青混合料幾乎不發(fā)生自愈合。當(dāng)瀝青混合料疲勞損傷累積到一定程度時，瀝青混合料內(nèi)部裂紋會逐漸從微裂紋擴展為宏觀裂紋[7]。實際上，路面的疲勞開裂更容易發(fā)生在低溫條件下[8]，而瀝青混合料的自愈行為在中高溫條件下較為活躍[9]。因此，對瀝青材料自愈合的研究多集中在中高溫條件下（10℃～60℃）[10]，且很少有研究關(guān)注低溫對瀝青混合料自愈合能力的影響。Little 等[11]研究發(fā)現(xiàn)老化對瀝青的自愈合有著消極作用。Van[12]研究發(fā)現(xiàn)服役多年的瀝青路面自愈合性能顯著下降。此外，Zollinger[13]認(rèn)為環(huán)境濕度對瀝青混合料自愈合性能具有消極作用。水對瀝青混合料的自愈合性能具有影響[14]。

綜上所述，對影響瀝青混合料自愈合性能的因素進(jìn)行研究，有助于提高瀝青路面的耐久性。基于此，本文采用“疲勞- 愈合- 再疲勞”試驗，對不同愈合時間、愈合溫度及凍融循環(huán)作用下的瀝青混合料進(jìn)行自愈合進(jìn)程對比和分析。特別地，本文對低溫條件下及不同濕度條件下的瀝青混合料的自愈合特性進(jìn)行了研究。

1 原材料及實驗設(shè)計

1.1 原材料

本文選擇韓國SK#90 基質(zhì)瀝青、3%SBS 改性瀝青和10%膠粉改性瀝青等3 種結(jié)合料制備瀝青混合料試件，其中改性瀝青均以基質(zhì)瀝青為基礎(chǔ)進(jìn)行改性，其技術(shù)性質(zhì)見表1。試驗所采用集料為石灰?guī)r，級配選擇AC-13，見表2。依據(jù)馬歇爾試驗方法[15]計算得到基質(zhì)瀝青混合料、SBS 改性瀝青混合料、膠粉改性瀝青混合料的最佳油石比分別為4.9%、5.3%和6.0%。壓實成型瀝青混合料試件，并切割得到尺寸為380 mm×63.5 mm×50 mm 的小梁試件。

表1 瀝青結(jié)合料技術(shù)性質(zhì)[15]

表2 集料的級配組成

1.2 自愈合實驗設(shè)計及評價指標(biāo)

采用UTM-100 萬能試驗機進(jìn)行四點彎曲疲勞試驗，加載頻率為10 HZ。采用控制應(yīng)變的偏正弦加載模式，應(yīng)變選擇為500×10-6με。為了對瀝青混合料的損傷程度進(jìn)行表征，本文設(shè)置3 個勁度模量衰減程度作為試驗終止條件，即瀝青混合料的損傷程度分別設(shè)置為25%，50%和75%，可由式（1）計算。

式中：Dd為損傷程度，%；Sin為初始勁度模量，MPa；Sr為殘余勁度模量，MPa，

采用“疲勞—愈合—再疲勞”的試驗方式，即在應(yīng)變控制模式下對瀝青混合料進(jìn)行測試，當(dāng)殘余勁度模量達(dá)到設(shè)定損傷程度時，初次疲勞加載完成；隨后引入間歇期，設(shè)定不同的愈合時間與愈合溫度，待達(dá)到愈合時間后，進(jìn)行再次疲勞測試，當(dāng)殘余勁度模量再次達(dá)到設(shè)定損傷程度時即為破壞，試驗結(jié)束。

選擇愈合時間、愈合溫度及愈合濕度等三個因素作為變量，每種變量選取5 個水平，愈合時間分別選擇1 h，3 h，5 h，7 h，9 h，愈合溫度分別選擇-10℃，0℃，10℃，20℃，30℃，愈合濕度分別為0%，25%，50%，75%，100%。

以瀝青混合料愈合前后彎曲勁度模量的變化率，即愈合效率為瀝青混合料自愈合能力的評價指標(biāo)，由式（2）計算，其中彎曲勁度模量由式（3）計算。

式中：HI 為愈合效率，%；Sa為愈合后勁度模量，MPa；Sb為愈合前勁度模量，MPa。

式中：S 為勁度模量，MPa；σ 為最大拉應(yīng)力，kPa；εt為最大拉應(yīng)變。

2 結(jié)果與討論

2.1 愈合時間對自愈合效率的影響分析

不同損傷程度的瀝青混合料自愈合效率隨愈合時間的變化趨勢見圖1。為了使其獲得較好的自愈合性能，愈合溫度設(shè)定為30℃，愈合濕度選擇為0%。

圖1 愈合時間對不同損傷程度的瀝青混合料自愈合效果的影響

由圖1 可以看出，隨著愈合時間的延長，不同損傷程度、不同類型的瀝青混合料自愈合能力呈現(xiàn)增大趨勢。這是由于瀝青屬于黏彈性材料，具有典型的時間依賴性。觀察圖1（a）可以看出，損傷程度為25%的條件下，基質(zhì)瀝青混合料在愈合時間1～3 h范圍內(nèi)呈現(xiàn)出最大的自愈合效率，而在5 h 以后，其自愈合效率低于SBS 改性瀝青混合料和膠粉改性瀝青混合料。這可能是由于在較低損傷程度下，三種瀝青混合料內(nèi)部疲勞損傷多以微裂紋形式存在?；|(zhì)瀝青的軟化點較低，粘度較小，其流變性能更好。

進(jìn)一步分析可知，當(dāng)自愈合時間小于5 h 時，瀝青混合料的自愈合速率較快。隨后，瀝青混合料的自愈合速率減緩，過長的自愈合時間并不能有效提升瀝青混合料自愈合能力。此外，損傷程度的增大對瀝青混合料自愈合能力的削弱作用顯著。此時，需借助其他增強愈合性能的手段進(jìn)行外界干預(yù)，從而提高瀝青混合料的愈合效率。

2.2 愈合溫度對自愈合效率的影響分析

不同損傷程度的瀝青混合料自愈合效率隨愈合溫度的變化趨勢見圖2。為了使其獲得較好的自愈合性能，愈合時間設(shè)定為9 h，愈合濕度選擇為0%。

圖2 愈合溫度對不同損傷程度的瀝青混合料自愈合效果的影響

由圖2 可知，愈合溫度對瀝青混合料的自愈合能力具有積極影響。瀝青混合料的自愈合效率隨溫度的增加而增加。值得注意的是，各瀝青混合料在0℃以下較低溫度條件下的自愈合效率范圍為10%～50%。說明低溫條件對瀝青混合料的自愈合性能具有較大不利影響。

進(jìn)一步分析可知，在本文所選擇溫度范圍內(nèi)，SBS 改性瀝青混合料和膠粉改性瀝青混合料的自愈合效率高于基質(zhì)瀝青混合料，這與SBS 改性瀝青混合料和膠粉改性瀝青混合料的抗疲勞性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料相一致。

由圖2（c）可知，75%損傷程度的瀝青混合料愈合效率仍能保持在60%以上，表明溫度對于損傷后的愈合具有顯著作用。因此，可以認(rèn)為當(dāng)瀝青路面達(dá)到一定損傷程度時，可以通過加熱手段（紅外加熱，微波加熱等），獲得額外的能量，提升路面的愈合性能，從而一定程度恢復(fù)路面的服役性能。

2.3 愈合濕度對自愈合效率的影響分析

不同損傷程度的瀝青混合料自愈合效率隨愈合濕度的變化趨勢見圖3。為了使其獲得較好的自愈合性能，愈合時間設(shè)定為9 h，愈合溫度選擇為30℃。

由圖3 分析可知，瀝青混合料在自愈合過程中一定程度上受環(huán)境濕度的影響，在較低濕度條件下這種影響不顯著。因此，相較于0%濕度條件下的自愈合效率，25%濕度條件的自愈合效率略微有所下降。然而，當(dāng)愈合濕度達(dá)到50%以上時，其對瀝青混合料自愈合特性的影響趨于明顯。因此，為提高瀝青混合料的自愈合性能，使得瀝青路面保持較好的服役狀態(tài)，除必要時提供額外能量恢復(fù)外，還應(yīng)避免瀝青混合料內(nèi)部濕度過大。這可以通過采用密集配瀝青混合料、保持路面干燥、隔絕地下水等措施進(jìn)行改善。

圖3 愈合濕度對不同損傷程度的瀝青混合料自愈合效果的影響

3 結(jié) 論

本文主要目的在于研究不同環(huán)境因素下?lián)p傷程度對瀝青混合料損傷自愈合特性的影響，采用損傷效率作為評價瀝青混合料自愈合能力的指標(biāo)。主要結(jié)論如下：

（1）愈合時間對瀝青混合料的自愈合性能具有積極影響。隨著自愈合時間的延長，瀝青混合料的自愈合效率先增大后趨于平緩。過長的自愈合時間并不能有效提升瀝青混合料自愈合能力。

（2）愈合溫度對瀝青混合料的自愈合性能具有積極作用。隨著溫度的升高，瀝青混合料的自愈合效率趨于增長。低溫條件對瀝青混合料的自愈合性能具有較大不利影響。

（3）濕度對瀝青混合料的自愈合性能呈現(xiàn)一定的消極作用。在較低濕度條件下影響不顯著，當(dāng)愈合濕度達(dá)到50%以上時，其對瀝青混合料自愈合特性的影響趨于明顯。為提高瀝青混合料的自愈合性能，使得瀝青路面保持較好的服役狀態(tài)，除必要時提供額外能量恢復(fù)外，還應(yīng)避免瀝青混合料內(nèi)部濕度過大。這可以通過采用密集配瀝青混合料、保持路面干燥、隔絕地下水等措施進(jìn)行改善。

（4）損傷程度的增大對瀝青混合料自愈合能力的削弱作用顯著。損傷程度過大時，需借助其他增強愈合性能的手段（紅外加熱，微波加熱等）進(jìn)行外界干預(yù)，從而提高瀝青混合料的自愈合效率，進(jìn)而一定程度恢復(fù)路面的服役性能。