利用不可恢复蠕变柔量评价沥青自愈合性能

黄立葵，闫朝亮，宋 伟

(湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082)

0 引言

疲劳开裂是沥青路面的主要病害之一，开裂进一步发展会使路面面层出现松散、坑槽等病害，严重时甚至会损坏基层[1]。长寿命沥青路面目前受到国内外学者广泛关注，沥青材料的疲劳特性是制约沥青路面长期使用性能的重要因素。1967年BAZIN等在进行沥青混合料疲劳试验时发现沥青混合料具有自愈合的特性，这一特性引起道路工作者的广泛关注[2]。沥青混合料的愈合行为表现为材料在加载间歇期间疲劳寿命、模量等力学性能的部分恢复[3]。沥青混合料的自愈合行为主要源于沥青结合料的自愈合特性。SHEN等对沥青结合料和沥青混合料进行了疲劳损伤试验和自愈合试验，结果证明了这一结论的正确性[4]。

动态剪切流变仪(DSR)在研究沥青结合料的损伤自愈合性能中得到了应用。一些研究者采用DSR试验研究了影响沥青结合料自愈合性能的主要因素，提出了不同的指标来表征沥青的自愈合特性。罗蓉[5]等采用考虑间歇时间的动态剪切流变试验，通过时间扫描模式研究了基质沥青和改性沥青间歇期的自愈合特性对沥青疲劳性能的影响。孙大权[6]采用动态剪切流变试验研究了沥青在不同粉胶比、温度、应力条件下，通过表象评价指标、能量指标评价沥青的疲劳寿命，提出了计算沥青疲劳寿命的模型。汤文[7]的试验研究发现，间歇时间越长，沥青的愈合效果越好，分析了当前评价沥青自愈合性能的主要评价方法以及沥青在不同间歇时间和应力条件下的愈合能力，采用自愈合率和自愈合速率评价沥青损伤愈合能力。目前对于沥青结合料自愈合性能的研究集中在影响沥青结合料损伤愈合的主要因素上，如沥青种类、愈合温度、愈合时间等，涉及沥青结合料自愈合性能评价方法和指标的研究相对较少，若自愈能力评价指标无法准确表征，则相关研究会存在偏差[8]。

BHASIN等首次提出了利用DSR试验模拟裂纹表面愈合过程的双片组测试方法[9-10]。本文尝试采用动态剪切流变仪，进行多应力重复蠕变恢复试验(Muti-Stress Creep and Recovery，MSCR)来测试沥青的愈合能力。MSCR试验能够有效地模拟路面受力情况，试验采用加载1 s、卸载9 s的方式，当停止加载后给予沥青结合料一定的愈合时间，沥青不能恢复的形变将累积到下一个加载、卸载环节。试验过程能够捕捉到沥青自愈合的能力，MSCR试验能够有效地评价沥青的自愈合性能[11]。由于试验样品是双片组(3 mm+3 mm)和单片组(6 mm)，考虑到过厚的样品难以进行高温试验，且沥青混合料的疲劳损伤主要发生在常温情况下，故采用中温区段进行MSCR试验和温度扫描试验。采用双片组沥青试样模拟沥青结合料分次灌注形成的内部损伤及其愈合情况，与未损伤的沥青试样中温MSCR试验和温度扫描试验结果比较，评价沥青结合料的愈合特性。

1 试验

1.1 材料

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的相关试验方法测定了高富70#基质沥青的主要参数，结果见表 1。该沥青试验结果均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)要求。

表1 沥青主要技术指标Table1 Maintechnicalindicatorsofasphalt类型针入度(25℃)/0.1mm软化点/℃延度(15℃)/cm密度(15℃)/(g·cm-3)粘度(135℃)/(Pa·s)70#基质沥青77.450.0>1001.0250.4708

1.2 试验方案

1.2.1试样准备

a.将用甘油和滑石粉制备好的隔离剂拌和均匀，涂于试样环内侧表面和试样板，并将试样环放在试样板上(见图1)。

图1 试样环

b.按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)T 0602准备沥青结合料，然后将沥青结合料缓慢均匀地倒入试样环内，至沥青略高于试样环表面为止。

c.将试样连同试样环在室温冷却30 min后，用镊子按住试样环，使用热刮刀从中间向试样环两边缓慢地刮除多余的沥青，使试样与环面齐平。

d.将试样环连同试样和底板一同放入冰箱冷藏30 min后，将试样从试样环中仔细拿出，放入室温中恢复至常温,见图2。

图2 沥青试样

1.2.2试验方法

采用由Anton Paar公司研制的Physical SmartPave动态剪切流变仪，按照MSCR模式进行试验。在测试过程中改变试验温度、平行板间距、愈合的间歇时间和温度[9]，测试不同条件下的沥青性能。考虑到试样制作的难度和精度，平行板尺寸选择25 mm；控制应力大小为0.1 Pa，以保证沥青处于线粘弹性范围；加载频率为10 rad/s，对应80 km/h的行车荷载作用；试验温度为25 ℃、28 ℃、31 ℃。由于试验样品需要修剪边缘，所以选择平行板间距为5、4.5、4 mm，试样愈合时间为0、15、30 min，愈合温度为40 ℃、46 ℃、52 ℃。

同时对各个相同条件下的试样进行温度扫描试验，取γ=0.01%，ω=10 rad/s，从19 ℃扫描到31 ℃，得到同等条件下沥青的复数模量G*和相位角δ，以便与MSCR试验数据进行比较，见图3、图4。

图3 双片组(3 mm+3 mm)试验

图4 单片组(6 mm)试验

2 试验结果与分析

2.1 试验温度的影响

保持平行板间距为5 mm，在40 ℃保温2 min条件下将沥青试样固定在上下平行板上。试验温度为25、28、31 ℃，MSCR试验结果见表2。

表2 不同试验温度条件下的试验结果Table2 TestresultsatdifferenttesttemperaturesE6E3+3R0.1/%R3.2/%Jnr0.1/%Jnr3.2/%δ/(°)G∗/MPaG∗sinδ/MPa25℃48.0743.654.14.766.91.2271.12952.4947.023.64.167.61.2751.17928℃42.3035.4811.612.869.60.5560.52144.8937.6410.811.870.10.5740.54031℃35.3133.6920.721.271.50.3550.33735.4933.9020.020.472.10.3580.341

表2中，E表示由MSCR试验和温度扫描试验得到的沥青结合料力学指标；E3+3表示双片组沥青试样的结果；E6表示单片组沥青试样的结果；R0.1、R3.2分别表示在0.1 kPa和3.2 kPa应力水平下的平均恢复率；Jnr0.1、Jnr3.2分别表示在0.1 kPa和3.2 kPa应力水平的不可恢复蠕变柔量。进行温度扫描时，得到指定条件下的相位角δ、复数模量G*和疲劳开裂因子G*sinδ。

由表2可知：当试验温度升高时，R0.1、R3.2、G*、G*sinδ下降，Jnr0.1、Jnr3.2、δ上升，说明试验温度对恢复率和疲劳开裂因子的影响显著；与单片组(6 mm)试样比较，双片组(3 mm+3 mm)试样恢复率和复数模量都较低，应是试样内部损伤所致；双片组(3 mm+3 mm)和单片组(6 mm)试样试验结果的变化规律一致；MSCR试验与温度扫描试验得到的数据变化规律一致。

用S表示沥青结合料的自愈合能力，定义：

(1)

其中,X表示R0.1、R3.2、G*、G*sinδ。

(2)

其中,Y表示Jnr0.1、Jnr3.2、δ。

由表2计算可得反映沥青愈合能力的有关指标(见表3)。

分析表3，SR0.1、SR3.2都达到了90%以上，这表明基质沥青的自愈合能力很强，当试验温度从25 ℃升到31 ℃时，基质沥青的愈合效果明显增强，当温度升到31 ℃，基质沥青的愈合程度高。Sδ基本不受试验温度影响，SG*和SG*sinδ均大于95%，受温度影响区分不明显；SR0.1、SR3.2受温度影响较小。SJnr0.1和SJnr3.2受试验温度影响区分明显，适用于沥青愈合性能的评价。

表3 不同试验温度条件下各指标所反映的沥青愈合能力Table3 Thehealingabilityreflectedbyeachindicator试验温度SR0.1/%SR3.2/%SJnr0.1/%SJnr3.2/%Sδ/%SG∗/%SG∗sinδ/%25℃9293888799969628℃9494939299979631℃99999796999999

2.2 平行板间距的影响

在40 ℃保温2 min条件下将沥青试样固定在上下平行板上。平行板间距分别为5、4.5、4 mm，保持试验温度均为25 ℃，MSCR试验数据见表4。

表4 不同平行板间距条件下试验结果Table4 TestresultsatdifferentparallelplatespacinE6E3+3R0.1/%R3.2/%Jnr0.1/%Jnr3.2/%δ/(°)G∗/MPaG∗sinδ/MPa5mm48.0743.654.14.766.91.2271.12952.4947.023.64.167.61.2751.1794.5mm46.7741.515.66.067.00.9300.85648.7443.815.15.467.70.9530.8824mm46.0837.656.36.667.30.7810.72047.0838.525.86.067.90.8010.742

从表4可以看出：随着平行板间距减小，R0.1、R3.2、G*、G*sinδ下降，Jnr0.1、Jnr3.2、δ上升，整体上受平行板间距影响较小。双片组(3 mm+3 mm)和单片组(6 mm)试样各指标的变化规律一致，MSCR试验得到的数据变化规律和温度扫描得到的一致。

表5 不同平行板间距条件下各指标所反映的愈合能力Table5 Thehealingabilityreflectedbyeachindicator %平行板间距SR0.1SR3.2SJnr0.1SJnr3.2SδSG∗SG∗sinδ5mm929388879996964.5mm969591909998974mm98989291999897

分析表5可知，随着平行板间距变小，基质沥青愈合效果变好，总体来说受平行板间距影响较小。

2.3 愈合时间的影响

保持平行板间距为5 mm，首先在40 ℃保温2 min条件下将沥青试样固定在上下平行板上，其后保持愈合时间为0、15、30 min，试验温度均为25 ℃，得到试验数据如表6所示。

表6 不同愈合时间条件下试验结果Table6 TestresultsatdifferenthealingtimesE6E3+3R0.1/%R3.2/%Jnr0.1/%Jnr3.2/%δ/(°)G∗/MPaG∗sinδ/MPa0min48.0743.654.14.766.91.2271.12952.4947.023.64.167.61.2751.17915min44.0043.455.05.667.60.8850.81845.4545.714.65.167.90.9090.84230min37.6043.225.35.967.90.8180.75838.0944.625.25.768.20.8430.783

从表6可以看出：随着愈合时间逐渐延长，R0.1、R3.2、G*、G*sinδ下降，Jnr0.1、Jnr3.2、δ上升，蠕变恢复率、不可恢复蠕变柔量、复数模量和疲劳开裂因子受愈合时间的影响较大。双片组(3 mm+3 mm)和单片组(6 mm)试样各指标的变化规律一致，MSCR试验得到的数据变化规律和温度扫描得到的一致。

分析表7可知，MSCR试验中反映的基质沥青愈合程度受愈合时间影响较大，而温度扫描试验得到的指标对愈合时间区分不敏感。

表7 不同愈合时间条件下各指标所反映的愈合能力Table7 Thehealingabilityreflectedbyeachindicator %愈合时间SR0.1SR3.2SJnr0.1SJnr3.2SδSG∗SG∗sinδ0min9293888799969615min97959291100979730min999798971009797

2.4 愈合温度的影响

保持平行板间距为5 mm，分别在40 ℃、46 ℃、52 ℃保温2 min条件下将沥青试样固定在上下平行板上，试验温度均为25 ℃，得到试验数据见表8。

表8 不同愈合温度条件下试验结果Table8 TestresultsatdifferenthealingtemperaturesE6E3+3R0.1/%R3.2/%Jnr0.1/%Jnr3.2/%δ/(°)G∗/MPaG∗sinδ/MPa40℃48.0743.654.14.766.91.2271.12952.4947.023.64.167.61.2751.17946℃43.0537.175.05.867.71.0360.95945.1638.524.75.467.91.0670.98952℃41.6236.845.78.168.40.8560.79642.7738.415.67.868.70.8810.821

从表8可以看出：当愈合温度升高时，R0.1、R3.2、G*、G*sinδ下降，Jnr0.1、Jnr3.2、δ上升，考虑到只保温了2 min各数据指标明显出现变化，说明愈合温度对于基质沥青的愈合程度影响很大。双片组(3 mm+3 mm)和单片组(6 mm)试样各指标的变化规律一致，MSCR试验得到的数据变化规律和温度扫描得到的一致。

根据表8数据计算得到的愈合率见表9，可见随着愈合温度的上升，各指标所反映的愈合率都有提升。MSCR试验得到的指标区分明显，而温度扫描试验指标对不同愈合温度的区分不明显。

表9 不同愈合温度条件下各指标所反映的愈合能力Table9 Thehealingabilityreflectedbyeachindicator %愈合温度SR0.1SR3.2SJnr0.1SJnr3.2SδSG∗SG∗sinδ40℃9293888799969646℃95969493100979752℃979698961009797

3 结论

a.同单片组(6 mm)试样的试验结果比较，双片组(3 mm+3 mm)试样的蠕变恢复率、不可恢复蠕变柔量、复数模量和疲劳开裂因子均存在差别，试验结果能够反映沥青试样损伤的影响。

b.由MSCR试验得到的反映沥青愈合能力的指标与DSR温度扫描试验得到的反映沥青抗疲劳性能的指标存在相关性。

c.基于MSCR试验的不可恢复蠕变柔量指标，能够明显地区分沥青在不同的试验条件下的愈合性能，是一种评价沥青愈合性能的合适指标。建议试验温度为25 ℃，平行板间距为5 mm，以40 ℃保温2 min条件下的单片组(6 mm)与双片组(3 mm+3 mm)试样不可恢复蠕变柔量之比作为评价沥青愈合能力的新指标。