摘要

为了对比分析基质沥青、SBS改性沥青、橡胶改性沥青的自愈合性能，并研究沥青种类、愈合环境、破坏程度对混合料疲劳-自愈合进程的影响。通过DSR(动态剪切流变仪)的Time-Sweep(时间扫描)模式测试了沥青复数剪切模量随加载次数的变化，采用愈合指数HI评价沥青的自愈合能力；利用DSC(差示扫描量热仪)测试沥青相态转变过程中的焓变；基于四点弯曲疲劳试验测试了混合料劲度模量随加载次数的变化。研究结果表明：从流变性角度分析，橡胶改性沥青的自愈合性能zui好，SBS改性沥青次之，基质沥青zui差，随着损伤度的增da，以上3种沥青的自愈合指数呈下降趋势；从分子扩散角度考虑，基质沥青的自愈合能力zui小，基质沥青愈合裂缝的能力优于SBS改性沥青及橡胶改性沥青。沥青类型及愈合环境对混合料的愈合进程具有重要影响，提高愈合环境的温度可以加速混合料的愈合，破坏程度的增加对混合料的自愈合具有负面影响。

关键词：沥青 | 混合料 | 自愈合 | 道路工程

随着我国交通事业的迅速发展，交通量及车辆荷载不断增da，沥青混凝土路面在车辆荷载长时间的作用下会发生疲劳开裂[1]。沥青混凝土路面一旦出现疲劳开裂，在车辆荷载及雨水等因素的作用下，其力学性能会迅速恶化，带来表层粒料脱落、坑槽等一系列问题，这不仅降低了路面的服务性能，而且ji大影响了路面的使用寿命。随着“长寿命沥青路面”的提出，境内外研究者对沥青混凝土路面的疲劳问题越来越重视[2-3]。

道路工作人员在研究沥青混合料疲劳特性过程中发现实验室测试的沥青混合料疲劳寿命往往与实际路用情况差距较大。随着研究的深入，研究者发现沥青混合料存在自我愈合的现象，即沥青混合料损伤出现裂缝，在特定环境下经过一定的时间，沥青混合料的裂缝能够得到一定程度的愈合[4-8]。

Bazin等[9]在1967年的沥青路面设计大会上提出沥青混合料具有自我愈合的性能，宏观上表现为沥青及混合料在损伤发生之后，经过一定的间歇期，其模量、强度会增da。García等[10]利用CT扫描技术研究了沥青混合料的自愈合进程，可以明显观察到沥青混合料的微裂缝随愈合时间的延长在不断地“闭合”，如图1所示。境内的道路研究者对沥青混合料的疲劳—自愈合性能也进行了相应的探索。黄卫东等[11]研究了沥青类型、荷载、空隙率、愈合时间、愈合温度等因素对沥青混合料疲劳—自愈合性能的影响。杨军等[12]对沥青混合料自愈合性能的关键影响因素进行了分析，认为可以通过选取适当的沥青、控制交通流量的方式提高沥青路面的自愈合性能。沥青混合料的疲劳寿命是路面结构设计中的重要参数之一，研究沥青混合料的疲劳—自愈合特性有利于沥青路面结构的合理设计，优化混合料材料组成，更准确地预估沥青路面的寿命，进而合理选择养护时机。本文基于DSR的Time-Sweep模式、四点弯曲疲劳试验[13]分别研究了沥青胶结料及沥青混合料的疲劳-自愈合性能，并利用DSC测试沥青升温过程中的焓变，从分子扩散角度分析沥青对裂缝的愈合能力，进而分析沥青自愈合特性、愈合环境、破坏程度对混合料自愈合进程的影响。

原材料及试验方案

试验材料

试验采用3种沥青，分别是基质沥青、SBS改性沥青、橡胶改性沥青，其中基质沥青为泰普克Ａ-70号道路石油沥青；SBS改性沥青的SBS掺量为5%；橡胶改性沥青中的胶粉目数为20~40目，橡胶掺量为20%。所用集料为辉绿岩、填料为石灰岩矿粉，集料、矿粉的基本技术指标均满足规范要求，沥青混合料级配类型采用AC-13，级配设计如表1所示。基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料、橡胶改性沥青混合料的油石比分别为4.8%、4.8%、5.0%。依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[14]测试基质沥青、SBS改性沥青、橡胶改性沥青基本技术指标，如表2所示。

试验方案

(1)采用DSR研究沥青自愈合性能

试验参数

采用BolinADSCVO-100动态剪切流变仪[15-16]的Time-Sweep模式，通过“疲劳-间歇-疲劳“的方式测试基质沥青、SBS改性沥青、橡胶改性沥青的自愈合性能，采用应变控制加载方式，应变为12%，加载频率为10Hz，平行板8mm，板间距2mm，试验温度为30℃，间歇时间300S。为了研究不同损伤度对沥青自愈合性能的影响，试验中的间歇时间点分别选在损伤度为15%、30%、45%、60%时(损伤度：在荷载作用下，沥青复数模量的下降值占初始模量的百分比)，观察不同损伤度下荷载作用次数与沥青复数模量的关系。

沥青自愈合评价指标

通过沥青间歇前后复数模量随加载次数的变化率评价沥青的自愈合性能，沥青愈合指标HI具体定义如下。HI越大，说明沥青材料的自愈合性能越好。

(2)采用DSC研究沥青升温过程中的焓变

试验仪器为德国耐驰STA449F5综合热分析仪，DSC测试条件：升温速率为10K/min，保护气(氮气)流量40ｍL/min，冲扫气60ｍL/min，温度扫描范围是0℃~100℃，沥青相转变的焓变在DSC图谱上确定。

(3)沥青混合料疲劳-自愈合性能研究

试验参数

基于四点弯曲疲劳试验的控制应变模式，通过“疲劳-间歇-疲劳”方式测试沥青混合料的疲劳-自愈合性能。试验仪器*公司生产液压独立式四点弯曲小梁疲劳试验机，试验条件：试验温度15℃，试验频率10Hz，波形为半正弦波，应变600×10^-6，试件尺寸为380mm×50mm×63mm。

沥青混合料共有3种：AC-13基质沥青混合料，AC-13SBS改性沥青混合料，AC-13橡胶改性沥青混合料。愈合环境分为两种情况：①25℃室温下养护24h，用Ａ表示；②60℃环境下保温12h，再静置25℃室温下养护12h，用Ｂ条件表示。为了研究破坏程度对沥青混合料疲劳-自愈合性能的影响，试验中的间歇时间点分别选在沥青混合料破坏程度为30%、50%时(破坏程度：在荷载作用下，沥青混合料劲度模量的下降值占初始劲度模量的百分比)，然后对破坏程度30%、50%的沥青混合料间歇后进行疲劳试验。

沥青混合料疲劳-自愈合评价指标

沥青混合料的疲劳判断标准选取Nf50，即劲度模量下降到初始劲度模量50%时的荷载作用次数作为混合料的疲劳寿命，将依据沥青混合料劲度模量随荷载加载次数的变化情况对混合料自愈合性能进行分析，如图2所示。

图2中，Sb表示新梁的初始劲度模量，MPa；S＊b表示新梁达到疲劳寿命(Nf50)时的劲度模量；MPa；Ｎf50(ｂ)表示新梁的疲劳寿命；Sａ表示旧梁的初始劲度模量，MPa；S＊a表示旧梁达到疲劳寿命时的劲度模量，MPa；Ｎf50(ａ)表示旧梁的疲劳寿命。通过S(R)、Ｎf50(R)评价沥青混合料的自愈合性能，其中S(R)为Sa与Sb的比值，表示愈合小梁的劲度模量恢复率，Ｎf50(R)为Ｎf50(a)与Ｎf50(ｂ)的比值，表示愈合小梁疲劳寿命的恢复率。S(R)、Ｎf50(R)越大，表示沥青混合料愈合程度越高[17]。

试验结果及分析

沥青自愈合性能

根据式(1)、式(2)计算得到基质沥青、SBS改性沥青、橡胶改性沥青在不同损伤程度下的愈合指数HI，如图3所示。

由图3可以看出，当沥青材料的复数模量在平行板剪切作用下损失程度相同时，橡胶改性沥青的愈合指数HIzui大，SBS改性沥青的HI次之，基质沥青的HIzui小，这说明橡胶改性沥青在经过一定间歇期后，其力学性能恢复较快。橡胶改性沥青与SBS改性沥青的自愈合能力相当，基质沥青的自愈合能力较差。原因在于，橡胶和SBS大分子改性剂具有一定的弹性恢复能力，且模量高于基质沥青，能与沥青发生一定的物理化学作用，在沥青中形成“海岛”结构，增强了沥青的结构抗力和变形恢复能力，损失的剪切复数模量在间歇期后恢复较快；而基质沥青的黏度较低，流动性较大，其抗变形和形变恢复能力会相对较弱。随着损失度的增da，橡胶改性沥青、SBS改性沥青、基质沥青的自愈合指数呈下降趋势，说明损伤度对沥青结构及力学性能的恢复影响程度较大。当损伤度较小时，沥青的结构破坏程度小，变形恢复能力较强，复数模量得到较大程度的恢复；但当损伤度较大时，沥青的累计不可恢复变形增da，其内部的结构破坏程度较大，愈合能力将减弱。

沥青相态转变

沥青作为一种聚合物，随着温度的升高，其状态将由玻璃态转化为高弹态，zui后转化为黏流态。沥青分子运动能力增da过程中需要吸收一定能量，DSC热分析法可以测试沥青相态转变过程中的能量变化，利用沥青相态转化过程中热量变化可以评估沥青分子的运动能力。将沥青材料相态变化中的能量变化定义为自愈合能力，形成基于自愈合能力的沥青自愈合能力评价方法。见图4~图6。

从图4~图6中可以发现，沥青从高弹态转化为黏流态需要吸收一定的能量。基质沥青、SBS改性沥青、橡胶改性沥青升温过程中的焓变分别为2.160J/g、3.572J/g、4.017J/g。基质沥青的自愈合能力zui小，橡胶改性沥青的能力zui大，说明基质沥青分子运动所需能量zui小，在相同的温度下，其分子的扩散能力更强，意味着基质沥青在裂缝中具有更好的运动能力，进而将裂缝愈合；而橡胶改性沥青的分子运动需要更多的能量，其分子扩散能力较低，裂缝愈合能力会弱于基质沥青。从裂缝愈合角度评价，3种沥青中基质沥青的自愈合能力zui高。

沥青混合料疲劳—自愈合性能

(1)沥青类型及愈合环境对混合料疲劳—自愈合的影响

当混合料的破坏程度达到50%时，把混合料小梁分别放入A、B环境进行愈合，再利用四点弯曲疲劳试验测试小梁劲度模量与荷载加载次数的关系，基于SR、Nf50(R)指标评价混合料小梁的疲劳、自愈合特性。沥青类型及愈合环境对混合料疲劳-自愈合影响见表3。

愈合环境、沥青种类会显著影响混合料的愈合程度。图7、图8可以直观反映愈合环境及沥青种类对混合料劲度模量恢复率、疲劳寿命恢复率的影响。

SBS改性沥青混合料、橡胶改性沥青混合料的SR和Nf50(R)比基质沥青混合料更高，SR和Nf50(R)都达到70%以上，拥有更好的力学恢复能力及抵抗荷载作用能力。在B愈合环境下，沥青混合料的SR和Nf50(R)都得到一定程度提升，主要在于愈合环境B比愈合环境A的温度更高。根据沥青材料的黏弹特性，当环境温度升高时，沥青会由固态向黏流态转变，流动性得到增da。当沥青混合料破坏程度为50%左右时，混合料内部可能已经出现部分微裂纹，温度升高增强了沥青分子的扩散运动，这些微裂纹得以愈合，因此沥青混合料的力学性能会大幅度上升。基质沥青的流动性较大，升高温度有利于基质沥青混合料裂缝的愈合，但混合料的愈合不仅仅涉及微裂纹的愈合，同沥青本身的结构抗力、沥青胶结料与集料间的相互作用也有关系。

(2)破坏程度对沥青混合料疲劳—自愈合的影响

表4、图9、图10为破坏程度为30%、50%时，混合料小梁经过A环境愈合后的劲度模量以及疲劳寿命。

不同破坏程度下，沥青混合料小梁劲度模量、疲劳寿命的恢复率具有显著差异。基质沥青混合料的破坏程度为50%时，其劲度模量恢复率为70%，疲劳寿命恢复率为55%；当破坏程度只为30%时，其劲度模量恢复率达到83%，疲劳寿命恢复率为75%。橡胶改性沥青混合料、SBS改性沥青混合料也呈现相同的趋势，即破坏程度的增da降低了两者的自愈合进程。当混合料破坏程度较低时，混合料的劲度模量往往能恢复得较高。例如，当破坏程度为30%时，SBS改性沥青混合料的劲度模量恢复率能达到93%。不同的破坏程度下，混合料具有不同的愈合能力，当破坏程度增da时，加剧了混合料内部结构的破坏，其结构抗力会大大降低，混合料在荷载作用下的力学性能会快速下降，因此应该注重破坏程度对沥青混合料疲劳—自愈合能力的影响。研究破坏程度对混合料力学性能演变的影响，有利于沥青路面的养护与管理，确定合适的养护时期，保证沥青路面性能不快速衰减。

沥青及其混合料自愈合性能分析

沥青胶结料性能一定程度上反映了混合料的自愈合性能，虽然沥青含量只占混合料质量的5%左右，但沥青材料的黏弹性对混合料的自愈合过程至关重要，其赋予了混合料蠕变性和抗变形恢复能力。由于沥青掺入了具有高弹性的橡胶和黏韧性较好的SBS大分子，这大大增强了沥青的抗变形能力和形变恢复能力，因此橡胶改性沥青、SBS改性沥青的力学性能恢复能力较高。从分子扩散能力角度考虑，由于基质沥青分子的运动能力较低，在相同温度下，其将拥有更强的流动扩散能力，因此愈合裂缝的能力要高于橡胶改性沥青和SBS改性沥青。从流变性能、沥青分子扩散角度分别评价沥青的自愈合能力，得到了完全不同的结果。而混合料是由沥青、集料、矿粉等多种物质组成，自愈合进程更为复杂，其自愈合性能不仅仅与沥青愈合特性有关，集料、沥青-集料相互作用、空隙、愈合环境等因素都对其自愈合进程有一定影响，优化材料组成是提升沥青混合料抗疲劳能力、自愈合能力的有效途径。

结语

(1)基于HI指标评价沥青的自愈合能力，表明橡胶改性沥青的自愈合性能zui好，SBS改性沥青次之，基质沥青zui差。损伤度增加会大大降低沥青的自愈合性能，随着损伤度的增da，以上3种沥青的自愈合指数均呈下降趋势。

(2)基质沥青、SBS改性沥青、橡胶改性沥青升温过程中的焓变分别为2.160J/g、3.572J/g、4.017J/g，基质沥青分子运动能量壁垒zui小。从沥青分子扩散角度评价沥青愈合裂缝的能力，基质沥青在3种沥青中的自愈合能力zui强。

(3)沥青类型及愈合环境对混合料的愈合进程具有重要影响。SBS改性沥青混合料、橡胶改性沥青混合料的自愈合性能明显优于基质沥青混合料，提高愈合环境的温度，混合料小梁的劲度模量恢复率、疲劳寿命恢复率得到大大提升，有利于加速混合料的自愈合进程。

(4)随着破坏程度的增加，沥青混合料的内部结构破坏会更严重，劲度模量恢复程度降低，后期力学性能下降加快，对混合料的自愈合具有负面影响。

全文完 发布于《公路》2020年第3期

棱柱体小梁四点弯曲试验是 2011 年交通部行业标准《公路工程沥青及沥青混合料规程》增加的评价沥青混合料疲劳性能 和测量劲度模量的非常重要的试验方法。该方法可以在DTS多功能动态试验系统中进行，也可以使用单独式系统，搭配 温控环境箱进行试验。尤其对于试验任务量比较大的单位，因为疲劳试验可能持续的时间比较长，几小时到几天、甚至几周。 所以配备一套单独式的沥青混合料疲劳试验系统是非常有必要的。

意大利matest-澳大利亚Pavetest气动伺服四点弯曲疲劳试验机 (4PB) 是采用数字控制高性能伺服阀，提供高达60Hz的准确加载波形的气动伺服 试验仪。四点弯曲疲劳试验机可加载半正弦波和正弦波，受控应变或受控正弦应力控制模式，测试多种尺寸沥青混合料小梁的弯 曲劲度/模量。

适用规范
▍AASHTO T 321 热拌沥青混合料重复弯曲疲劳寿命
▍ASTM D7460 热拌沥青混合料重复弯曲疲劳损伤
▍AG:PT/T233 & ASTM 03 热拌沥青混合料重复弯曲疲劳寿命
▍EN 12697-24 Annex D- 棱柱体试件的四点弯曲试验
▍EN 12697-26 Annex B- 棱柱体试件的四点弯曲试验 (4PB-PR)
▍T0739-2011 沥青混合料四点弯曲疲劳寿命试验

产品特点
1.试样通过伺服电机驱动滚珠丝杠牢固夹紧，可始终维持预 定的夹紧力，并保证测试过程中试样在产生屈服变形时仍能被持续夹紧，夹紧力可通过调节电机电流控制
2.两个夹紧开关在仪器前方，用于试样梁的左右两侧和中间侧夹紧点的夹紧和放松。四个试样夹紧框可实现所有加载点和反力点的旋转和横向移动
3.顶部夹紧块的标志线，可帮助操作者在夹紧前横向对中试 样梁
4.气动伺服系统使用底部气动加载作动器，配备高性 能气动伺服阀，PID 闭环控制，运行中的自适应控制，可始终维 持测试所需的应力/应变
5.薄型高性能不锈钢圆形荷载传感器，用于实时测量和 控制荷载。主轴位移传感器可实现中间加载框架的准确定位
6.试样表面位移传感器(On-specimen LVDT)可按设定进行控制并测量试样梁有效范围内的整体弯曲变形（而不是悬浮式的测量部分变形的方法），符合相关标准的要求
7.基于 Windows 的 TestLab 软件提供的用户界面，简单、效率高并符合有关 国际标准

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