沥青自愈合性能研究进展道路论文发表

　　摘要：对沥青自愈合对疲劳寿命的影响进行了分析，并对国内外沥青自愈合性能研究进展进行了综述。

　　关键词：道路工程,沥青,自愈合,疲劳寿命

　　1.沥青自愈合性能

　　1874年，纽约哥伦比亚地区修建了世界上第一条热拌沥青混合料路面[1]，经过100多年的发展，沥青路面已经成为公路路面的主要形式。但是在沥青路面的使用过程中，不可避免的出现了疲劳开裂等病害现象。轻者路面结构的使用寿命会减少，重者整个结构的安全都会被危及，造成了严重的经济损失。因此如何及时有效的修复出现的裂纹和损伤成为一个亟需研究的问题。沥青的疲劳损伤首先以微开裂的形式存在，由于现有检测技术的局限性，这些微观损伤很难被探测到，以至于对微裂缝的及时修复变得非常困难。但是，如果这些微观损伤得不到及时修复，就有可能进一步发展成为宏观裂缝，影响沥青混凝土结构的正常使用性能和使用寿命[2-3]。

　　根据传统的损伤理论，沥青发生疲劳损伤后性能是不可恢复的。但随着研究的不断深入，研究者们发现，在荷载的间歇期间，沥青的模量和强度等性能是可以慢慢恢复的，这就是沥青的自愈性，而且自愈性与沥青品种、温度、间歇时间、荷载水平存在关系。

　　作为一种粘弹性材料，沥青还具有触变性，即在荷载的作用下，沥青的粘度降低，荷载间歇时间，粘度又会逐渐恢复。研究表明，荷载作用初期，沥青模量的降低是由触变性引起的，而该阶段沥青的自愈性也是由触变性引起的。

　　当荷载作用超过触变性的影响范围后，沥青的内部结构将发生变化，甚至出现银纹，沥青试样出现银纹以后，虽然间歇时间足够长沥青的复数模量仍然可以完全恢复，但内部结构已经发生了变化，研究认为，沥青裂缝的自愈合过程分三步：(1)由应力和沥青的流动性能引起微裂缝的关闭(2)由表面能驱使两个裂缝表面的黏合过程引起微裂缝的关闭(3)由沥青基团结构的扩散引发的力学性能的恢复。第一步被认为是速度最快的，但仅仅导致模量的恢复;第二步和第三步被认为相对慢得多，但能够同时使得材料的模量和强度得到恢复使得愈合后的材料使用性能与原始状态相差无几。沥青的自愈合能力与沥青本身的流变性能关系密切，包括流动性，弹性恢复(抵抗恒定应力的能力)，润湿及自扩散[4-5]。

　　2.国内外研究进展综述

　　传统的高分子材料损伤理论是在应力作用下，高分子材料出现微变形，由此引发微裂缝和微空洞，这些微裂缝和微空洞继续发展成为明显的病害，这种损伤理论成功的解释了高分子材料性能的退化原因[6-10]。但以往的研究成果多数基于高分子材料的损伤是不可逆的这一事实。但是在加载的间隙，由于高分子材料的流变性能，微裂缝和微空洞能在一定程度上闭合，同时引起材料性能和硬度的一定恢复，这个过程有短时间的流变过程和长时间的扩散过程[11]，这与传统的连续损伤描述不同。事实上只要有足够的间歇时间，材料的性能能恢复到与损伤前完全一样的性能[12-14]。

　　沥青混凝土的自愈合性能40年之前就已经被认识到[15]，研究者指出当荷载间歇期增长时，沥青混凝土的疲劳寿命会随之延长。其它研究者通过采用直接拉伸疲劳模式进行类似的测试，证明了这个基本的观测结果。一些研究者试图通过相对简单的表征方法来证实影响愈合潜力的材料特征。例如，Kim[16]在设定间歇期为5-40分钟的前提下，对沥青砂混合料进行了弯曲疲劳实验。然后对间歇期前后的伪应变能密度进行了对比分析。这篇文章之所以引入伪应变这个概念，是为了将其作为分离与粘弹性过程相关的恢复和与实际微观结构愈合机理相关的恢复的一种方法。利用由这些能量密度值定义的指数和对沥青进行化学分析，研究沥青自愈性能和化学成分之间的关系，得出了两个与沥青自愈合性能有关的参数指标：亚甲基甲基的碳氢比MMHC，和亚甲基甲基的数目比CH2/CH3。在一定的分支率的条件下，MMHC代表了沥青分子链的分支数目，CH2/CH3代表了链的长度，这两个参数与沥青的自愈合具有良好的相关性[17]。研究表明，分子链更长，分支更少的分子结构自愈合性能更优[18]。Bhasin验证了KIM的观点，但是发现，这个现象有另一种解释，沥青分子的自扩散性，影响着沥青的本身自愈合性能[19]。

　　Little在传统的弯曲梁实验的加载间歇期中，引入了一个长达24小时的愈合时间，最终发现沥青的疲劳寿命提高了一倍多，而这取决于所用的沥青类型。Kim[20]对沥青胶浆施加扭转加载得到相似结果，发现当在严重损伤发生以前就引入愈合时间，沥青材料本身的自愈合能力产生的影响将会变得最大。他对砂型沥青样品进行了扭转疲劳测试(有间歇期)，然后采用伪分析评价了愈合时间的影响。Breysse[21]将损伤速率，一种双曲线动力学指数作为评价加载时间对愈合潜力的指标。Carpenter和Shen[22] 利用疲劳时的耗散能速率(RDEC)和所谓的平稳值(PV)来量化评价间歇期对疲劳寿命的影响。Pronk[23-24]也基于能量观点建立了一个适用于沥青混合料的部分愈合模型。

　　以上研究还主要集中于沥青混合料的愈合上，但在一些文献资料记载中能够将沥青/沥青胶浆从愈合过程中分离出来进行研究。Planche[25]利用DSR直接评价沥青胶浆的疲劳和愈合性能，将沥青样品均先置于不间断的荷载环境下，然后设置40分钟或者6个小时的间歇期，对材料响应进行第二次测量。研究结果表明，间歇期对材料响应有重大影响，特别是如果在疲劳破坏之前引入间歇期的话，效果更加明显。Bahia[26]设定间歇期为12小时，进行了应变扫描测试，发现间歇期前后的行为差不多。这个结果表明随着时间的推移，大部分由荷载引起的模量损失会慢慢恢复。Shen[27]借鉴了混合料评价中运用的PV法对沥青胶浆的疲劳和愈合性能进行了研究，发现与混合料测试中观察到的变化趋势大体相同。Lytton认为沥青的自愈合过程从最先接触点开始，向整个裂缝面扩展，并且沥青的自愈合时间可以用阿伦尼乌斯方程来预测，激活能和毛细流动速度是影响沥青自愈合的两个重要因素。沥青自愈合的激活能比沥青流动的低，与沥青毛细流动类似，也就是说沥青自愈需要的激活能与沥青毛细流动类似。但是由于沥青与玻璃的接触角与沥青与砂子的接触角不同，因此用毛细玻璃管做出的试验数据不能直接用来评价沥青的毛细流动速度。Chaminda采用直接拉伸试验验证了沥青的自愈合时间与所承受应变的关系，并得出结论，在无裂缝出现或者有微细裂缝出现时，SBS改性沥青的自愈合性能要优于普通沥青，因为此时SBS的弹性性能能提高沥青的自愈合性能，当裂缝较宽时，普通沥青的自愈合性能要优于改性沥青，因为此时沥青的流动性起主要作用，普通沥青的流动性要优于改性沥青。同时研究证明改性沥青的改性剂在沥青中生成三维网络结构来使沥青的性能提高，但同时这个三维网络结构会阻碍沥青的自愈性能[28]。姜睆的研究认为，就总体而言，SBS改性沥青的自愈合能力较基质沥青要好，而老化沥青胶浆的愈合性能则较沥青胶浆要差得多[29]。

　　以上提到的前人的研究成果评价了影响愈合程度的不同的要素以及依据愈合能力的不同，对不同的沥青做了等级划分。然而，对于理解沥青的疲劳和愈合性能相当关键的愈合机理尚不明确。受微观力学模型启发，研究者测试了沥青的表面能，发现这些性能与不同材料的愈合/疲劳倾向之间存在良好的相关性。Bommavaram[30]在先前的工作中，提出了一个沥青材料适用的愈合模型。这个模型包括了发生在裂缝表面的润湿和内部愈合过程。发生于裂缝表面的内部愈合或强度恢复过程可以分为两步理解:一是由发生在裂缝表面之间的表面粘合力导致的瞬间强度愈合;二是由发生在裂缝表面的内部高分子扩散和重组所导致的与时间息息相关的强度恢复。Bhasin基于润湿卷积过程和内在愈合过程建立了一个描述沥青愈合性能的模型[31]。Phillips认为沥青的自愈合分三步进行，第一步，在外界压力和流动性的作用下，裂缝闭合，第二步，裂缝的两个开裂表面表面能的作用下粘附在一起，第三步，在沥青质结构的扩散作用下，沥青的性能完全恢复[32]。当裂缝的两个面贴合在一起之后，两个断裂面的分子会相互扩散，一直到裂缝完全消失。显然，自愈合过程依赖于能让两个断裂面流动到一起的表面能和断裂面上分子扩散的活性。沥青深处的微裂缝愈合更快，存在一个最低的沥青可愈合温度。

　　综上所述，研究者普遍认为沥青的自愈性能对疲劳寿命会造成准确影响，准确的沥青自愈模型是沥青疲劳寿命预测的基础，而要建立准确的沥青自愈模型，需对沥青的自愈机理进行研究，目前国内关于沥青自愈性的研究较好，进单丽岩、姜睆等研究者对沥青的自愈性进行了评价性研究，尚无深入研究见诸报道。

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