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瀝青自修復材料研究進展I自修復理論研究
2019年03月22日    閱讀量:4952    新聞來源:瀝青網 sinoasphalt.com  |  投稿

隨著經濟的發展和生活水平的提高,我國瀝青混凝土公路系統發展十分迅速。截至2013年底,我國公路總里程已達435.6x104km,包含高速公路10.44x104km,其中大約95%是瀝青路面。與此同時,瀝青路面的老化所帶來的問題也隨之而來,瀝青屬于有機高分子材料,瀝青公路長時間受環境因素影響容易老化,如受陽光照射,雨水沖刷及溫度變化等中國瀝青網sinoasphalt.com。瀝青在服役過程中因老化還易導致瀝青路面產生車轍、裂縫、松散、坑槽等病害;特別是現代交通的重載、大流量與渠道化的特點,使得瀝青路面病害問題更為突出,及時維修養護十分重要。老化的本質是瀝青中的軟質瀝青部分發生一系列的變化,如氧化、揮發等從而造成瀝青粘彈性變差、脆性增強、路面出現裂紋和路面平整性變差,大大降低了公路的使用壽命,并且對交通安全和交通運輸效率產生嚴重影響,瀝青路面的養護與維修任務也日趨繁重。


提高瀝青的使用壽命不僅是簡單的規范使用公路使其受到的損傷最小化,而更應考慮構建智能瀝青材料,使其具有自我修復、自我愈合的能力。瀝青本身也具有一定的自我修復性能,但是微裂紋須在瀝青混凝土中小于某尺度(閾值尺度)才會自動愈合,所以瀝青修復機理研究對于構建智能修復系統具有深遠意義。利用瀝青混凝土的自修復性能在瀝青路面出現宏觀損害之前就進行養護,是美國、荷蘭、瑞士、英國等發達國家近些年來所倡導的先進瀝青路面養護理念。據荷蘭交通部估算,利用瀝青混凝土自修復技術,有望使瀝青路面的服役壽命延長50%以上,即使其成本加倍仍可使每公里的瀝青路面全生命周期內節約31.6萬歐元的養護和管理費用。因此,對瀝青自修復的研究工作對于保障公路的安全和暢通、交通領域的節能減排以及經濟社會的可持續發展都具有重要意義。


老化瀝青自修復的影響因素


自二十世紀六十年代以來,各國研究者相繼開展了瀝青混凝土自修復方面的研究工作,這些研究主要包括瀝青混凝土自修復性能的表征、影響因素和增強方法等。其中,瀝青自修復影響因素的研究可為提高瀝青自修復能力及開發新的自修復方法提供基礎理論指導。如BazinSauni-er利用單軸拉伸試驗研究瀝青混凝土梁的自修復性能,試驗結果表明斷裂梁在25℃卸載24h以后強度可以回復到初始強度的90%,同時發現疲勞后的小梁在25℃卸載24h以后疲勞壽命可以回復到初始疲勞壽命的50%(卸載期間需要施加一定的壓力使斷裂面閉合);Castro和譚憶秋等人的研究也表明,在連續荷載中引人一個間歇期可以大大提高瀝青和瀝青混凝土的疲勞壽命。瀝青混凝土的自修復能力在實際瀝青路面也有所體現:Williams等人采用面波法測試瀝青路面在車載前后的模量,發現車載后24h瀝青路面的模量可以回復到車載前的水平。瀝青路面冬天出現的微裂紋在夏天可以自動愈合,這也是瀝青混凝土自修復性能的體現。瀝青混凝土的自修復性能被認為是一種與瀝青流動和瀝青分子擴散有關的性能。Garcia和孫大權等人開展了基于毛細流動擴散理論瀝青自修復行為研究,發先瀝青在毛細細驅動下可在微裂縫中、流動雜裂縫閉合,隨后瀝青在裂縫界面擴散使閉合區域的強度逐漸增長。Phillips采用分子擴散理論闡述了瀝青混凝土的自修復過程,所示其主要步驟為:⑴微裂紋界面瀝青分子相互浸潤;⑵微裂紋界面瀝青分子擴散;⑶擴散的瀝青分子自由重組引起混泥土強度恢復。


上述研究表明,瀝青自修復過程符合高分子材料時溫等效原理及高分子分子運動規律。此外,研究者還對影響瀝青和瀝青混凝土自修復性能的因素也做了廣泛研究。研究表明,瀝青的性能(組成、型號、粘彈特性、表面能密度、擴散性能、老化程度以及改性劑),瀝青混凝土的性能(組成、結構、瀝青含量、瀝青混凝土層的厚度),環境因素(荷載間歇期、水、溫度等)都會影響瀝青混凝土的自修復性能瀝青低分子量組分(芳香分)含量越高,其自修復性能越好;軟瀝青(高針人度低軟化點)比硬瀝青具有更好的自修復性能;溶膠型瀝青比凝膠型瀝青具有更好的自修復性能;瀝青酸基表面能越大,其自修復性能越好;瀝青自修復性能的好壞取決于瀝青分子擴散速度的快慢;瀝青老化后其自修復性能下降;SBS改性瀝青在SBS網絡斷裂之前的自修復性能優于基質瀝青,而在SBS網絡斷裂之后的自修復性能劣于基質瀝青;瀝青混凝土中瀝青含量越高其自修復性能越好;瀝青混凝土層的厚度越大,瀝青路面的自修復性能越好;荷載間歇期越長,瀝青混凝土的自修復性能越好;水會促進裂紋擴展巧阻礙裂紋的自修復。升高溫度不僅可以大幅度提高瀝青混凝土的自修復性能也可以減少瀝青混凝土自修復所需的時間。在這些影響瀝青混凝土自修復性能的因素中,溫度是控制瀝青混泥土自修復水平和自修復速率的關鍵主導因素。Uchida等人利用裂紋愈合后瀝青混泥土試件的彎曲強度與其初始彎曲強度的比值來表征瀝青混凝土的自修復性能,研究發現瀝青混凝土試件的彎曲強度回復率隨愈合溫度升高而升高。KimRoque利用瀝青混凝土愈合后單位時間內的耗散能與其初始單位時間內耗散能的比值來表征自修復性能,并發現在10℃以上時瀝青混凝土的自修復水平隨溫度升高而劇烈增加。Grant利用間接拉伸試驗中彈性變形的恢復表征瀝青混凝土的自修復性能,研究發現瀝青混凝土試件在15℃時的自修復性能明顯優于10℃時的自修復性能,并通過計算得出15℃時所需的自修復時間大大短于10℃時所需自修復時間。Shen等人利用動態剪切流變儀疲勞試驗中的耗散能表征瀝青的自修復性能,發現低溫下瀝青的自修復性能很有限,并將其歸因于低溫下瀝青的黏度增大而導致的潤濕、擴散和流動等熱力學運動減弱。


瀝青自修復技術以及自修復能力評價


由于瀝青混凝土的自修復性能是有一定限度的,瀝青本身修復能力有限且耗時較長,且當溫度過低或裂紋大于其可自修復的閾值尺度時,瀝青很難實現自我修復。所以為增強瀝青自修復性能,提高瀝青的使用壽命,會采用不同技術手段如電感應加熱法、微膠囊法、納米顆粒法和聚合物共混法來改變瀝青混凝土的結構,使得瀝青增強自我修復和自我愈合的能力。武漢理工大學聯合荷蘭代爾夫特理工大學合作開發的摻雜短鋼纖的自修復擁青混凝土,實現了電磁感應加熱自修復瀝青混凝土;天津工業大學聯合荷蘭代爾夫特理工大學,將微膠囊包覆瀝青再生劑應用于瀝青,成功實現了瀝青中微裂紋自修復。此外,還可通過設計瀝青高分子材料的結構,如分子接枝、納米顆粒添加及聚合物共混等方法來實現瀝青自修復能力的提高。以上所述方法中有通過改善瀝青自身性能來提高使用壽命如微膠囊包裹修復劑,用瀝青再生劑改變老化瀝青;或是感應加熱使得瀝青處于粘流態填補縫隙;也有通過添加外部顆粒使得在發生微裂紋時外加物可以延緩甚至是防止裂紋發生。根據客觀條件允許,選擇使用不同方法,以改變瀝青混凝土結構性能。


瀝青自修復能力可通過對比修復前后瀝青的性能得到。再生瀝青性能的評價與普通瀝青一致,首先可按常規指標分析,包括針人度、軟化點、黏度、延伸度等;但通常認為常規分析沒有具體針對瀝青在低溫時的性能做出評價,故要通過多種試驗方法進行全面分析瀝青在高溫時表現為一種粘彈性材料,所以在檢測性能時一般可采用動態剪切流變儀(DSR)測試瀝青在常溫和高溫時的流變性能,它的粘彈性是由動態剪切模量和相位角來表征。而低溫時,由于瀝青是溫度敏感性物質,這使得瀝青的脆性更強,強度更大,抵抗變形的能力更弱。此時瀝青不能與動態剪切流變儀的平行板牢固粘結,致使測量精度也比較差,而且低溫測量需要的試驗時間較長,成本很高。而采用彎曲梁流變儀(BBR)和直翻伸儀(DT)對瀝青低溫性能進行研究更為符合實際需要,這兩種方法分別是通過測定瀝青的低溫螺變性能和破壞性能來評價瀝青的低溫性能。通過對這兩方面測試,可檢測出瀝青高溫時的抗車轍性和低溫時的抗皴裂性以及抗疲勞性。


除瀝青本身性能測試,實際瀝青公路的受損情況往往比實驗測試復雜得多。為模擬瀝青混合料在真實使用環境中的自修復能力,Qiu等采用了彈性地基梁的方法,用適時負荷裂紋張開位移曲線來表征瀝青在承受負荷時的自修復能力。研究表明,通過添加不同的負載來改變修復時的條件和不同裂紋深度,檢測裂紋的修復狀況,同時根據位移曲線分析結果表明,自修復能力是依賴于修復時間和溫度的,這其中溫度的影響尤甚。蘇峻峰等在研究微膠囊對瀝青的修復效果中也采用了改進的彈性梁方法,對修復前后的瀝青材料力學性能進行了對比。


結論與討論


利用瀝青混凝土的自修復性能在瀝青路面出現宏觀損害之前就進行養護,是近些年來所倡導的先進瀝青路面養護理念。瀝青自修復研究是瀝青通過研究瀝青自修復過程,分析瀝青修復時的影響條件,為構建智能自修復體系提供理論基礎;瀝青的自修復方法和和評價手段是為實現自修復瀝青混凝土的應用提供可靠的技術支持。本文對瀝青自修復的影響因素及自修復機理的研究進展進行了綜述,以期為瀝青混凝土自修復研究提供理論依據。目前,雖有一些瀝青自修復研究技術,但是不同技術手段的作用機理以及新的瀝青自修復評價體系不甚完整,自修復時機的診斷方法也有待深人研究。



標簽:技術中心瀝青混凝土
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