沥青混凝土疲劳损伤自愈合行为研究进展（2）——自愈合能力增强技术.pdf

2 0 1 1 年 1 2月 石 油 沥 青P E T R O L E U M A S P HA L T 第 2 5卷第 6期 沥青混凝土疲劳损伤 自愈合行为研究进展( 2 ) 自愈合能力增强技术 孙大权 ，张立文 ，粱果 ( 同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海2 0 1 8 0 4 ) 摘要：分析了沥青性质、沥青混凝土级配与沥青含量等内部因素对沥青混凝土疲劳损伤 自愈合能力的影响，提出可通过优化沥青混凝土组成设计实现沥青混凝土自愈合能力主动增 强。总结了基于能量供给和物质 t- E , 原理的沥青混凝土自愈合能力被动增强技术，重点分析 了加热和掺加含有界面粘合剂胶囊两种方法的技术可行性和存在的问题。 关键词：沥青混凝土疲劳损伤 自愈合增强技术 在外界环境条件和作用荷载等外部影响因素 均相同的条件下，普通沥青混凝土疲劳寿命主要 取决于沥青混合料内部因素，及沥青混合料本身 材料形状及体积参数特性等。沥青混凝土疲劳损 伤可归结于重复荷载作用下沥青混凝土内部裂纹 萌生与扩展， 在裂纹萌生与扩展过程中，伴随着 裂纹区域的应力松弛以及为降低裂纹表面能自 发 进行的界面 自愈合。尽管沥青混凝土具有疲劳损 伤自愈合能力，受交通条件和环境因素等外界条 件制约，沥青路面受荷载作用间歇时间较短， 玻 璃化温度条件下 ，分子链段运动被冻结 ，沥青混 凝土疲劳损伤 自愈合受到较大限制 。如能增强或 激励沥青混凝土 自愈合行为，沥青路面的疲劳开 裂问题将得到有效控制。围绕增强沥青混凝土疲 劳损伤 自愈合能力 ，国内外开展初步探索 ，主要 形成了主动选择高自愈合能力的沥青材料来延长 沥青混凝土疲劳寿命的主动增强技术和当沥青混 凝土疲劳寿命受限时采用能量供给或者物质补充 等方式来延长沥青混凝土疲劳寿命的被动增强技 术等两类方法。 1 沥青混凝土疲劳损伤 自愈合能力主动增强技 术 沥青混凝土的疲劳寿命受沥青性质和混合料 组成等内部因素影响，而这些因素恰恰是影响沥 青混凝土疲劳损伤 自愈合速率的关键因素。因 此， 沥青混凝土疲劳损伤自愈合能力主动增强技 术思想为选择自愈合能力强的沥青以及优化沥青 混凝土组成设计来实现沥青混凝土 自愈合能力主 动增强。 1 1 沥青组成与结构对 自愈合能力的影响 由于沥青混凝土疲劳损伤 自愈合能力主要源 于沥青分子的浸润与扩散 ，因此沥青组成与结构 是影响愈合速率关键因素之一。K i m等提出亚甲 基与甲基比高 ( 即分子链长) ，沥青具有较高的 愈合速率；L i tt l e等认为沥青初期愈合速率 ( 1 0 s 内)与范德化力 ( 非极性组分表面张力) 成反比 J 。通常认为采用 聚合物改性沥青 可增 强沥青混凝土疲劳性能，但是 K i m等 ( 2 0 0 6年 ) 认为聚合物改性沥青对沥青混凝土愈合速率没有 贡献 3 J ，L i t t le 等甚至认为聚合物会降低沥青愈 合速率 。 1 2 沥青混凝土组成对 自愈合能力的影响 沥青混凝土疲劳损伤自愈合能力也受到集料 组成与沥青含量影响。G r a n t 以重 复加载蠕 变试 验研究 了卸载后 沥青混凝土劲度随时间恢 复速 率 ，认为粗级配沥青混凝土比细级配沥青混凝土 收稿日 期：2 O l 1 0 7 1 8 。 作者简介 ：孙大 权 ( 1 9 7 4 一 ) ，男 ，同济 大学 副教授 ，博 士。主要 的从事道路工程教学与科研工作 。E m a i l ：d q s u n t o n g j i e d u 13 n 第 6期 孙大权等 沥青混凝土疲劳损伤自愈合行为研究进展 ( 2 ) 9 具有更高的愈合速度 ；K i m等研究认为低沥青 含量 ( 6 1 )的自愈合速率要大于高沥青含量 ( 7 2 )沥青混凝土 。B h a i r a m p a l l y 等发现某 些填料 ( 如消石灰)可增强沥青混凝土的疲劳 自愈合速率 o 。 可见，沥青组成与结构、沥青混凝级配、 沥青含量等是影响沥青混凝土疲劳损伤 自愈合能 力的主要因素。如果能在沥青混凝土组成设计时 综合考虑这些因素并进行优化设计，则可实现沥 青混凝土疲劳损伤自 愈合能力主动增强。但是沥 青混凝土疲劳损伤 自愈合能力影响因素十分复 杂，而且部分研究成果 ( 如低沥青含量、粗级 配混凝土具有较高自愈合速率、聚合物改性沥青 可能降低 自愈合速率等)与传统观点相悖。因 此 ，关于沥青混凝土疲劳损伤 自愈合能力影响因 素以及考虑疲劳损伤 自 愈合能力的沥青混凝土组 成设计仍有待深入研究 。 2 沥青混凝土疲劳损伤 自愈合能力被动增强技 术 荷载间歇时间是影响沥青混凝土疲劳损伤 自 愈合程度的主要外因之一。在大交通量条件下， 沥青路面荷载作用间歇时间短 ，沥青混凝土内部 裂纹产生与发展速率大于裂缝愈合速率，最终易 发生沥青混凝土疲劳开裂。为进一步增强沥青混 凝土自愈合能力，国内外学者借助生物体损伤愈 合现象和机理 ，开展了采用能量供给、物质补充 的方式激励沥青混凝土损伤裂缝愈合速率或使裂 缝被动愈合的研究 。 2 1 能量供给 作为典型的感温性材料 ，沥青形状受温度条 件影响显著 ，增加温度可加速裂缝表面沥青分子 润湿与扩散速率，进而增强沥青混凝土疲劳损伤 愈合能力。G r a n t 提 出温度是影响沥青混凝土疲 劳损伤自愈合速率的关键因素：某种沥青混凝土 1 5的愈合速率是 1 O c 【= 的3 倍以上；甚至认为 当高于某个温度，由于极快的愈合速率 ，沥青混 凝土不会产生疲劳损伤 。B h a s i n等 ( 2 0 0 9年) 通过对达到疲劳寿命 5 0 的试件 ( 微裂缝向宏 观裂缝变化的转折点)进行加热 ( 5 0，2 0 m in ) ，研究了加热对沥青混凝土疲劳损伤 自愈 合促进作用 ，发现这种措 施可增加约 加 的疲 劳寿命 。 为使这种方法具有可行性，可以采用掺加导 电纤维、石墨等填料使沥青混凝土具有导电能 力， 通过电加热方式实现能量供给。G a r c i a 等提 出了导电沥青混凝土通电的方法技术原理 ( 图 1 ) ，并认为掺加导电纤维可以获得比参加石墨 等填料更高的导电率 ( 图2 ) 。 导电纤维 沥青歧浆 集料 裂缝 通电加热 裂缝愈合 图 1 通电加热使裂缝愈合技术原理示意 图2 导电纤维在沥青混凝土中的分布状态 C T扫描照片 2 2物质补充 当裂缝张开速度大于闭合速度，沥青混凝土 裂缝长度将持续发展并形成宏观裂缝。如果在混 凝土裂缝处释放粘合剂填补裂缝，不仅可实现裂 缝快速愈合，而且可降低裂缝尖端应力从而减缓 裂缝发展速率。 2 0世纪 8 0 年代初，美国率先提出自修复聚 合物材料的概念；随后美国空军和欧洲太空研究 院开展了大量研究。2 0 0 7年，在荷兰召开了首 次自 修复材料国际会议 。基于物质补充机理 的自 修复材料主要有两类：掺加含有粘合剂的中 空纤维或胶囊 ，其原理是裂缝引发中空纤维断裂 1 O 石 油 沥 青 2 0 1 1 年第2 5卷 或胶囊壁开裂，粘合剂流出后封闭裂缝。目前， 裂缝自愈合沥青混凝土研究主要借鉴自愈合聚合 物研究成果 ，并主要采用胶囊技术 。 胶囊 ( Mi c r o c a p s u l e s )是一种通过成膜物质 将囊内空间与囊外空间隔离开来 ，形成特定几何 结构的微型容器，直径一般为 1 1 0 0 0 n m。用 于沥青混凝土的胶囊必须满足以下要求：首先， 必须具备适当的强度，即保证其在拌合、碾压过 程中不被破坏 ，又能在沥青混凝土产生裂缝时造 成胶囊破坏，使其内部物质释放出来；其次，具 备耐高温和良好密封性质，使其内部物质在高温 拌合过程中不挥发；最后，胶囊应与沥青具有较 好粘结性。显然，大多应用于聚合物材料和水泥 混凝土的胶囊制备材料和技术并不适用于沥青混 凝土。 为此，G a r c i a 等 t 1叫 采用多孔砂作为再生剂 的载体，用环氧树脂和细砂裹附其外形成胶囊 壁，制备了含有再生剂的胶囊颗粒 ( 图3 ) 。 ( b ) 图3 胶囊剖面 C T扫描及胶囊外观 对掺加这种胶囊的多孔沥青混凝土间接拉伸 疲劳陛能进行了测试 ，结果见 图 4 。可见，掺加 含有再生剂胶囊的多孔沥青混凝土最大变形要大 于掺加不含有再生剂胶囊的多孔沥青混凝土 ，这 表 明在疲劳加载过程中引发 了胶囊破裂而释放出 再生剂。但是掺加胶囊的沥青混凝土的疲劳寿命 有所降低，其主要原因可能是胶囊与沥青胶浆的 粘结强度不足。 星 加载次数 次 图4 掺加胶囊的多孑 L 沥青混凝土疲劳性能 3结语 围绕沥青混凝土疲劳损伤 自愈合能力增强技 术 ，国内外学者开展了初步研究 ，并形成主动增 强和被动增强两类方法。主动增强技术是基于自 愈合能力影响因素，通过材料选择和优化沥青混 凝土组成设计实现自 愈合能力增强。但是由于沥 青混凝土疲 劳损伤 自愈合 能力影 响因素 十分 复 杂，这方面研究有待系统、深入。被动增强技术 是根据生命体损伤自 愈合原理，采用加热、掺加 含有界面粘合剂胶囊等方法加速裂缝的愈合或封 闭，从而实现沥青混凝土自愈合能力被动增强。 被动增强技术可以显著提升沥青混凝土 自愈合能 力，但是很多技术问题有待解决 。如加热技术必 须解决加热方法 、加热时机 、加热温度和时间等 关键问题 ，而胶囊技术必须解决胶囊与沥青胶浆 的粘结强度以及胶囊内界面粘合剂对裂缝封闭效 果和对界面的粘结强度等问题。 参考文献 1 K i m Y R ， L i t t l e D N ，B e n s o n F C C h e m i c a l a n d me c h a n i c al e v a l u a t i o n o n h e ali n g me c h a n i s m o f a s p h a l t C o n c r e t e 【 J A A P T ， 1 9 9 0 ， 5 9 ： 2 4 0 2 7 5 2 L i t tl e D N ， L y t t o n R L ， Wi l l i a m s A D ， C h e n C W， 第6期 孙大权等沥青混凝土疲劳损伤 自愈合行为研究进展 ( 2 ) 1 1 Mi c r od a ma g e h e a l i n g i n a s p h a l t a n d a s p h a l t c o n c r e t e V o l I ： m i c r oda m a g e a n d m i c r o d a m a g e h e a l i n g R p m j e c t s u m m a r y r e p o r t F H WAR D一 9 81 4 1 ， T e x as T r a n s p o r t a t i o n I n s t i t u t i o n， C o l l e g e S t a t i o n， T e x a s ， 2 0 o 1 3 K i m ， Y I L， L i t t l e ， D N ， L y t t o n ， R L ， E v al u a t i o n o f Mi c r oda ma g e ，He a l i n g ，a n d He a t D i s s i p a ti o n o f As p h alt Mi x t u r e s ，Us i n g a D y n a mi c Me c h a n i c a l An a l y z e r J T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h R e c o r d ， 2 0 0 1 ，1 7 6 7 ， 6 0 6 6 4 L i t t l e ， D N ， I 乙L L yt t o n ， D Wi l l i a m s ， a n d Y R Ki m，An An aly s i s o f t h e Me c h a n i c s o f Mi c r oda ma g e He ali n g B a s e d o n t h e Ap p c a t i o n o f Mi e r o me c h ani c s F i m t P ri n c i p l e s o f F r a c t u r e a n d H e al i n g J J o u r n al o f t h e As s o c i a t i o n o f As p h alt P a vin g T e c h n o l o g i s t s ， 1 9 9 9， 6 8，5 0 15 4 2 5 G r ant ，T P ，D e t e r m i n a t i o n o f asp h al t m i x t u r e h e a l i n g r a t e u s i n g t h e s u p e r p a v e i n d i r e c t t e n s i l e t e s t D Mast e r t h e s i s o f t h e U n i v e r s i t y o f F l o ri d a ，2 0 0 1 6 B o mm a v a r a m，R R Y ，B h a s i n A ， a n d L i t t l e D N， D e t e r mi n i n g I n t ri n s i c He a l i n g P r o p e rt i e s o f A s p h alt B i n d e rs J T r a n s por t a t i o n R e s e a r c h R e c o r d 2 0 0 9 ， 2 1 2 64 75 4 7 B h a s i n ， A ， L a b o r a t o r y I n v e s t i g a t i o n o f a N o v e l M e t h o d t o A c c e l e r a t e H e al i n g i n A s p h a h M i x t u r e s U s i n g T h e r - m a l T r e a t m e n t R 2 0 0 9 ， D T R T 0 7一 G一 0 0 0 6 8 G a r c i a ，丸 ，Soh l ang e n ， E ，v a n d e V e n ，M，T w o wa y s o f c l o s i n g c r a c k s o n asp h alt c o n c r e t e p a v e me n t s ： m i c r o c a p s u l e s and i n d u c t i o n h e a t i n g J K e y E n gi - n e e ri n g Ma t e ri als ，2 0 1 0， 41 74 1 8： 5 7 35 7 6 9 Wu ，D Y ，Me u r e ，S S o l o m o n ，D S e lfh e a l i n g p o l y me ri c ma t e ri als ：A rev i e w of r e c e n t d e v e l o p me n t s J P r o g r e s s i n p o l y m e r S c i e n c e ， 2 0 0 8 ， 3 3 ： 4 7 9 5 2 2 1 0 C a r c f a a ， A ， S c h l a n g e n a ，E ，v a i l d e V e n m P r e p a - r a t i o n of c a p s u l e s c o n t m nin g r e j u v e n a t o rs f o r t h e i r u s e i n asp h alt c o n c r e t e J J o u r n al o f H a z a r d o u s M a t e - r i a l s ，2 0 1 0，1 8 4：6 0 36 1 1 Re v i e w o n S e l f He a l i n g B e h a v i o r o f As p h a l t C o n c r e t e( 2 ) En h a n c e me n t Te c h n o l o g y f o r S e l fHe a l i n g Ab i l i t y S u n Da q u a n，Zh a n g Li we n，Li a n g Gu o ( K e y L a b o r a t o r y o fR o a d a n d T r a f fi c E ngi n e e r i n g oft h e Mi n i s t r y ofE d u c a t i o n ， T o n g j i U n i v e m i t y ， S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4 ) Ab s t r a c t ：T h e e ff e c t o f i n t rin s i c f a c t o r s o f a s p h a l t c o n c r e t e ，s u c h a s a s p h a l t p r o p e r t i e s ，a g g r e g a t e g ra d a t i o n a n d a s p h a l t c o n t e n t o n s e rfh e a l i n g a b i l i t y o f a s p h a l t c o n c r e t e we r e a n a l y z e d A f o r m o f d e s i g n ph i l o s o p h y w h i c h w a s b a s e d o n o p t i mi z i n g a s p h a l t c o n c r e t e c o m p o s i t i o n d e s i g n w a s d i s c u s s e d i n t h e o b j e c t i v e o f c a - h a n c i n g t h e s e l f h e a l i n g b e h a v i o r a c t i v e l y Ac c o r d i n g t o p ri n c i p a l t h e o r y o f b i o n i c s c h a r a c t e r i s t i c s o f t w o k i n d s o f p a s s i v e e n h a n c e me n t t e c h n o l o g y ，e n e r gy s u p p l y b a s e d t e c h n o l o gy a n d s u b s t a n c e fi l l i n g b a s e d t e c h n o l o gy we r e s u mma r i z e d Th e p a pe r wa s e mp h a s i z e d o n t h e t e c h n i c a l f e a s i b i l i t y a n d e x i s t e n t p r o b l e ms o f h e a t i n g me t h o d a n d Mi c r o c a p s u l e me tho d wh i c h we r e i n the form o f the rm a l t r e a t me n t a n d fi l l e d w i t h a d h e s i v e b i n d e r s r e s pe c t i v e l y Ke y wo r d s ：a s p h a l t c o n c r e t e；f a ti g u e d a ma g e ；s e lf-h e a l i n g ；e n h a n c e me n t t e c h n o l o gy