微胶囊沥青混合料自愈性能_纪小平.pdf

收稿日期：基金项目：浙江省公路与运输管理中心科技计划项目（）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（）作者简介：纪小平（），男，浙江温州人，教授，博士研究生导师，：。通讯作者：方向征（），男，浙江金华人，高级工程师，：。第 卷第期 年月长安大学学报（自然科学版）（）纪小平，方向征，李加，等 微胶囊沥青混合料自愈性能 长安大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：微胶囊沥青混合料自愈性能纪小平，方向征，李加，胡永林，华文龙（长安大学 公路学院，陕西 西安 ；金华市公路与运输管理中心，浙江 金华 ；同济大学 交通运输工程学院，上海 ；金华市金东区公路管理段，浙江 金华 ）摘要：为揭示微胶囊沥青混合料自愈性能的影响因素，为微胶囊沥青混合料设计与性能提升提供依据，采用原位聚合法合成了以三聚氰胺尿素甲醛树脂（）为囊壁、低品质植物油为囊芯的微胶囊，制备微胶囊沥青混合料并评价其自愈性能。针对不同沥青类型、不同微胶囊掺量、不同愈合温度、不同愈合环境以及不同愈合时间的微胶囊沥青混合料，基于三点弯曲的断裂愈合断裂试验，以愈合前后的断裂强度恢复率（）作为评价指标，研究了微胶囊沥青混合料的自愈合效果，揭示了微胶囊掺量、服役条件（愈合温度、愈合时间、水分和氯盐侵蚀）、材料属性（沥青种类）对其自愈性能的影响规律。结果表明：微胶囊基质沥青混合料的自愈合能力优于微胶囊 改性沥青混合料，随着愈合时间的延长、愈合温度的升高和微胶囊掺量的增加，微胶囊沥青混合料的愈合效果均越来越好；对于普通沥青混合料，浸水和盐溶液均会降低其自愈性能，并且 改性沥青混合料的耐盐性较高。微胶囊基质沥青混合料的 随氯盐浓度的增加先降低后增加，改性沥青混合料的 则一直增加，这是由高浓度氯盐环境加速微胶囊破裂所致。该研究在揭示浸水及氯盐环境下微胶囊沥青混合料自愈合性能影响规律的同时，也为微胶囊拓展应用于多雪和盐碱地区提供了一定的理论基础。关键词：道路工程；沥青；微胶囊；自愈性能；断裂强度恢复率中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，；，）：，（），（），（，）（），：；引言公路、城市道路以及机场跑道运营期间，沥青铺面在荷载与环境持续耦合作用下长期处于应力应变交迭状态，其内部首先产生微裂缝。在应力集中及水分等因素的不断作用下，微裂缝加速扩展、逐渐贯通为肉眼可见的宏观裂缝，同时为水分进入结构内部提供通道，导致冻胀、松散等破坏发生，严重影响铺面服役性能和使用寿命。若在隐蔽性微裂缝加速扩展之前实施预防性养护，效益费用比是矫正性或应急性养护的 倍。因此，沥青路面微裂缝的自愈合是当前的研究热点，其中又以微胶囊技术为主。微胶囊是指由人工合成的将分散性固、液、气等物质用高分子材料作为外壁材料包覆而成的微小粒子（直径一般在 ），微胶囊的包覆膜被称为囊壁，用以包裹胶囊内部的囊芯材料，形成的核壳结构微胶囊具有保护性、阻隔性，既降低了外界环境对囊壁内囊芯的影响，同时又能保护囊芯材料逸出。当含有沥青再生剂等轻质组分的微胶囊与沥青材料混合时，微胶囊在路面裂缝尖端应力所释放的断裂能作用下发生破壁，囊芯材料通过渗透、扩散和毛细管等作用进入路面微裂缝中，从而起到微裂缝自愈合的作用。截止目前，国内外已形成了较为成熟的吸附包裹法、锐孔凝固浴法、界面聚合法以及原位聚合法 等微胶囊制备方法。如何科学地评价沥青混合料的自愈效果，是推广应用该技术的关键之一。目前沥青混合料自愈性能的评价方法有力学强度试验、间歇式疲劳试验、渗水试验和微观试验等。力学强度试验方面，年，等率先采用直接拉伸试验，对比分析了沥青混合料小梁破坏前后的拉伸强度，探讨了试验温度和加载间歇时间对沥青混合料自愈合效果的影响。等采用直接拉伸试验对沥青混合料进行拉伸愈合拉伸试验，以愈合前后的拉伸强度比评价了自愈性能，并建立了拉伸强度比与时间的关联模型。间歇式疲劳试验是沥青混合料自愈性评价的另一常见方法 ，该方法将传统试验方法的连续式加载改为间歇式加载，对沥青混合料进行疲劳愈合疲劳试验，使得沥青混合料在间歇期发生一定程度的愈合，以疲劳寿命延长、耗散蠕变应变能的变化率等指标评价自愈性能 。纪小长安大学学报（自然科学版）年平等开发一种基于高压渗水的密级配沥青混合料自愈性能的测试装置，对沥青混合料进行渗水愈合渗水试验，并以愈合前后的渗水速率比作为评价指标。在微观愈合水平评价方面，等采用光学显微镜观测微胶囊沥青混合料在不同愈合时间的裂缝宽度，采用自愈效率评价，其中为裂缝在愈合一定时间后的宽度与初始宽度的比值。郭自灿通过三点弯曲试验和弯曲梁流变试验，并结合裂缝宽度和裂缝显微图像对所制备的种沥青和沥青混合料的力学性能及愈合效果进行表征。等认为沥青混合料的损伤愈合会引起其结构变化，尤其是空隙率的降低，选择了经过 个循环加载和 感应加热前后的损伤马歇尔样品，通过 技 术 观 察 了 样 品 损 伤 产 生 和 愈 合 的过程。沥青混合料的自愈性能与环境条件、混合料属性、老化程度等有关。等提出愈合温度对沥青混合料疲劳损伤程度的影响最为明显，沥青混合料在 下的愈合速率最高，且当试验温度高于某一临界点时沥青混合料将不会产生疲劳损伤。黄卫东等通过应变控制的四点弯曲疲劳试验，研究了愈合温度、愈合时间、加载频率和损伤程度对沥青混合料的短长期自愈性能的影响规律。等研究了不同混合料属性下沥青混凝土的初期自愈效果和后期自愈效果，结果发现不同种类的沥青混凝土初期自 愈 能 力 差 异 明 显，后 期 自 愈 能 力 差 异 则 不大。杨军等基于灰度关联理论，对种沥青混合料小梁进行四点弯曲疲劳试验，以劲度模量比作为评价指标，探究了沥青混合料内因（沥青类型、软化点、沥青用量、空隙率）和环境因素（温度、间歇期）等外因对自愈系数的影响，结果发现沥青类型是对沥青混合料自愈合能力影响最为显著的因素。崔亚楠等通过宏观与细观相结合的方式，以半圆弯拉试验为基础，并结合数字散斑相关方法观测了半圆试件在加载过程中裂缝的扩展情况，进而分析了沥青老化程度、损伤程度、愈合时间及温度对沥青混合料自愈能力的影响。微胶囊技术作为一种沥青再生剂的载体，其对沥青材料自愈性能的提升是有效的，但鲜有研究深入分析不同条件下（如浸水、氯盐侵蚀等）微胶囊沥青混合料自愈合能力，这对微胶囊大面积推广意义重大。因此本文基于三点弯曲试验，对沥青混合料进行断裂愈合断裂试验，以愈合前后的断裂强度恢复率（）评价其自愈性能，并揭示微胶囊掺量、服役条件（愈合温度、愈合时间、水分和氯盐侵蚀）和沥青种类对沥青混合料自愈性能的影响规律，以期对沥青路面原位聚合微胶囊的推广应用提供一定的理论基础。试验材料 微胶囊制备微胶囊所用原材料包括低品质植物油、乳化剂、三聚氰胺、尿素、甲醛和间苯二酚。微胶囊制备工艺如下：首先在乳化剂和高速剪切的作用下，将植物油在水中分散成水包油型溶液；其次，将三聚氰胺、尿素和甲醛溶液聚合生成三聚氰胺甲醛尿素（）树脂预聚体；最后，在酸性条件下将 树脂预聚体逐滴加入植物油乳液中。树脂预聚体分子显正电性，因此会与微油滴表面携带负电荷的乳化剂分子发生静电吸引，使其在油滴表面继续交联聚合，生成空间网状结构的聚合物，包裹油滴而得到微胶囊。微胶囊囊壁形成的过程伴随着 树脂分子的聚合反应，其制备过程如图所示。图微胶囊合成工艺 图为微胶囊性能测试结果。由图（）可以看出，所制备的微胶囊粒径分布均匀，呈球形、微胶囊之间相互黏连现象较少，微胶囊粒径基本呈现正态分 布，其 中 最 大 粒 径 ，最 小 粒 径 。通过计算，粒径在 之间的微胶囊占到了总数的 ，微胶囊的平均粒径为 ，见图（）。囊芯、囊壁与微胶囊的红外光谱曲线如图（）所示，可见：在囊壁对应的红外光谱图中，由 和 键伸缩振动的叠加而形成吸收峰位于波数 处；的吸收峰主要源于 振动吸收峰，而 处的吸收峰源于三嗪环中的 的弯曲与环的变形振动，吸收峰由羟甲基（）或亚甲基醚键（）中的第期纪小平，等：微胶囊沥青混合料自愈性能活性基团 的伸缩振动形成的，这些峰均为 树脂的特征峰。在囊芯的红外光谱图中，波数 处出现了 伸缩振动吸收峰，处 为 的伸缩振 动吸 收 峰，处为的非对称弯曲振动吸收峰，在 处出现了的对称弯曲振动吸收峰，这些峰均为低品质植物油的特征峰。在微胶囊对应的红外光谱图中，出现了囊壁和囊芯的特征峰，说明微胶囊包含了 树脂和低品质植物油种物质，且相互之间并未发生化学反应。图（）为单个微胶囊的 图，可以看出：所制备的微胶囊呈球状且致密性良好；通过热重分析仪测试发现，微胶囊经 高温作用后，质量损失仅，见图（），说明微胶囊可承受拌和、摊铺与碾压过程中的高温作用；将微胶囊放置 恒温烘箱中处理 后可以观测到有部分微胶囊的囊壁发生破裂，如图（）所示，测量图中个微胶囊的囊壁厚度，得平均囊壁厚度为 ，约为微胶囊平均粒径的。图微胶囊性能测试结果 沥青与集料试验用沥青为 基质沥青和 改性沥青，按照 公路工程沥青及沥青混合料试验规程（）进行测试，试验结果见表。表沥青试验结果 沥青针入度（，）软化点延度（）动力黏度（）基质沥青 改性沥青 注：基质沥青和改性沥青延度测试温度分别为 和；动力黏度测试温度分别为 和 。试验用粗、细集料为石灰岩，按照 公路工程集料试验规程（）进行测试，试验结果见表、表。微胶囊沥青混合料参 考 公 路 沥 青 路 面 施 工 技 术 规 范 （表粗集料试验结果 压碎值磨耗值不同粒径（）下的指标表观相对密度吸水率针片状含量（，（，（，（，（，表细集料的技术指标 指标表观相对密度砂当量棱角性指标值 ）以及 公路工程沥青及沥青混合料试验规程（），采用马歇尔试验方法进行 沥青混合料设计，级配如表所示。采用湿法工艺制备微胶囊沥青混合料，即首先将微胶囊加入沥青中制备微胶囊改性沥青，再将微胶囊改性沥青与集料、矿粉进行拌和。微胶囊改性沥青的制备方法如下：首先，加热基质沥青和改性沥青至 和 ；其次，分别将一定质量的微胶囊加入到熔长安大学学报（自然科学版）年融沥青中，采用机械搅拌机以 的转速搅拌 得到微胶囊沥青。本文制备了微胶囊掺量为、和 的微胶囊沥青混合料，其中微胶囊掺量为微胶囊占沥青质量的百分比。表 型沥青混合料级配 指标不同筛孔尺寸（）下的通过率 上限 下限 设计级配 微胶囊沥青混合料自愈性能测试与评价方法采用万能试验机（）对沥青混合料小梁试件进行断裂愈合断裂试验，每组试验在同一条件下安排个平行试件，试验流程如图所示，主要步骤为：图三点弯曲断裂试验 （）在进行三点弯曲断裂试验前，首先将小梁置于 下保温不少于；然后，采用 进行加载，试验温度为 、加载速率为 ，分别测得个样品的初始最大断裂力。荷载作用在小梁顶部中点位置，为控制小梁损伤的程度，当位移为时以 迅速卸载。（）第次三点弯曲试验结束后，将小梁试件移入环境箱中进行愈合。采用根橡皮筋将断裂后的小梁进行绑扎，通过橡皮筋的收缩力模拟路面的横向及纵向约束条件，保证小梁在断裂处充分接触；然后将小梁样品放置在设定的环境中进行愈合，愈合时间设定为、，愈合温度设定为、和，见图，图。（）愈合完成后将小梁放置在 环境下保温不少于，然后拆除橡皮筋，按照步骤（）重复图温度箱愈合环境 图溶液愈合环境 三点弯曲断裂试验，获取个试件愈合后的最大断裂力。采用断裂强度恢复率评价小梁的自愈合效果，定义为愈合前后沥青混合料小梁最大断裂强度比，计算如下（）式中：为小梁断裂强度恢复率 的参数表达（）；为平行试验次数。结果与讨论 微胶囊沥青混合料自愈合机理图为基质沥青和 改性沥青混合料小梁试件的断裂愈合断裂典型曲线，其中愈合温度为、愈合时间为，微胶囊掺量分别为和。由结果可以看出：微胶囊掺量为和的基质沥青混合料的初始断裂强度相差 ，改性沥青混合料相差 ，说明微胶囊混合料与普通混合料的初始断裂强度基本相同；在 条件下愈合后，基质沥青微胶囊混合料和 改性微胶囊混合料的断裂强度比普通混合料分别提高 和 ，说明微胶囊发挥了作用，提高了愈合后的断裂强度。第期纪小平，等：微胶囊沥青混合料自愈性能图有无微胶囊小梁试件的典型力位移结果 为观测在微胶囊作用下沥青微裂缝的自愈过程，首先将微胶囊掺量为的老化沥青样品加热至 后，浇注在载玻片上使其缓慢流动成 厚的沥青薄层，然后将一滴液氮从一端滴加到样品上，由于低温，脆性样品表面会快速形成微裂纹，然 后 采 用 荧 光 显 微 镜 观 测 并 通 过 显微图像软件中的实时录像功能记录微裂缝的愈合过程，摄像头帧率设置为帧。初始和愈合 后的沥青微裂缝状态对比结果见图，在荧光显微镜下，沥青显淡褐色、微裂缝显黑色、囊芯显明黄色。由图可以观察到：在微裂缝尖端应力下，微胶囊的囊壁发生破裂，囊芯从微胶囊中泄漏出来并流入到微裂纹中；经过 愈合后囊芯通过毛细扩散作用沿微裂缝流动并逐渐填充，微裂缝长度变小。微胶囊掺量对自愈性能的影响图为微胶囊掺量分别为、和 的基质沥青和 改性沥青混合料的 结果，其中愈合温度为、愈合时间为。由结果可知，随着微胶囊掺量的增加，种类型沥青混合料图微胶囊沥青自愈合过程 的 逐渐增加，说明沥青混合料的自愈性能随着微胶囊掺量的提高而逐步得到改善；且总体上，微胶囊基质沥青混合料的 高于微胶囊 改性沥青混合料的，说明微胶囊基质沥青混合料的自愈性能优于微胶囊 改性沥青，这是因为沥青材料的愈合效果与其沥青分子的流动能力密切相关，改性剂中的聚合物所形成稳定的三维网状结构增强了沥青分子间作用力，降低了其流动能力，因此愈合效果较差。愈合时间对自愈性能的影响愈合时间指的是材料被外荷载破坏出现损伤后，给予其一定的时间用于材料进行自修复过程。对微胶囊掺量为的基质沥青混合料和 改性沥青混合料进行断裂愈合断裂试验，其中愈合温度为，愈合时间分别为、，试验结果见图和图。由结果可知，愈合时间从延长至后，种微胶囊沥青混合料小梁的 分别从 和 提高至 和 ，说明在裂缝两端浸润后需要有足够的时间才可以使沥青小分子扩散并渗透到沥青中，断裂强度的增加遵循时间叠加原则，延长愈合时间可得到更好的愈合效果。愈合温度对自愈性能的影响对微胶囊掺量为的基质沥青混合料和 长安大学学报（自然科学版）年图不同微胶囊掺量下沥青混合料小梁自愈系数 改性沥青混合料进行断裂愈合断裂试验，其中愈合时间为，愈合温度范围为 ，试验结果见图 和图。由结果可知：随着愈合温度的增加，种微胶囊沥青混合料小梁的自愈效果明显增加，说明温度升高对沥青混凝土的愈合有着积极的作用，也暗示着冬季产生的低温裂缝可以在夏季得到恢复；与 愈合温度下混凝土小梁的愈合系数相比，升高环境箱温度至 后，种微胶囊沥青 混 合 料 小 梁 的 自 愈 系 数 分 别 从 和 提高至 和 ，这是因为随着愈合温度的不断提高，沥青的流动性逐渐变好，使得沥青分子重组排列程度增大，自愈系数随之升高；另外，基质沥青混合料小梁对温度的敏感性更高，这可能是因为基质沥青的玻璃转化温度较低，沥青分子活性更容易受到正温度梯度的影响。浸水对自愈性能的影响沥青路面出现裂缝后，水分会进入到裂缝内部，这在一定程度上影响自愈效果。为考察水分对沥青混合料自愈效果的影响，首先将盛有水的环境箱放置烘箱内升温至预定愈合温度，然后将断裂试件放置在环境箱内愈合后，再次进行三点弯曲试验，图 为浸水环境下微胶囊沥青混合料小梁的典型力位移曲线，表为自愈系数，其中微胶囊掺量为。由结果可知，当微胶囊掺量为时，基图不同愈合时间下微胶囊沥青混合料小梁的典型力位移结果 图 不同愈合时间微胶囊沥青混合料小梁自愈系数 质沥青混合料浸水和未浸水的 分别为 和 ，改性沥青混合料浸水和未浸水的 分别为 和 ，说明水分对沥青混合料自愈性能有显著影响，这是因为沥青的疏水性，水可以阻止裂缝表面沥青的接近和润湿过程，有效地减少了沥青之间的接触面积。氯盐环境对自愈性能的影响调节盐溶液中氯化钠的浓度（质量分数，下同）第期纪小平，等：微胶囊沥青混合料自愈性能图 不同愈合温度下微胶囊沥青混合料小梁的典型力位移结果 图 不同愈合温度下微胶囊沥青混合料小梁的自愈系数 分别为和 以模拟不同浓度氯盐环境。为考察氯盐环境对沥青混合料自愈效果的影响，将第次三点弯曲试验后的小梁在 条件下氯盐溶液内养护后，再次进行三点弯曲试验，试验结果如图 和表所示。由结果可知，微胶囊掺量为和的沥青混合料 随氯盐浓度变化规律不一致。对于微胶囊掺量为的沥青混合料，总体上图 浸水环境下微胶囊沥青混合料小梁的典型力位移结果 表浸水愈合条件下微胶囊沥青混合料小梁的自愈系数 混合料类型自愈合系数干燥浸水基质沥青混合料 改性沥青混合料 其 随着氯盐浓度的增大而减低，说明此时氯盐环境削弱了沥青混合料的自愈性能；而当微胶囊掺量为时，基质沥青混合料的 随氯盐浓度的增加先降低后增加，改性沥青混合料的 则一直增加，说明此时氯盐环境可改善微胶囊沥青混合料的自愈性能，究其原因是，氯盐环境会刺激裂缝两端更多的微胶囊破裂，加速沥青裂缝的愈合。结语（）微胶囊沥青混合料的自愈性能随微胶囊掺量的增大而提高，与普通沥青混合料小梁相比，掺入 微胶囊后，基质沥青混合料小梁与 改性沥青混合料小梁的自愈系数分别提高了 倍和 倍。长安大学学报（自然科学版）年图 不同浓度盐溶液下微胶囊沥青混合料小梁的典型力位移结果 表不同浓度氯盐溶液条件下微胶囊沥青混合料小梁的自愈系数 氯盐浓度微胶囊掺量时微胶囊掺量时 自愈系数基质沥青混合料 改性混合料 （）随着愈合时间的延长，微胶囊沥青混合料的自愈效果明显增加，将愈合时间从延长至后，种微胶囊沥青混合料小梁的自愈系数分别从 和 提高至 和 。（）微胶囊沥青混合料的自愈性能随愈合温度的升高而显著提高，将环 境箱温 度从 升 至 后，种微胶囊沥青混合料小梁的自愈系数分别提高到 倍和 倍，表明了微胶囊自修复基质沥青混合料小梁的温度敏感度更高。（）水分及氯盐环境会削弱无微胶囊和含微胶囊沥青混合料小梁的自愈合能力。对比 浓度盐水与干燥条件，基质沥青混合料小梁和 改性沥青混合料小梁的自愈系数分别降低了 和 ，验证了氯盐环境会削弱沥青混合料的自愈性能，且从自愈合能力的角度上看，改性沥青混合料的耐盐性较高。（）由于试验条件及时间限制，本文尚未设计精密试验，下一步将考虑采用原子力显微镜和工业 等先进设备，实现微胶囊沥青与混合料微裂缝自愈合过程的可视化，多层次多维度地揭示自愈合机理。参考文献：蒋继望，冷真，董泽蛟，等 沥青混合料自愈合性能与砂浆厚度分布特征关系 中国公路学报，（）：，（）：吕泉，黄卫东，孙立军，等沥青粘附性自愈合性能评价与机理分析哈尔滨工业大学学报，（）：，（）：，（）：，（）：蔡涛，王丹，宋志祥，等 微胶囊的制备技术及其国内应用进展 化学推进剂与高分子材料，（）：，（）：，：纪小平，杨自广，周泽洪，等密级配沥青混合料自愈性能的评价方法 中国公路学报，（）：第期纪小平，等：微胶囊沥青混合料自愈性能 ，（）：，（）：，：，：，：，（）：，（）：，（）：，：黄明，汪翔，黄卫东 橡胶沥青混合料疲劳性能的自愈合影响 因素 分 析 中 国 公 路 学 报，（）：，（）：，董瑞琨，郑茂，黄卫东，等 考虑自愈合补偿的多种沥青混合料疲劳性能比较中国公路学报，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：郭自灿自愈合微胶囊在 沥青混合料中的应用 新型建筑材料，（）：，（）：，：，（）：黄卫东，林鹏，郑茂，等 沥青混合料疲劳自愈合影响因素分析建筑材料学报，（）：，（）：，（）：杨军，王昊鹏，廖辉 沥青混合料疲劳自愈性能关键影响因素东南大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：崔亚楠，李雪杉，吴华信，等沥青混合料损伤愈合性能的多 尺 度 评价 建 筑材料学报，（）：，（）：长安大学学报（自然科学版）年