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沥青自修复材料研究进展I自修复理论研究
2019年03月22日    阅读量:3134    新闻来源:沥青网 sinoasphalt.com  |  投稿

随着经济的发展和生活水平的提高,我国沥青混凝土公路系统发展十分迅速。截至2013年底,我国公路总里程已达435.6x104km,包含高速公路10.44x104km,其中大约95%是沥青路面。与此同时,沥青路面的老化所带来的问题也随之而来,沥青属于有机高分子材料,沥青公路长时间受环境因素影响容易老化,如受阳光照射,雨水冲刷及温度变化等中国沥青网sinoasphalt.com。沥青在服役过程中因老化还易导致沥青路面产生车辙、裂缝、松散、坑槽等病害;特别是现代交通的重载、大流量与渠道化的特点,使得沥青路面病害问题更为突出,及时维修养护十分重要。老化的本质是沥青中的软质沥青部分发生一系列的变化,如氧化、挥发等从而造成沥青粘弹性变差、脆性增强、路面出现裂纹和路面平整性变差,大大降低了公路的使用寿命,并且对交通安全和交通运输效率产生严重影响,沥青路面的养护与维修任务也日趋繁重。


提高沥青的使用寿命不仅是简单的规范使用公路使其受到的损伤最小化,而更应考虑构建智能沥青材料,使其具有自我修复、自我愈合的能力。沥青本身也具有一定的自我修复性能,但是微裂纹须在沥青混凝土中小于某尺度(阈值尺度)才会自动愈合,所以沥青修复机理研究对于构建智能修复系统具有深远意义。利用沥青混凝土的自修复性能在沥青路面出现宏观损害之前就进行养护,是美国、荷兰、瑞士、英国等发达国家近些年来所倡导的先进沥青路面养护理念。据荷兰交通部估算,利用沥青混凝土自修复技术,有望使沥青路面的服役寿命延长50%以上,即使其成本加倍仍可使每公里的沥青路面全生命周期内节约31.6万欧元的养护和管理费用。因此,对沥青自修复的研究工作对于保障公路的安全和畅通、交通领域的节能减排以及经济社会的可持续发展都具有重要意义。


老化沥青自修复的影响因素


自二十世纪六十年代以来,各国研究者相继开展了沥青混凝土自修复方面的研究工作,这些研究主要包括沥青混凝土自修复性能的表征、影响因素和增强方法等。其中,沥青自修复影响因素的研究可为提高沥青自修复能力及开发新的自修复方法提供基础理论指导。如BazinSauni-er利用单轴拉伸试验研究沥青混凝土梁的自修复性能,试验结果表明断裂梁在25℃卸载24h以后强度可以回复到初始强度的90%,同时发现疲劳后的小梁在25℃卸载24h以后疲劳寿命可以回复到初始疲劳寿命的50%(卸载期间需要施加一定的压力使断裂面闭合);Castro和谭忆秋等人的研究也表明,在连续荷载中引人一个间歇期可以大大提高沥青和沥青混凝土的疲劳寿命。沥青混凝土的自修复能力在实际沥青路面也有所体现:Williams等人采用面波法测试沥青路面在车载前后的模量,发现车载后24h沥青路面的模量可以回复到车载前的水平。沥青路面冬天出现的微裂纹在夏天可以自动愈合,这也是沥青混凝土自修复性能的体现。沥青混凝土的自修复性能被认为是一种与沥青流动和沥青分子扩散有关的性能。Garcia和孙大权等人开展了基于毛细流动扩散理论沥青自修复行为研究,发先沥青在毛细細驱动下可在微裂缝中、流动雜裂缝闭合,随后沥青在裂缝界面扩散使闭合区域的强度逐渐增长。Phillips采用分子扩散理论阐述了沥青混凝土的自修复过程,所示其主要步骤为:⑴微裂纹界面沥青分子相互浸润;⑵微裂纹界面沥青分子扩散;⑶扩散的沥青分子自由重组引起混泥土强度恢复。


上述研究表明,沥青自修复过程符合高分子材料时温等效原理及高分子分子运动规律。此外,研究者还对影响沥青和沥青混凝土自修复性能的因素也做了广泛研究。研究表明,沥青的性能(组成、型号、粘弹特性、表面能密度、扩散性能、老化程度以及改性剂),沥青混凝土的性能(组成、结构、沥青含量、沥青混凝土层的厚度),环境因素(荷载间歇期、水、温度等)都会影响沥青混凝土的自修复性能沥青低分子量组分(芳香分)含量越高,其自修复性能越好;软沥青(高针人度低软化点)比硬沥青具有更好的自修复性能;溶胶型沥青比凝胶型沥青具有更好的自修复性能;沥青酸基表面能越大,其自修复性能越好;沥青自修复性能的好坏取决于沥青分子扩散速度的快慢;沥青老化后其自修复性能下降;SBS改性沥青在SBS网络断裂之前的自修复性能优于基质沥青,而在SBS网络断裂之后的自修复性能劣于基质沥青;沥青混凝土中沥青含量越高其自修复性能越好;沥青混凝土层的厚度越大,沥青路面的自修复性能越好;荷载间歇期越长,沥青混凝土的自修复性能越好;水会促进裂纹扩展巧阻碍裂纹的自修复。升高温度不仅可以大幅度提高沥青混凝土的自修复性能也可以减少沥青混凝土自修复所需的时间。在这些影响沥青混凝土自修复性能的因素中,温度是控制沥青混泥土自修复水平和自修复速率的关键主导因素。Uchida等人利用裂纹愈合后沥青混泥土试件的弯曲强度与其初始弯曲强度的比值来表征沥青混凝土的自修复性能,研究发现沥青混凝土试件的弯曲强度回复率随愈合温度升高而升高。KimRoque利用沥青混凝土愈合后单位时间内的耗散能与其初始单位时间内耗散能的比值来表征自修复性能,并发现在10℃以上时沥青混凝土的自修复水平随温度升高而剧烈增加。Grant利用间接拉伸试验中弹性变形的恢复表征沥青混凝土的自修复性能,研究发现沥青混凝土试件在15℃时的自修复性能明显优于10℃时的自修复性能,并通过计算得出15℃时所需的自修复时间大大短于10℃时所需自修复时间。Shen等人利用动态剪切流变仪疲劳试验中的耗散能表征沥青的自修复性能,发现低温下沥青的自修复性能很有限,并将其归因于低温下沥青的黏度增大而导致的润湿、扩散和流动等热力学运动减弱。


沥青自修复技术以及自修复能力评价


由于沥青混凝土的自修复性能是有一定限度的,沥青本身修复能力有限且耗时较长,且当温度过低或裂纹大于其可自修复的阈值尺度时,沥青很难实现自我修复。所以为增强沥青自修复性能,提高沥青的使用寿命,会采用不同技术手段如电感应加热法、微胶囊法、纳米颗粒法和聚合物共混法来改变沥青混凝土的结构,使得沥青增强自我修复和自我愈合的能力。武汉理工大学联合荷兰代尔夫特理工大学合作开发的掺杂短钢纤的自修复拥青混凝土,实现了电磁感应加热自修复沥青混凝土;天津工业大学联合荷兰代尔夫特理工大学,将微胶囊包覆沥青再生剂应用于沥青,成功实现了沥青中微裂纹自修复。此外,还可通过设计沥青高分子材料的结构,如分子接枝、纳米颗粒添加及聚合物共混等方法来实现沥青自修复能力的提高。以上所述方法中有通过改善沥青自身性能来提高使用寿命如微胶囊包裹修复剂,用沥青再生剂改变老化沥青;或是感应加热使得沥青处于粘流态填补缝隙;也有通过添加外部颗粒使得在发生微裂纹时外加物可以延缓甚至是防止裂纹发生。根据客观条件允许,选择使用不同方法,以改变沥青混凝土结构性能。


沥青自修复能力可通过对比修复前后沥青的性能得到。再生沥青性能的评价与普通沥青一致,首先可按常规指标分析,包括针人度、软化点、黏度、延伸度等;但通常认为常规分析没有具体针对沥青在低温时的性能做出评价,故要通过多种试验方法进行全面分析沥青在高温时表现为一种粘弹性材料,所以在检测性能时一般可采用动态剪切流变仪(DSR)测试沥青在常温和高温时的流变性能,它的粘弹性是由动态剪切模量和相位角来表征。而低温时,由于沥青是温度敏感性物质,这使得沥青的脆性更强,强度更大,抵抗变形的能力更弱。此时沥青不能与动态剪切流变仪的平行板牢固粘结,致使测量精度也比较差,而且低温测量需要的试验时间较长,成本很高。而采用弯曲梁流变仪(BBR)和直翻伸仪(DT)对沥青低温性能进行研究更为符合实际需要,这两种方法分别是通过测定沥青的低温螺变性能和破坏性能来评价沥青的低温性能。通过对这两方面测试,可检测出沥青高温时的抗车辙性和低温时的抗皴裂性以及抗疲劳性。


除沥青本身性能测试,实际沥青公路的受损情况往往比实验测试复杂得多。为模拟沥青混合料在真实使用环境中的自修复能力,Qiu等采用了弹性地基梁的方法,用适时负荷裂纹张开位移曲线来表征沥青在承受负荷时的自修复能力。研究表明,通过添加不同的负载来改变修复时的条件和不同裂纹深度,检测裂纹的修复状况,同时根据位移曲线分析结果表明,自修复能力是依赖于修复时间和温度的,这其中温度的影响尤甚。苏峻峰等在研究微胶囊对沥青的修复效果中也采用了改进的弹性梁方法,对修复前后的沥青材料力学性能进行了对比。


结论与讨论


利用沥青混凝土的自修复性能在沥青路面出现宏观损害之前就进行养护,是近些年来所倡导的先进沥青路面养护理念。沥青自修复研究是沥青通过研究沥青自修复过程,分析沥青修复时的影响条件,为构建智能自修复体系提供理论基础;沥青的自修复方法和和评价手段是为实现自修复沥青混凝土的应用提供可靠的技术支持。本文对沥青自修复的影响因素及自修复机理的研究进展进行了综述,以期为沥青混凝土自修复研究提供理论依据。目前,虽有一些沥青自修复研究技术,但是不同技术手段的作用机理以及新的沥青自修复评价体系不甚完整,自修复时机的诊断方法也有待深人研究。



标签:技术中心沥青混凝土
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