摘要：為提升老化瀝青路面疲勞損傷后的自愈合性能，文章選用消石灰、玄武巖纖維制備改性瀝青混合料，進行自愈合補償試驗，以分析改性瀝青混合料的自愈合性能。結果表明：消石灰的摻入能提升瀝青膠結料粘附性，玄武巖纖維的摻入能穩(wěn)定內部結構；高溫條件下，二者混合摻入改善效果較好，自愈合率達到90%；自愈合率以及自愈合衰減指數均清晰地反映重復荷載作用下的疲勞損傷愈合過程，可作為瀝青混合料新尺度疲勞性能評價的相關指標。

關鍵詞：消石灰；玄武巖纖維；熱老化；自愈合性能

中文分類號：U416.03A200614

0引言

近年來，在建設交通強國的戰(zhàn)略支持下，我國現有公路總里程已達528×104 km，且路面結構以瀝青混凝土路面為主。但隨著車輛負荷不斷增長，以及瀝青老化現象的出現，致使瀝青混凝土路面使用壽命不斷降低，其中疲勞開裂和熱氧老化是影響其壽命的重要原因。提高瀝青路面的耐熱老化性能，減少疲勞開裂，延長公路使用年限，對交通強國的建設有著重要意義。

現有研究結果顯示，瀝青混合料的疲勞損傷多集中于瀝青及瀝青膠漿內［1］，而瀝青和瀝青膠漿在拌和、鋪筑和使用中會發(fā)生熱氧老化，嚴重影響其疲勞性能。在工程實踐中，通常采用瀝青混合料加入添加劑來提高其耐高溫損傷性能及自愈合性能。其中，玄武巖纖維的摻入能抑制瀝青路面疲勞裂縫的產生和擴展，改善其疲勞性能［2-4］，特別是高溫氧化條件下的抗裂性能提升最為顯著［5］；消石灰因良好的物理吸附性能和高化學活性，可抑制瀝青的老化，改變?yōu)r青混合料的高低溫性能［6-9］。Lesueur等［10］向瀝青中添加20%的消石灰，并對其進行TFOT短期老化和PAV長期老化，用動態(tài)剪切流變儀分析可知，消石灰可提高瀝青的高溫抗變形性能以及抗老化能力。現有研究表明，瀝青混合料的裂縫愈合后，其力學性能（如剛度、強度等）會有不同程度的恢復，可以被看作是疲勞失效的反向過程。這種現象被稱為“自修復”，并極大地影響了瀝青混合料的使用壽命。曹林輝等［11］通過試驗證明，瀝青混合料的自愈合性能同抗疲勞性能存在較強關聯性。

因此，探究瀝青混合料自愈合性能，提高瀝青混合料使用壽命，可為長壽命路面的建設與發(fā)展提供參考。綜上所述，本文通過在瀝青混合料中添加消石灰改善瀝青的抗老化性能，添加玄武巖纖維抑制瀝青混合料層疲勞裂縫發(fā)展的研究思路，制備一種復合改性瀝青混合料，再通過自愈合試驗來研究這三類瀝青混合料的自愈合性能，并采用相關指標來評價其疲勞損傷自愈合能力。

1試驗

1.1原材料

試驗所用瀝青為中海油70#石油瀝青，測定基體瀝青的針入度、延度和軟化點如表1所示。選用長沙某公司產的6 mm長玄武巖纖維，其基本性能參數測試結果見下頁表2。粗、細骨料采用滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40-2004）要求的重慶石灰石和石屑；填料采用消石灰粉及普通石灰?guī)r研磨礦粉。消石灰技術指標如下頁表3所示。

1.2瀝青混合料級配設計

密級配瀝青混合料由于其骨架結構致密、骨料間空隙小、嵌擠作用致密、抗?jié)B性能好、耐磨抗疲勞性能好，在高速公路建設中得到了廣泛應用。瀝青路面表面常采用AC-13C，級配組成見下頁表4。根據前期馬歇爾試驗確定最佳油石比為5.1%。

1.3試件制備及老化

根據預試驗確定粉膠比為0.8，消石灰（HL）摻量為20%，用以替換礦粉（占礦粉質量）；玄武巖纖維（BF）摻量為0.3%（占瀝青混合料總質量）。制備多種瀝青混合料，具體種類分為：未摻、摻入20%HL、摻入0.3%BF、20%HL+0.3%BF（分別記作CAM、HLAM、BFAM和HLBFAM）。制備老化試件步驟為：（1）將拌和好的瀝青混合料放入烘箱中，135 ℃條件下每隔1 h將混合物在盤子里翻轉一遍，以保證每一份混合物都能完全暴露于空氣中，并且能得到均勻的加熱，經4 h鼓風加熱后完成短期老化；（2）將老化后的散料成型為試件；（3）將試件置于85 ℃的鼓風烘箱中加熱120 h，完成長期老化。在受熱時，要確保托架的穩(wěn)定性，并且不與樣品接觸，以免樣品發(fā)生變形。所制老化瀝青混合料名稱為前四種瀝青混合料名稱后加上老化后的代號-A，例如：CAM-A表示老化后的普通瀝青混合料。按上述流程成型車轍板，并切割成小梁試件備用。

1.4損傷自愈合試驗

瀝青混合料自修復有兩種方式：瀝青-骨料界面粘接修復和瀝青-骨料內粘接修復。鑒于瀝青混凝土中的微觀裂紋是其疲勞損傷積累的主要原因，目前對其疲勞修復機制的認識主要集中在膠凝材料粘結修復方面。

現有研究認為，自修復依賴于瀝青中分子從裂縫一側向另一側的擴散（見圖1），并據此將其劃分為三個階段：（1）裂縫界面的浸潤；（2）分子的擴散；（3）漫射分子的無規(guī)則重聚。之后，從裂縫處潤濕范圍大小、材料表現出的剛度等參數或者是材料表面能的角度對瀝青混合料的自愈合行為進行表征［12］。然而，在新裂隙中并不一定完全匹配，如裂隙太大難以浸潤，導致分子難以擴散和聚合。有部分學者試圖從毛細流動理論的角度來研究瀝青混合料的自修復問題，提出了一種新的思路：在瀝青混合料的自修復問題中，裂縫之間不可避免地存在著接觸點，這些接觸點之間存在著壓力差，當溫度達到一定程度，瀝青混合料呈現牛頓流體狀態(tài)時，壓力差將促使瀝青混合料發(fā)生毛細流動，從而導致裂縫的閉合（見圖2）。此外，黏稠性材料的觸變性還可以用來解釋瀝青混合料的自修復行為，即在外部荷載的作用下，瀝青混合料的黏度會發(fā)生改變，而這種改變在觸變性理論中是可以通過大分子間尺度弱鍵的演變實現可逆的，即當外力消失后，其黏度會自動回復到初始狀態(tài)［13］。

由于瀝青路面的自修復主要是在無載荷狀態(tài)下進行，因此考慮在兩個疲勞加載中增加一個愈合時間，即“疲勞—愈合—再疲勞”加載。瀝青混合料試件經過第一次疲勞試驗，達到相應的損傷狀態(tài)后，置于規(guī)定環(huán)境中自行修復，并在一定的時間后進行第二次疲勞試驗，以測試不同條件下的自愈合性能，以此為指標評價其疲勞性能。

采用四點彎曲疲勞試驗，考慮溫度及初始損傷程度兩個影響因素，將試驗分A、B、C三組并按如下步驟進行：

（1）設置試驗溫度為17 ℃，三組均采用控制應變水平加載，應變水平為650 με，頻率為10 Hz，連續(xù)偏正弦波加載，其中在A、B組勁度模量降低到初始值的50%、C組為70%時，測試終止。

（2）完成初次疲勞試驗后，三組試件均放入恒溫箱中，不同溫度條件下靜置5 h，其中A、C組溫度為17 ℃，B組為60 ℃。靜置5 h后，將所有試件放入17 ℃恒溫箱中3 h，待其達到試驗溫度后進行下一步驟。

（3）將靜置后的試件再次進行疲勞測試，相關參數設置同步驟（1）。試驗的自愈合條件見表5。

2基于損傷自愈合結果分析

待自愈合試驗完成后，記錄初次循環(huán)加載時的疲勞壽命（Nf）、初始勁度模量（S0）、試驗終止時的勁度模量（St）、第二次循環(huán)加載時的疲勞壽命（Nfh）、初始勁度模量（Sh0）、試驗終止時的勁度模量（Sht），試驗結果見表6。

由于損傷自愈合是一個漫長且復雜的過程，其影響無法用單一的指標來描述。因此，本文采用自愈合率（HI）表達式進行計算分析，見式（1）：

HI=DbDa×100%（1）

式中：Db——初次循環(huán)加載時的勁度模量下降速率；

Da——第二次循環(huán)加載的勁度模量下降速率。

本試驗中D的計算如式（2）、式（3）所示：

Db=S0-StNf（2）

Da=Sh0-ShtNfh（3）

繪制不同溫度、損傷程度條件下，四種不同類型的瀝青混合料的自愈合率HI值，如下頁圖3所示。

對比三種自愈合條件可發(fā)現，過多的疲勞損傷積累，會極大地削弱瀝青混合料自愈合能力，經70%的損傷積累后，自愈合性能下降了75%～90%，而同溫度下50%損傷程度的自愈合性能僅為45%。此外，瀝青混合料在相同損傷條件下，溫度越高自愈合率越高。由圖3（a）可知，瀝青混合料加入消石灰后，在60 ℃下的自愈合性最好，其自愈合率可達96%，而在17 ℃下則不會有顯著的改善作用。當損傷條件為50%，單摻玄武巖纖維的瀝青混合料自愈合效果有所下降。其原因是瀝青混合料內部還處在微裂紋擴展階段，此時瀝青界面間的潤濕擴散條件良好，纖維的“橋接”對瀝青分子的擴散沒有顯著的促進作用，而且部分纖維在膠漿中的分布不均勻，會妨礙其自由運動、聚合，從而使其與骨料的結合性能下降；而在70%損傷條件時，混合料內部的微裂縫已經開始擴展，纖維對瀝青分子的“橋接”作用開始顯現，使其具有更好的擴散條件，擁有更好的自愈合性能，其自愈合率提升了2倍。玄武巖纖維與消石灰同時摻入的瀝青混合料具有較好的自愈合性能，在較大的初始損傷和高溫條件下（C、B條件），其自愈合率增加了6%～15%。另外，高溫老化對混合料影響不大，在上述兩種情況下，其自愈合性能下降幅度約為16%～26%。

伴隨著瀝青混合料的老化，其自愈合性能有一定程度的下降，此處引入自愈合指數衰減率（HIDR）表征老化后自愈合性能衰減的程度以及反映老化作用對疲勞損傷過程的影響。用HIDR進行疲勞性能分析時，其定義如式（4）所示。按式（4）計算各瀝青混合料在三種自愈合條件下的HIDR值，結果如圖4所示。

HIDR=HI1-HI2HI×100%（4）

式中：HIDR——自愈合指數衰減率；

HI1——老化前的自愈合率；

HI2——老化后的自愈合率。

綜上所述，在較高的溫度范圍內，加入消灰劑可以促進瀝青混合料的疲勞修復，其自愈合率可達77%。玄武巖纖維的加入，在較輕的損傷下，不能促進自愈合，而在較重的損傷下，“橋接”效應明顯，可將自愈合速率提高1倍。同時，添加玄武巖纖維和消石灰的復合改性瀝青混合料能在高溫、高損傷狀態(tài)下保持＞20%的自愈合能力。結果表明，老化對瀝青混合料在高溫、高損傷條件下的自愈合能力有顯著的影響，主要原因在于瀝青老化后其輕質成分會降低，使流動性降低，從而嚴重影響其高溫下的自愈合能力，而過度累積的疲勞損傷會導致脆性老化瀝青材料內部裂紋擴大，導致瀝青分子難以再回流擴散進行愈合。同時，HIDR也證實了在熱老化過程中，添加玄武巖纖維和消石灰能夠提高瀝青混合料的疲勞自愈合性能。

3結語

（1）在多種試驗條件下，各種類型的瀝青混合料都具有不同程度的自愈合性能。其中，高溫（60 ℃）條件下，瀝青混合料的自愈合率（HI）較中溫（17 ℃）提高了35%～43%，且溫度對自愈合率的影響顯著。而在自愈合之前，過度的疲勞損傷會對自愈合效果產生嚴重的負面影響，達到70%的疲勞損傷時自愈合率只有10%～25%，自愈合效果很差。

（2）消石灰在中溫時，更容易與瀝青中的極性官能團發(fā)生反應，提高兩者之間的吸附性能，從而改善瀝青的自愈合性能。玄武巖纖維的添加對混合料的自愈合能力有一定的影響，當初始疲勞破壞程度為50%時，自愈合能力下降約3%～7%；在疲勞損傷期，強度模量降低至原來的50%左右時，瀝青混合料內部仍處在微觀裂紋的發(fā)展階段，并未產生宏觀裂紋。

（3）同時添加消石灰和玄武巖纖維的瀝青混合料，在較大初始損傷（C條件）和較高溫度下（B條件）都具備較好的自愈合能力，相對普通礦粉瀝青混合料，其自愈合（HI）分別增長15%和6%，且老化后自愈合能力衰減程度較小，衰減幅度＜20%。

（4）在復合損傷狀態(tài)下，從自愈合率（HI）和自愈合指數衰減率（HIRD）兩個角度對瀝青混合料的疲勞性能進行評估時，二者都能較好地反映反復加載下的損傷修復過程，且與疲勞特征有較好的關聯性，可被用作疲勞性能評估的指標。

參考文獻：

［1］Shen S H，Chiu H，Huang H.Characterization of fatigue and healing in asphalt binders［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2010，22（9）：846-852.

［2］Lee S J，Rust J P，Hamouda H，et al.Fatigue cracking resistance of fiber-reinforced asphalt concrete［J］.Textile Research Journal，2005，75（2）：123-128.

［3］Sim J，Park C.Characteristics of basalt fiber as a strengthening material for concrete structures［J］.Composites Part B：Engineering，2005，36（6）：504-512.

［4］馬海濤.玄武巖纖維對高速公路瀝青混凝土抗疲勞性能改善的研究［J］.交通科技，2016（6）：113-116.

［5］傅珍，黃振，馬峰.玄武巖纖維對老化瀝青混合料路用性能的影響［J］.材料導報，2016，30（2）：118-122.

［6］European Lime Association.The Hydrated Lime，a Proven Additive for Durable Asphalt Pavements［R］.Report to the European Lime Association，Asphalt Task Force，2011.

［7］Lee S.Investigation of the Effects of Lime on the Performance of HMA using Advanced Testing and Modeling Techniques［D］.Raleigh，North Carolina：Worth Carolina State University，2007.

［8］Little D N，Petersen J C.Unique effects of hydrated lime filler on the performance-related properties of asphalt cements：Physical and chemical interactions revisited［J］.Journal of materials in civil engineering，2005，17（2）：207-218.

［9］Das A K，Singh D.Evaluation of fatigue performance of asphalt mastics composed of nano hydrated lime filler［J］.Construction and Building Materials，2021（269）：121322.

［10］Lesueur D，Little D N.Effect of hydrated lime on rheology，fracture，and aging of bitumen［J］.Transportation Research Record，1999，1661（1）：93-105.

［11］曹林輝，孫大權，梁果，等.瀝青混凝土疲勞損傷自愈合行為研究進展（3）：自愈合理論與行為方程［J］.石油瀝青，2012，26（4）：1-5.

［12］Lv Q，Huang W，Zhu X，et al.On the investigation of self-healing behavior of bitumen and its influencing factors［J］.Materials amp; Design，2017（117）：7-17.

［13］García .Self-healing of open cracks in asphalt mastic［J］.Fuel，2012（93）：264-272.

作者簡介：霍典（1988—），碩士，工程師，主要從事高速公路養(yǎng)護工作。