沥青砂浆的热诱导自愈合性能研究*

何　凡　唐　进　刘全涛

(武汉理工大学材料科学与工程学院1)　武汉　430070)　(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室2)　武汉　430070)



沥青砂浆的热诱导自愈合性能研究*

何凡1)唐进2)刘全涛2)

(武汉理工大学材料科学与工程学院1)武汉430070)(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室2)武汉430070)

热诱导自愈合能够有效修复沥青混凝土中的裂纹，有望成为先进的沥青路面养护技术.采用三点弯曲断裂—愈合—再断裂试验，以强度恢复率为自愈合指标，研究了3种典型沥青砂浆在不同愈合温度和不同愈合时间下的自愈合效率.结果表明,SK-70沥青砂浆和SK-90沥青砂浆均在稍微高于沥青软化点的温度时自愈合性能最好，而SK-SBS改性沥青砂浆在愈合温度到达沥青软化点之前就已经具有了较好的自修复性能.探讨了基质沥青与改性沥青的自愈合机理,其中基质沥青的自愈合机理主要是沥青向裂纹中粘性流动以及裂纹界面处沥青分子的相互浸润和扩散，而改性沥青砂浆的自愈合是沥青分子流动扩散和SBS链段弹性恢复共同作用的结果.

沥青砂浆；热诱导自愈合；裂纹；愈合机理

0　引　　言

沥青混凝土具有一定的自愈合性能，在荷载间歇期，沥青混凝土中小于某尺度(阈值尺度)的微裂纹会自动愈合，使其性能得到恢复[1].利用沥青混凝土的自愈合性能在沥青路面出现宏观损害之前就进行及时养护，是美国、荷兰、瑞士、英国等国家近些年来所倡导的先进沥青路面养护理念[2].然而，当温度过低时沥青分子的浸润、扩散等热力学运动受阻，沥青混凝土就不能实现自愈合[3].对于不能自动愈合的沥青混凝土，如通过加热提高沥青分子的浸润和扩散速率，则可诱使其产生裂纹自愈合.沥青路面冬天出现的裂纹在夏天可以自动愈合，这是在公路上可以观察到的热诱导自愈合的例子.受该自然现象中的启示，Schlangen[4]提出了沥青混凝土感应加热自愈合法，其思路是将导电钢纤维掺加到沥青混凝土中使其可以用于感应加热，当沥青混凝土中产生微裂纹时，利用感应加热升高其温度，提高其自愈合性能，从而达到修复裂纹的目的.研究表明，感应加热自愈合可以有效修复沥青混凝土中的微裂纹，从而大幅度延长其服役寿命，有望成为先进的沥青路面裂缝防治技术[5-7].据荷兰交通部研究和测算，利用沥青混凝土感应加热自愈合技术，可以使沥青路面的服役寿命延长50%以上，即使其成本加倍仍可使每公里的沥青路面全生命周期内节约31.6万欧元的养护和管理费用.如果我国有20%的沥青路面使用自愈合沥青混凝土，整个生命周期内将节省2万亿元的养护和管理费用，相当于“十二五”期间我国年均交通基本建设投资额的1.6倍.因此，热诱导沥青混凝土自愈合具有显著的技术优势和广阔的应用前景.

然而，沥青混凝土热诱导自愈合仍然存在若干亟待解决的关键问题.例如，不同沥青制备的沥青混凝土(沥青砂浆)在什么加热温度下愈合效果最好，最佳自愈合温度与沥青的软化点之间是否存在内在联系？在最佳自愈合温度下是否存在一个最佳的自愈合时间？解决这些问题对于深入理解沥青混凝土的热诱导自愈合行为，以及在不同地区应用热诱导自愈合进行路面修复都具有重要的指导意义.

文中利用三点弯曲断裂—愈合—再断裂实验，以强度恢复率为自愈合指标，主要研究几种典型的沥青砂浆小梁在不同热诱导温度下的自愈合性能，分析不同沥青砂浆自愈合性能的差异，探究不同沥青砂浆的最佳自愈合温度和自愈合时间及其与沥青软化点之间的关系.

1　原材料与实验

采用沥青、砂石、矿粉按1∶5∶1的质量比(与沥青混凝土中砂浆的组成相当)制备沥青砂浆.所用的3种典型沥青分别为SK-70道路石油沥青、SK-90道路石油沥青、SK-SBS改性沥青,并按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的要求对这3种典型沥青进行了针入度和软化点的试验测量，试验结果见表1.所用的矿粉为普通石灰岩矿粉，所用的石料为粒径小于1.18 mm的石灰岩石料，石料的具体尺寸规格见表2.

表1　3种沥青的针度及软化点

表2　石灰岩规格

将沥青、石料和矿粉按比例拌和均匀后，采用图1所示的耐高温硅胶模具成型中间带矩形槽口(槽宽和槽深均为3 mm)的沥青砂浆小梁试件，试件尺寸为125 mm×15 mm×10 mm.

图1　硅胶模具及成型的小梁试件

在-20 ℃下，利用弯曲梁流变仪(BBR)对沥青砂浆小梁样品进行三点弯曲试验，使其产生从槽口顶端到施力点的贯穿性裂纹，并记录下此时显示的最大弯曲应力的荷载值F1.将三点弯曲试验后断裂的沥青砂浆小梁试件放置在硅胶磨具中一起放入烘箱中对其进行热诱导自愈合，其中70#与90#沥青砂浆小梁试样分别在常温(25 ℃)，40，50，60，90 ℃下进行热诱导自愈合；SBS改性沥青砂浆小梁试样分别在常温(25 ℃)，40，60，80，90 ℃下进行热诱导自愈合.将经过规定时间的热诱导自愈合后的青砂浆小梁试件在-20 ℃下冷却，最后对热诱导自愈合后的沥青砂浆小梁试样再次进行三点弯曲试验，使其再次产生从槽口顶端到施力点的贯穿性裂纹，记录此时的最大弯曲应力的荷载值F2.利用愈合后与初始三点弯曲试验测出的最弯曲大应力的荷载比值(F2/F1即强度恢复率)来表征沥青砂浆热诱导裂纹自愈合的水平，研究不同沥青砂浆在不同加热温度、不同加热时间下自愈合性能的变化规律，揭示不同等级的沥青制备的沥青砂浆的自愈合最佳温度及其与沥青软化点的关系，分析基质沥青与SBS改性沥青砂浆受热后自愈合性能的差异以及SBS对沥青砂浆自愈合性能的影响.

2　结果与讨论

2.1SK-70道路石油沥青砂浆的热诱导自愈合性能

文中研究了采用SK-70道路石油沥青制备的沥青砂浆在常温(25 ℃)，40，50，60和90 ℃ 4个不同加热温度下的自愈合性能及其与加热时间之间的关系.在不同加热温度、加热时间下SK-70沥青砂浆的自愈合试验的结果见图2.

图2　SK-70沥青砂浆不同加热时间下的自愈合率

由图2可知，升高温度或延长加热时间均能够显著提高SK-70沥青砂浆的自愈合率，高温下沥青砂浆能较快地获得了较好的自愈合性能，其原因是沥青温度的升高打破了其凝胶状态，使沥青分子团演变成溶胶状态，沥青粘度降低、沥青分子流动扩散的能力大大增长，从而使沥青砂浆具有更好的自愈合性能.从上述试验结果可以看出，升高加热温度，可以减少沥青砂浆达到最佳自愈合率所需的加热时间；在各加热温度下，沥青砂浆存在一个最佳自愈合率(所能达到的最大值)和最佳加热时间；当愈合温度升高到一定温度时，继续升高温度将不能再提高沥青砂浆的自愈合率，反而可能因为沥青渗漏和老化而降低其力学性能.

表3总结了SK-70沥青砂浆不同加热温度下的最高自愈合率与最佳加热时间.由表3可知，热诱导温度在超过50 ℃之后便对沥青砂浆的愈合率没有了影响，此时升高热诱导温度不仅会浪费能源，而且易使沥青发生老化影响其力学性能，故SK-70沥青砂浆的最佳自愈合温度为50 ℃.联系SK-70沥青的软化点(46.7 ℃)，说明SK-70沥青砂浆在稍高于沥青软化的温度时其自愈合效果最好.其原因是对于沥青材料，当自愈合温度高于其软化点时，沥青材料呈近牛顿流体，其流动性能较好，沥青将在毛细管原理的作用下填充细微裂缝，并在沥青内部分子的扩散重组下，使裂缝渐渐愈合直到恢复成原来的样子.而当较低温下，沥青材料可以被看作是固体而不是完全的牛顿流体，毛细管作用十分有限，裂缝发生闭合和湿润的速度很缓慢，沥青分子的扩散和重组也很缓慢，此时沥青的自愈合能力很差，虽然也有自愈合发生，但是材料恢复十分缓慢并且愈合率也较低.

表3　SK-70沥青砂浆不同加热温度下的最高自愈合率与最佳加热时间

2.2SK-90道路石油沥青砂浆的热诱导自愈合性能

文中研究了采用SK-70道路石油沥青制备的沥青砂浆在常温(25 ℃)，40，50，60 和90 ℃四个不同加热温度下的自愈合性能及其与加热时间之间的关系.在不同加热温度、加热时间下SK-70沥青砂浆的自愈合试验的结果见图3.

图3　SK-90沥青砂浆不同加热温度、时间下的自愈合率

由图3可知，在不同加热温度和加热时间作用下，SK-90沥青砂浆的自愈合性能的变化规律与SK-70沥青砂浆十分相似，均表现出较高的温度依赖性.当加热温度较低时，试件的自愈合率随加热时间的延长缓慢上升，但是需要经过很长时间才能达到其自愈合的极限；而当温度较高时，试件的自愈合率随加热时间的延长而快速上升，并能在较短时间内达到自愈合的极限值(最高自愈合率).

表4　SK-90沥青砂浆不同加热温度下的最高自愈合率与最佳加热时间

表4总结了SK-90沥青砂浆不同加热温度下的最高自愈合率与最佳加热时间.由表4可知，SK-90沥青砂浆的最佳自愈合温度也为50 ℃，联系SK-90沥青的软化点(44.3 ℃)，说明SK-90沥青砂浆也在稍高于沥青软化点的温度自愈合性能最好，其最佳加热时间为50 min.

2.3SK-SBS改性沥青沥青砂浆的热诱导自愈合性能

采用SK-SBS改性沥青制备的沥青砂浆在常温(25 ℃)、40 ℃、60 ℃、80 ℃和90 ℃四个不同加热温度下的自愈合性能及其与加热时间之间的关系见图4.

图4　SK-SBS改性沥青砂浆在不同加热温度、时间下的自愈合率

由图4可知，在不同加热温度下SK-SBS改性沥青砂浆的自愈合性能表现出了与基质沥青砂浆不同的变化趋势：一是在沥青软化点温度之下的愈合温度时(40 ℃和60 ℃)，延长加热时间能够显著提高沥青砂浆的自愈合率，直到达到极限自愈合率；二是在愈合温度高于SK-SBS改性沥青的软化点时，沥青在较短的时间内已经达到了较好的自愈合率，延长加热时间对沥青砂浆自愈合性能的增强作用并不明显.

表5总结了SK-SBS沥青砂浆在不同加热温度下的最高自愈合率与其最佳的加热时间.由表5可知，SK-SBS沥青砂浆在加热至60 ℃时就已经具有了较好的自愈合性能，自愈合率达到了90%以上，其最佳加热时间为50 min.联系SK-SBS改性沥青的软化点(79.3 ℃)，说明SK-SBS改性沥青砂浆在愈合温度到达沥青软化点之前就已经具有了较好的自修复性能，其原因在于沥青砂浆中的SBS链段的恢复促使裂纹的闭合，从而较大程度上提高了沥青砂浆的自愈合能力.

表5　SK-SBS沥青砂浆不同加热温度下的最高自愈合率与最佳加热时间

2.4不同沥青砂浆自愈合性能的差异

从上述试验结果可以看出，SK-70号道路石油沥青砂浆与SK-90道路石油沥青砂浆的自愈合性能比较相似，两者都是在稍高于沥青软化点的愈合温度下其自愈合性能最佳.与基质沥青砂浆相比，SK-SBS改性沥青砂浆在愈合温度未达到沥青软化点之前就已经获得了较好的自愈合性能.这一差异可从基质沥青和SBS沥青自愈合的机理方面来加以解释.

基质沥青的自愈合机理主要是沥青向裂纹中粘性流动以及裂纹界面处沥青分子的相互浸润和扩散，温度越高则沥青流动速率和沥青分子扩散速率越高，沥青的自愈合性能也就越好.当愈合温度高于基质沥青的软化点时，沥青已接近于近牛顿流体，具有很好的流动性能，从而促使裂纹的愈合.因此，基质沥青在愈合温度稍高于其软化点时具有最佳的自愈合性能.之后继续升高愈合温度，将不能再提高沥青砂浆的自愈合率，反而会加深沥青的老化，影响其力学性能.而SK-SBS改性沥青砂浆自愈合的机理与基质沥青不同.SBS聚合物(苯乙烯—丁二烯—苯乙烯三嵌段共聚物)存在2个玻璃转化温度，其第一个玻璃化转变温度(tg1)在-88～-83 ℃之间，其第二个玻璃化转变温度(tg2)在90 ℃左右.在tg1～tg2温度之间，其端基聚苯乙烯聚集在一起形成微区分散于聚丁二烯连续相之间，起到物理交联、固定链段、硫化增强及防冷流作用，是SBS改性具有较好的弹性的原因；而当温度升至tg2时，聚苯乙烯相软化和流动使得SBS改性沥青具有较好的流动性能.因此，SK-SBS改性沥青砂浆的自愈合是沥青分子流动扩散和SBS链段弹性恢复共同作用的结果.在较低的温度下，SK-SBS改性沥青砂浆的自愈合性能优于SK-70道路石油沥青砂浆与SK-90道路石油沥青砂浆，其原因正是SBS链段弹性恢复的结果.于是在沥青分子流动扩散和SBS链段弹性恢复的共同作用下，SK-SBS改性沥青砂浆在愈合温度未达到沥青软化点之前就获得了较好的自愈合性能.在温度升至90 ℃(SBS玻璃化转变温度)聚苯乙烯相软化和流动使得SBS改性沥青具有较好的流动性能，此时SK-SBS改性沥青砂浆的自愈合机制才变得和基质类似，此时自愈合才是沥青分子流动和扩散作用的结果.

3　结　　论

1) SK-70沥青砂浆和SK-90沥青砂浆均在稍微高于沥青软化点的温度(50 ℃)时自愈合性能最好，自愈合率均达到了90%以上，其最佳自愈合时间都是50 min.

2) SK-SBS沥青砂浆软化点是79.3 ℃，但其在加热至60 ℃时就已经具有了较好的自愈合性能，自愈合率达到了90%以上，说明SK-SBS改性沥青砂浆在愈合温度到达沥青软化点之前就已经具有了较好的自修复性能.

3) 基质沥青和SBS沥青自愈合的机理不同：基质沥青的自愈合机理主要是沥青向裂纹中粘性流动，以及裂纹界面处沥青分子的相互浸润和扩散，温度越高则沥青流动速率和沥青分子扩散速率越高，沥青的自愈合性能也就越好；改性沥青砂浆的自愈合是沥青分子流动扩散和SBS链段弹性恢复共同作用的结果.

[1]孙大权，张立文，梁果.沥青混凝土疲劳损伤自愈合行为研究进展(1)-自愈合行为机理与表征方法[J].石油沥青，2011，25(5)：7-11.

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[4]SCHLANGEN E. Induction healing of porous asphalt concrete [D]. Delft:Delft University of Technology, 2012.

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[6]LIU Q, WU S P, SCHLANGEN E. Induction healing of asphalt mastic for crack control [J]. Construction and Building Materials, 2013(41):345-351.

Thermally Activated Self-healing of Asphalt Mastic

HE Fan1)TANG Jin1)LIU Quantao2)

(WuhanUniversityofTechnology,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,Wuhan430070,China)1)(WuhanUniversityofTechnology,StateKeyLaboratoryofSilicateMaterialsforArchitectures,Wuhan430070,China)2)

Thermally activated self-healing of asphalt concrete can effectively heal the cracks of asphalt concrete, thus being a promising advanced cracking maintenance technology for asphalt pavement. Three point bending fracture-healing-fracture test is employed to study the thermally activated healing of three asphalt mastics and the strength recovery ratio is used as a healing index. It is found that both SK-70 asphalt mastic and SK-90 asphalt mastic show the optimal self-healing ratios when the healing temperature is slightly higher than the softening point of the two binders, while SK-SBS modified asphalt mastic reaches its optimal self-healing ratio before the temperature reaching the softening point of the modified binder. The healing mechanisms of base asphalt mastic and SBS modified asphalt mastic are explored: the healing of base asphalt mastic is due to the viscous flow of asphalt and the diffusion of asphalt molecules at crack surfaces, while the healing of SBS modified asphalt mastic is a combined result of asphalt flow and the elastic recovery of SBS networks.

asphalt mastic; thermally activated healing; cracks; healing mechanism

2016-06-24

TU528.42

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.04.026

何凡(1996- )：男，主要研究领域为沥青路面材料

*国家自然科学基金项目(51508433)、国家国际科技合作专项项目(2013DFE83100)、教育部留学回国人员科研启动基金项目(2015j0018)资助