關(guān)鍵詞
道路工程 | 瀝青混合料 | 高壓滲水試驗(yàn) | 自愈性能 | 間歇式疲勞壽命 | 劈裂愈合強(qiáng)度比
引言
裂縫是瀝青路面最常見(jiàn)的病害之一，它是由微裂縫在溫度及荷載耦合作用下逐步形成的。如不及時(shí)采取措施，微裂縫將在縫端集中應(yīng)力作用下進(jìn)一步擴(kuò)展，最終形成貫通裂縫。在較高溫度下瀝青混合料具有一定的自愈能力［１］，但該過(guò)程極其緩慢，其自修復(fù)能力有限。有研究表明，瀝青混合料微膠囊技術(shù)可提高其自愈能力，使微裂縫得到及時(shí)主動(dòng)的修復(fù)，抑制裂縫發(fā)展，推遲貫通縫的形成［２－３］。利用瀝青混合料的自愈合性能，在瀝青路面出現(xiàn)宏觀裂縫之前及時(shí)進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，是近年來(lái)先進(jìn)的瀝青路面養(yǎng)護(hù)理念之一。微膠囊是利用封裝材料將固體、液體或氣體等小顆粒核心材料封存成的固體微粒，在結(jié)構(gòu)上一般由囊芯、囊壁和包裹材料組成，其中囊芯為核心功能材料。微膠囊可用界面聚合［４］、凝聚［５］、原位聚合［６］、吸附［７］等方法制備。目前，國(guó)內(nèi)外研究人員應(yīng)用不同方法制備出了多種路用微膠囊。Ｓｈｒｉｚａｄ等［４］采用原位聚合方法制備了一種以葵花籽油為囊芯的微膠囊；Ｇａｒｃｉａ等［８］采用多孔砂作為修復(fù)劑載體，以環(huán)氧樹(shù)脂和水泥作為囊壁材料， 制成了直徑為１～２ｍｍ 的微膠囊；Ｌｉ等［９］采用脲甲醛樹(shù)脂作為壁材，基于原位聚合方法制備出路用微膠囊；Ｓｕ 等［１０］使用甲醇－三聚氰胺－甲醛（ＭＭＦ）高分子聚合物作為膠囊壁材制備出了路用微膠囊。
如何科學(xué)地評(píng)價(jià)瀝青混合料的自愈效果，是推廣應(yīng)用該技術(shù)的關(guān)鍵之一，國(guó)內(nèi)外對(duì)此展開(kāi)了研究。Ｂａｚｉｎ等［１１］采用直接拉伸試驗(yàn)測(cè)試瀝青混合料小梁的拉伸強(qiáng)度，并將破壞后的小梁對(duì)接并置于不同溫度條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，測(cè)試愈合后小梁的拉伸強(qiáng)度，以 愈后與原樣瀝青混合料的拉伸強(qiáng)度比評(píng)價(jià)其自愈性。Ｑｉｕ［１２］分析了拉伸強(qiáng)度比隨愈合時(shí)間的變化規(guī)律。Ｇａｒｃｉａ［１３］率先采用間歇式疲勞試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的自愈性能，該方法將傳統(tǒng)試驗(yàn)方法的連續(xù)式加載改為間歇式加載，在加載間歇期瀝青混合料發(fā)生一定程度的愈合，使得瀝青混合料的疲勞壽命延長(zhǎng)。黃明等［１４－１５］分析了瀝青混合料的疲勞壽命比及其影響因素。Ｋｉｍ 等［１６］、Ｃａｒｐｅｎｔｅｒ等［１７］采用耗散能理論研究了瀝青混合料在間歇式荷載作用下的自愈性能，并采用耗散蠕變應(yīng)變能的變化率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。Ｐｒｏｎｋ［１８］基于耗散能理論建立了瀝青混合料的自愈模型。Ａｇｕｉｒｒｅ等［１９］采 用光學(xué)顯微鏡觀測(cè)微膠囊瀝青混合料在不同愈合時(shí)間的裂縫寬度，采用自愈效率 Ｈｅ評(píng)價(jià)其自愈性（Ｈｅ為裂縫在愈合一定時(shí)間后的寬度與初始寬度的比值）。Ｓｕ等［２０］發(fā)明了彈性橡膠支座梁的重復(fù)加載試驗(yàn)方法（ＢＯＥＦ）。該方法將帶有預(yù)制裂縫的小 梁兩端用鋁棍支撐，小梁中部正下方放置有一彈性橡膠塊；施加豎向荷載后，小梁會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，并與橡膠 塊接觸，使得橡膠塊產(chǎn)生彈性壓縮變形；卸載后橡 膠塊向上恢復(fù)變形，瀝青混合料小梁恢 復(fù)至水平狀態(tài)，裂縫得到閉合；然后將其放置在０ ℃ 下自愈２４ｈ，重復(fù)加載－卸載－自愈的過(guò)程，最后用裂縫寬度評(píng)價(jià)其自愈性。
本文開(kāi)發(fā)一種基于高壓滲水的密級(jí)配瀝青混合料自愈性能的測(cè)試裝置與評(píng)價(jià)方法，確 定最小樣本數(shù)、愈合溫度、愈合時(shí)間等關(guān) 鍵試驗(yàn)參數(shù)，并與間歇式疲勞試驗(yàn)劈裂及愈后強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，以證明本文方法的有效性。
密級(jí)配瀝青混合料自愈性測(cè)試裝置
水分會(huì)通過(guò)混合料的裂縫滲透，滲水速率反映了裂縫的大小。瀝青混合料的自愈性會(huì)改變裂縫尺寸，進(jìn)而影響滲水速率?；谏鲜鲈恚疚拈_(kāi)發(fā)了基于高壓滲水的密級(jí)配瀝青混合料裂縫自愈性測(cè)試裝置，如 圖 １ 所示。其中密封水箱內(nèi)徑為 １０２．５ｍｍ，外徑為１０４ ｍｍ，高度為３００ ｍｍ；氣泵氣壓為０～１．０ ＭＰａ。
利用該裝置測(cè)試密級(jí)配瀝青混合料自愈性的步驟如下：①采用馬歇爾方法制備直徑為１０１．６ ｍｍ，高６３．５ ｍｍ 的圓柱體試件，然后在低溫下采用劈裂方法制縫；②在圓柱體試件的側(cè)面全高度涂抹黃油，將其裝入密閉水箱中，檢查試件邊緣的密封情況，并刮去多余的黃油；③向水箱內(nèi)注入足量的水，然后關(guān)閉水閥使水箱密封，并記錄流量值 Ｑ１；④ 接通氣泵，打開(kāi)氣閥向水箱內(nèi)充氣，待顯示屏上的數(shù)值達(dá)到０．７ＭＰａ后，關(guān)閉進(jìn)氣閥；⑤ 擰動(dòng)密閉水箱底部開(kāi)口螺絲開(kāi)始滲水試驗(yàn)，同步啟動(dòng)秒表記錄試驗(yàn)時(shí)間ｔ；⑥經(jīng)規(guī)定時(shí)間ｔ后，滲水試驗(yàn)結(jié)束，觀察密封水箱內(nèi)刻度線的讀數(shù)Ｑ２，滲水速率ｖ 按式（１）計(jì)算；⑦ 采用同一試件愈合前與愈合后的滲水速率比值ｖｅ 評(píng)價(jià)密級(jí)配瀝青混合料自愈性能［式（２）］，ｖｅ 越大，說(shuō)明密級(jí)配瀝青混合料自愈性越好。
ｖ＝（Ｑ１－Ｑ２）／ｔ （１）
ｖｅ＝ｖ１／ｖ２ （２）
式中：Ｑ１，Ｑ２分別為試驗(yàn)前、后的水量；ｖ１，ｖ２ 分別為同一試件愈合前、后的滲水速率。
密級(jí)配瀝青混合料自愈性試驗(yàn)方法
試驗(yàn)材料
室內(nèi)制備試驗(yàn)用微膠囊，由囊芯、囊壁和包裹材料三部分組成，如 圖 ２ 所示。囊芯為 一 種 瀝 青 再 生劑；囊壁為多孔膨脹珍珠巖；包 裹材料由環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑、稀釋劑和液體分散劑組成。瀝青采用 ９０ 號(hào)基質(zhì)瀝青和 ＳＢＳ 改性瀝青，其性能如表１所示。集料采用石灰?guī)r碎石，其壓碎值為１５．８％，其他技術(shù)指標(biāo)如表２所示。
采用４種不同的瀝青混合料進(jìn)行測(cè)試，分別是ＡＣ－１３（９０ 號(hào)基質(zhì)）、ＡＣ－１０（９０ 號(hào)基質(zhì)）、ＳＭＡ－１３（ＳＢＳ改性）、ＳＭＡ－１０（ＳＢＳ 改性），混合料級(jí)配如表３所示，混合料技術(shù)指標(biāo)如表４所示。
試驗(yàn)參數(shù)的確定
（１）愈合時(shí)間
分別測(cè)試微膠囊摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下文同）為０ 與摻量為６％的 ＡＣ－１３混合料在不同愈合時(shí)間下的滲水速率比（ｖｅ），愈合溫度分別為１５ ℃、３０ ℃與４５℃，結(jié)果如圖３所示。
由圖３ 可知，在１２ｈ 前ｖｅ 隨時(shí)間呈近似線性增加，而后增長(zhǎng)極為緩慢，說(shuō)明１２ｈ 后密級(jí)配瀝青混合料的自愈趨于結(jié)束，由此確定愈合時(shí)間為１２ｈ。
（２）愈合溫度
分別測(cè)試微膠囊摻量為０和６％的ＡＣ－１３混合料在不同愈合溫度下的滲水速率比ｖｅ，愈合溫度分別為０℃、１５℃、３０℃、４５℃與６０℃，結(jié)果如圖４所示。由圖４可知，ｖｅ隨愈合溫度的升高而增大，當(dāng)愈合溫度為６０℃時(shí)，滲水速率在５ｍＬ·ｍｉｎ－１之內(nèi)，基本不滲水。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，接近試件表面的裂縫面被瀝青堵塞，而試件中間的裂縫面被瀝青堵塞的現(xiàn)象并不明顯，說(shuō)明過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致接近試件表面的裂縫被瀝青堵塞，進(jìn)而影響試驗(yàn)結(jié)果。因此，確定愈合溫度為４５℃。
（３）制縫溫度
有研究表明：當(dāng)制縫溫度為 －５ ℃ ～ －１０ ℃時(shí)，裂縫表面平整，少數(shù)粗集料破裂，屬脆性劈裂，裂縫難以愈合；當(dāng)制縫溫度為２ ℃～７ ℃時(shí)，裂縫表面粗糙，沒(méi)有發(fā)生粗集料破裂現(xiàn)象，裂縫可以愈合；當(dāng)縫溫度高于１０ ℃時(shí)，在劈裂過(guò)程中試件變形，難以完全劈裂，裂縫可以愈合［２１］。表５為５ ℃下制縫后所測(cè)試的密級(jí)配瀝青混合料的滲水速率。由表５ 可知，在５ ℃下制縫的不同密級(jí)配瀝青混合料的滲水速率較為接近，最大偏差為７．２％，說(shuō)明在該溫度下能制得較為穩(wěn)定的微裂縫。因此，推薦制縫溫度為５ ℃±２ ℃。
（４）最小樣本數(shù)
合理的樣本數(shù)ｎ與試驗(yàn)結(jié)果的離散系數(shù)與置信度有關(guān)，置信度越高，所需要的樣本數(shù)就越大；此外還與誤差限有關(guān)，誤差限是用子樣估計(jì)母體指標(biāo)時(shí)的相對(duì)誤差極限，誤差限一般取為５％。本文選擇置信度為９５％，誤差限為５％，所對(duì)應(yīng)的變異系數(shù)與樣本數(shù)ｎ的關(guān)系如表６所示［２２］。
分別測(cè)試４種不同密級(jí)配瀝青混合料的滲水速率比，每種混合料的微膠囊摻量均為０與６％。制縫溫度為５ ℃，愈合溫度為４５ ℃，愈合時(shí)間為１２ｈ，水壓為０．７ＭＰａ，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表７所示。由表７可知，變異系數(shù)的最大值為０．０２９ １，因此當(dāng)樣本數(shù)ｎ≥４時(shí)，變異系數(shù)滿(mǎn)足置信度為９５％，誤差限為５％的離散性要求，因此確定最小試驗(yàn)樣本數(shù)ｎ＝４。
綜上，確定基于高壓滲水的密級(jí)配瀝青混合料裂縫自愈性試驗(yàn)方法的合理參數(shù)為：愈合時(shí)間１２ｈ，愈合溫度４５℃，制縫溫度５℃±２℃，最小樣本數(shù)ｎ＝４。
密級(jí)配瀝青混合料裂縫自愈性試驗(yàn)方法的驗(yàn)證
敏感性
敏感性是指試驗(yàn)結(jié)果能有效區(qū)分不同混合料類(lèi)型的性能差距。根據(jù)表７結(jié)果進(jìn)一步分析可知：
（１）ＡＣ－１３，ＳＭＡ－１３，ＡＣ－１０ 與ＳＭＡ－１０ 微膠囊瀝青混合料（微膠囊摻量為６％）的ｖｅ 分別為普通瀝青混合料（不摻微膠囊）的２．７５，１．１５，２．９３，１．２２倍，這說(shuō)明ｖｅ 能有效區(qū)分微膠囊摻量對(duì)自愈性能的影響；
（２）當(dāng)微膠囊摻量為６％ 時(shí)，這４ 種瀝青混合料的ｖｅ 分別為１６．２，３．７，１７．６ 與３．９，其測(cè)試結(jié)果的變異系數(shù)為７３．２％，遠(yuǎn)高于２０％，說(shuō)明ｖｅ 能有效區(qū)分混合料類(lèi)型對(duì)自愈性能的影響；
（３）公稱(chēng)最大粒徑越小，ｖｅ 越大，自 愈效果越好；懸浮密實(shí)型級(jí)配 ＡＣ 的自愈效果優(yōu)于骨架密實(shí)型級(jí)配ＳＭＡ，說(shuō)明ｖｅ 能有效甄別公稱(chēng)粒徑與級(jí)配類(lèi)型對(duì)自愈性能的影響。
穩(wěn)定性
當(dāng)對(duì)同種混合料進(jìn)行平行試驗(yàn)時(shí)，希望不同樣本的試驗(yàn)結(jié)果較為穩(wěn)定，即離散性較小。由表７ 可知，同種混合料４ 個(gè)樣品的變異系數(shù)均在３．０％ 以?xún)?nèi)，符合平行性試驗(yàn)誤差較小的原則。
與間歇式疲勞壽命的對(duì)比分析
（1）間歇式疲勞試驗(yàn)方法
間歇式疲勞試驗(yàn)是評(píng)價(jià)瀝青混合料自愈性能較為常見(jiàn)的方法［１３－１５］。該方法將傳統(tǒng)試驗(yàn)方法的連續(xù)式加載改為間歇式加載，在間歇期瀝青混合料發(fā)生一定程度的愈合，疲勞壽命延長(zhǎng)。本文進(jìn)行瀝青混合料小梁的間歇式彎曲疲勞試驗(yàn)（圖５），將加載方式分３個(gè)階段：第１階段，對(duì)小梁試件進(jìn)行無(wú)間隙加載，直至試件破壞，并記錄破壞時(shí)的加載次數(shù) Ｎ１；第２ 階段，先對(duì)小梁試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，加載次數(shù)為Ｎ１／３，而后將試件放置在４５ ℃±１ ℃的環(huán)境箱內(nèi)愈合４８ｈ；第３階段，將第２階段的小梁試件進(jìn)行重復(fù)疲勞試驗(yàn)，直至試件破壞，并記錄破壞時(shí)的加載次數(shù)Ｎ２。各個(gè)階段的試驗(yàn)參數(shù)為：應(yīng)力比為０．４，試驗(yàn)溫度為１５ ℃，加載頻率為１０ Ｈｚ。采用式（３）計(jì)算瀝青混合料的間歇式疲勞壽命 Ｎ，Ｎ 值愈大，表明自愈性能越好。
Ｎ＝Ｎ１／３＋Ｎ２ （３）
（2）ｖｅ 與間歇式疲勞壽命的對(duì)比分析
不同微膠囊摻量 ＡＣ－１３ 混合料（９０ 號(hào)基質(zhì)瀝青）的ｖｅ 與間歇式疲勞壽命 Ｎ 的對(duì)比分析結(jié)果如圖６所示。由圖６可知：當(dāng)微膠囊摻量小于６％ 時(shí)，ｖｅ 與間歇式疲勞壽命均隨微膠囊摻量的增加而逐漸提高；當(dāng)微膠囊摻量超過(guò)６％ 時(shí)，兩者則隨微膠囊摻量的增加而降低，說(shuō)明ｖｅ 與間歇式疲勞壽命在評(píng)價(jià)密級(jí)配瀝青混合料自愈性能方面具有一致性。間歇式疲勞壽命測(cè)試一般需采用 ＭＴＳ 或 ＵＴＭ 等昂貴的設(shè)備，不僅操作復(fù)雜，試驗(yàn)結(jié)果易受應(yīng)力水平、加載頻率等試驗(yàn)條件的影響，而且試驗(yàn)周期長(zhǎng)。相比而言，滲水速率測(cè)試具有操作簡(jiǎn)單，設(shè)備簡(jiǎn)潔，變 異性小的優(yōu)點(diǎn)。
與劈裂愈合強(qiáng)度試驗(yàn)的對(duì)比分析
劈裂愈合強(qiáng)度比 （Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ Ｈｅａｌｉｎｇ ＳｔｒｅｎｇｔｈＲａｔｉｏ，ＳＨＳＲ）可表征瀝青混合料的自愈性能［２３］。瀝青混合料首先在 ５ ℃ 下劈裂，并記錄劈裂強(qiáng)度 Ｓ１，試件如圖７ 所示。將劈裂后 試 件 放 置 在 ４５℃ 烘箱中愈合 １２ｈ，然后冷卻至室溫后放置到５ ℃ 的烘箱中３ｈ；最后從烘箱中取出試件，再一次進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，記錄愈后劈裂強(qiáng)度Ｓ２。采用式（４）計(jì)算ＳＨＳＲ，ＳＨＳＲ 為 ＳＨＳＲ 的計(jì)算參數(shù)，其值越大說(shuō)明自愈性能越好。
（2）ｖｅ與劈裂愈合強(qiáng)度比的對(duì)比分析
測(cè)試不同微膠囊摻量ＡＣ－１３混合料（９０號(hào)基質(zhì)瀝青）的ＳＨＳＲ，結(jié)果如圖８所示。由圖８可知，微膠囊摻量小于６％時(shí)，ｖｅ與ＳＨＳＲ均隨微膠囊摻量的增加而逐漸提高，說(shuō)明這２個(gè)指標(biāo)在評(píng)價(jià)密級(jí)配瀝青混合料自愈性能方面具有一致性。
結(jié)語(yǔ)
（１）本文開(kāi)發(fā)了基于高壓滲水的密級(jí)配瀝青混合料自愈性能的測(cè)試裝置，確定了合理的試驗(yàn)參數(shù)：愈合時(shí)間為１２ｈ，愈合溫度為４５ ℃，制縫溫度為５℃±２ ℃，最小樣本數(shù)ｎ＝４。
（２）該方法能有效區(qū)分測(cè)試條件（溫度與時(shí)間）、混合料類(lèi)型及最大公稱(chēng)粒徑、微膠囊摻量對(duì)混合料自愈性的影響，且同種混合料的平行試驗(yàn)滲水速率比的變異系數(shù)在３．０％ 以?xún)?nèi)，證明該方法可滿(mǎn)足敏感性及穩(wěn)定性的要求。
（３）滲水速率比與間歇式疲勞壽命以及 ＳＨＳＲ在評(píng)價(jià)密級(jí)配瀝青混合料自愈性能方面具有一致性，且具有試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單，結(jié)果穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。
（４）后續(xù)將對(duì)滲水速率比的標(biāo)準(zhǔn)展開(kāi)研究，為推廣本文方法在自愈瀝青混合料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
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全文完，
作者簡(jiǎn)介：紀(jì)小平（１９８２－），男，浙江溫州人，副教授，工學(xué)博士，Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｉｘｐ＠ｃｈｄ．ｅｄｕ．ｃｎ。
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