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密级配沥青混合料自愈性能的评价方法

 

摘 要

为科学评价沥青混合料的自愈性能,开发基于高压渗水的密级配沥青混合料自愈性能的测试  装置,提出评价指标,通过试验确定愈合时间、愈合温度与最小样本数等关键?#38382;?#36890;过测试不同愈合温度与时间、混合料类型与微胶囊掺量下的密级配沥青混合料的渗水速?#26102;齲ǎ觶澹?#39564;证该方法的敏?#34892;?#19982;稳定性。对?#30830;?#26512;ve 与间歇式疲劳寿命及劈裂愈合强度比(SHSR),论证该方法的有效性沥青网sinoasphalt.com。结果表明:该方法的适宜试验?#38382;?#20026;愈合时间?#20445;玻瑁?#24840;合温度45 ℃,制缝温度5 ℃ ±2 ℃,最小样本数n=4;该方法能有效区分测试条件(愈合温度与时间)、混合料类型及最大公称粒径、微胶囊掺量对自愈性的影响,平行试验结果的变异系数在?#24120;埃ィ?#28385;足敏?#34892;?#21450;稳定性要求;ve 与间歇式疲劳寿命及SHSR 在评价密级配沥青混合料自愈性方面具有一致性,且具有试验设备简单, 结果稳定等优点;在?#27426;?#33539;围内,沥青混合料裂缝自愈效果随微胶囊掺量的增加和温度的升高而提  高,?#26131;?#24840;性能随愈合时间的延长呈非线性增长;公称最大粒?#23545;?#23567;,自愈效果?#33014;茫?#24748;浮密?#23548;?#37197;?#31890;?的自愈性能优于骨架密?#23548;?#37197;SMA。

关键词

道路工程 | 沥青混合料 | 高压渗水试验 | 自愈性能 | 间歇式疲劳寿命 | 劈裂愈合强度比

引言

裂缝是沥青?#35775;?#26368;常见的病害之一,它是由微裂缝在温度及荷载耦合作用下逐步形成的。如不及时采取措施,微裂缝将在缝端集中应力作用下进一步扩展,最?#25307;?#25104;贯通裂缝。在较高温度下沥青混合料具有?#27426;?#30340;自愈能力[?#20445;藎?#20294;该过程极其缓慢,其自修复能力有限。有研究表明,沥青混合料微胶囊技术?#21830;?#39640;其自愈能力,使微裂缝得到及时主动的修复,抑制裂缝发展,推迟贯通缝的形成[2-?#24120;蕁?#21033;用沥青混合料的自愈合性能,在沥青?#35775;?#20986;现宏观裂缝之前及时进行预防性养护,是近年来先进的沥青?#35775;?#20859;护理念之一。微胶囊是利用封装材料将固体、液体或气体等小颗粒核心材料封存成的固体微粒,在结构上一般由囊芯、囊壁和包裹材料组成,其中囊芯为核心功能材料。微胶囊可用界面聚合[4]、凝聚[?#25285;蕁?#21407;位聚合[6]、吸附[7]等方法制备。目前,国内外研究人员应用不同方法制备出了多种路用微胶囊。Shrizad等[4]采用原位聚合方法制备了一种以葵花籽油为囊芯的微胶囊;Garcia等[8]采用多孔砂作为修复剂载体,以环氧树脂?#36864;?#27877;作为囊壁材料, 制成了?#26412;?#20026;1~2mm 的微胶囊;Li等[9]采用脲甲醛树脂作为壁材,基于原位聚合方法制备出路用微胶囊;Su 等[?#20445;埃?#20351;用甲醇-三聚氰胺-甲醛(MM?#30130;?#39640;分子聚合物作为胶囊壁材制备出了路用微胶囊。


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,国内外?#28304;?#23637;开?#25628;?#31350;。Bazin等[?#20445;保?#37319;用直接拉伸试验测试沥青混合料小梁的拉伸强度,并将破坏后的小梁对接并置于不同温度条件下进行养护,测试愈合后小梁的拉伸强度,以 愈后与原样沥青混合料的拉伸强度比评价其自愈性。Qiu[?#20445;玻?#20998;析了拉伸强度比随愈合时间的变化规律。Garcia[?#20445;常?#29575;先采用间歇式疲劳试验评价沥青混合料的自愈性能,该方法将传统试验方法的连续式加载改为间歇式加载,在加载间歇期沥青混合料发生?#27426;?#31243;度的愈合,使得沥青混合料的疲劳寿命延长。黄明等[?#20445;矗保担?#20998;析了沥青混合料的疲劳寿命比及其影响因素。Kim 等[?#20445;叮蕁ⅲ茫幔潁穡澹睿簦澹?#31561;[?#20445;罰?#37319;用耗散能理论研究了沥青混合料在间歇?#33014;?#36733;作用下的自愈性能,并采用耗散蠕变应变能的变化?#39318;?#20026;评价指标。Pronk[?#20445;福?#22522;于耗散能理论建立了沥青混合料的自愈模型。?#31890;紓酰椋潁潁?#31561;[?#20445;梗?#37319; 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 He评价其自愈性(He为裂缝在愈合?#27426;?#26102;间后的宽度与初始宽度的比值)。Su等[20]发明了弹性橡胶支座梁的重复加载试验方法(B?#24076;牛疲?#35813;方法将带有预制裂缝的小 梁两端用铝棍支撑,小梁中部正?#36335;?#25918;置有一弹性橡胶块;施加竖向荷载后,小梁会产生弯曲变形,并与橡胶 块接触,使得橡胶块产生弹性压缩变形;?#23545;?#21518;橡 胶块向上?#25351;?#21464;形,沥青混合料小梁恢 复至水平状态,裂缝得到闭合;?#32531;?#23558;其放置在0 ℃ 下自愈24h,重复加载-?#23545;兀?#33258;愈的过程,最后用裂缝宽度评价其自愈性。


本文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与评价方法,确 定最小样本数、愈合温?#21462;?#24840;合时间等关 键试验?#38382;?#24182;与间歇式疲劳试验劈裂及愈后强度试验进行对比,以证明本文方法的有效性。

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密级配沥青混合料自愈性测试装置

水分会通过混合料的裂缝渗透,渗水速率反映了裂缝的大小。沥青混合料的自愈性会改变裂缝尺寸,进而影响渗水速率。基于上述原理,本文开发了基于高压渗水的密级配沥青混合料裂缝自愈性测试装置,如 图 1 所示。其中密封水箱内径为 ?#20445;埃玻?span style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; word-wrap: break-word !important; letter-spacing: 0px;">mm,外径为?#20445;埃?mm,高度为?#24120;埃?mm;气泵气压为0~?#20445;?nbsp;MPa。


利用该装置测试密级配沥青混合料自愈性的步骤如下:①采用马歇尔方法制备?#26412;?#20026;?#20445;埃保?nbsp;mm,高6?#24120;?mm 的圆柱体试件,?#32531;?#22312;低温下采用劈裂方法制缝;②在圆柱体试件的侧面全高度涂抹黄油,将其装入密闭水箱中,检查试件边缘的密封情况,并?#31283;?#22810;余的黄油;③向水箱内注入足量的水,?#32531;?#20851;闭水阀使水箱密封,并记录流量值 Q?#20445;虎?nbsp;?#27833;?#27668;泵,打开气阀向水箱内充气,待显示屏上的数值达到0.7MPa后,关闭进气阀;⑤ 拧动密闭水箱底部开口螺丝开始渗水试验,同步启动秒表记录试验时间t;⑥经规定时间t后,渗水试验结束,观察密封水箱内刻?#35748;?#30340;读数Q2,渗水速率v 按式(?#20445;?#35745;算;⑦ 采用同一试件愈合前与愈合后的渗水速?#26102;?#20540;ve 评价密级配沥青混合料自愈性能[式(2)],ve 越大,说明密级配沥青混合料自愈性?#33014;謾?/span>


v=(Q?#20445;眩玻?nbsp;                     (?#20445;?/p>

ve=v?#20445;觶?nbsp;                                 (2)

式中?#28023;眩保眩?#20998;别为试验前、后的水量;v?#20445;觶?nbsp;分别为同一试件愈合前、后的渗水速率。

密级配沥青混合料自愈性试验方法

试验材料

室内制备试验用微胶囊,由囊芯、囊壁和包裹材料三部分组成,如 图 2 所示。囊芯为 一 种 沥 青 再 生?#31890;?#22218;壁为多孔膨胀珍珠岩;包 裹材料由环氧树脂、固化剂、稀释剂和液体分散剂组成。沥青采用 90 号基质沥青和 SBS 改性沥青,其性能如表1所示。集料采用石灰?#23452;?#30707;,其压碎值为?#20445;担福ィ?#20854;他技术指标如表2所示。

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采用4种不同的沥青混合料进行测试,分别是?#31890;茫保常ǎ梗?nbsp;号基质)、?#31890;茫保埃ǎ梗?nbsp;号基质)、SM?#31890;保?/span>(SBS改性)、SM?#31890;保埃ǎ櫻攏?nbsp;改性),混合料级配如表3所示,混合料技术指标如表?#27492;?#31034;。

试验?#38382;?#30340;确定

(?#20445;?#24840;合时间

分别测试微胶囊掺量(质量分数,下文同)为0 与掺量为6%的 ?#31890;茫保?#28151;合料在不同愈合时间下的渗水速?#26102;齲ǎ觶澹?#24840;合温?#30830;直?#20026;?#20445;?nbsp;℃、?#24120;?nbsp;℃与45℃,结果如图3所示。

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由图3 可知,在?#20445;玻?nbsp;前ve 随时间?#24335;?#20284;线性增加,而后增长极为缓慢,说明?#20445;玻?后密级配沥青混合料的自愈趋于结束,由此确定愈合时间为?#20445;玻琛?/p>


(2)愈合温度

分别测试微胶囊掺量为0和6%的?#31890;茫保?#28151;合料在不同愈合温度下的渗水速?#26102;齲觶澹?#24840;合温?#30830;?/span>别为0℃、?#20445;怠妗ⅲ常啊妗ⅲ矗怠?#19982;60℃,结果如图4所示。由图4可知,ve随愈合温度的升高而增大,当愈合温度为60℃时,渗水速率在?#25285;恚獺ぃ恚椋睿?#20043;内,基本不渗水。进一?#28966;?#23519;发现,接近试件表面的裂缝面被沥青堵塞,而试件中间的裂缝面被沥青堵塞的现象并不明显,说明过高的温度会导致接近试件表面的裂缝被沥青堵塞,进而影响试验结果。因此,确定愈合温度为45℃。


(?#24120;?#21046;缝温度

有研究表明:当制缝温度为 -5 ℃ ~ -?#20445;?nbsp;℃时,裂缝表面平整,少数粗集料破裂,属脆性劈裂,裂缝难以愈合?#22351;?#21046;缝温度为2 ℃~7 ℃时,裂缝表面粗糙,没有发生粗集料破裂现象,裂缝可以愈合?#22351;?span style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; word-wrap: break-word !important; letter-spacing: 0px;">缝温度高于?#20445;?℃时,在劈?#21387;?#31243;中试件变形,难以完全劈裂,裂缝可以愈合[2?#20445;蕁?/span>表5为5 ℃下制缝后所测试的密级配沥青混合料的渗水速率。由表5 可知,在5 ℃下制缝的不同密级配沥青混合料的渗水速率较为接近,最大偏差为7.2%,说明在该温度下能制得较为稳定的微裂缝。因此,推荐制缝温度为5 ℃±2 ℃。

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(4)最小样本数

合理的样本数n与试验结果的离散系数与置信度有关,置信度越高,所需要的样本数就越大;此外还与误差限有关,误差限是用子样估计母体指标时的相对误差极限,误差限一般取为?#25285;ァ?#26412;文选择置信度为9?#25285;ィ?#35823;差限为?#25285;ィ?#25152;对应的变异系数与样本数n的关?#31561;?#34920;?#31471;?#31034;[22]。


分别测试4种不同密级配沥青混合料的渗水速?#26102;齲?#27599;种混合料的微胶囊掺量均为0与6%。制缝温度为5 ℃,愈合温度为45 ℃,愈合时间为?#20445;玻瑁?#27700;压为0.7MPa,统计分析结果如表7所示。由表7可知,变异系数的最大值为0.029 ?#20445;?#22240;此当样本数n≥4时,变异系数满足置信度为9?#25285;ィ?/span>误差限为?#25285;?#30340;离散性要求,因此确定最小试验样本数n=?#30784;?/span>


  综上,确定基于高压渗水的密级配沥青混合料裂缝自愈性试验方法的合理?#38382;?#20026;:愈合时间?#20445;?/span>h,愈合温度45℃,制缝温度5℃±?#30149;媯?#26368;小样本数n=?#30784;?/span>

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密级配沥青混合料裂缝自愈性试验方法的验证

 敏?#34892;?/p>

敏?#34892;?#26159;指试验结果能有效区分不同混合料类型的性能差距。根据表?#26041;?#26524;进一步分析可知:


(?#20445;粒茫保常櫻停粒保常粒茫保?nbsp;与SM?#31890;保?nbsp;微胶囊沥青混合料(微胶囊掺量为6%)的ve 分别为普通沥青混合料(不掺微胶囊)的2.7?#25285;保保担玻梗常保玻?#20493;,这说明ve 能有效区分微胶囊掺量对自愈性能的影响;


(2)当微胶囊掺量为6% 时,这4 种沥青混合料的ve 分别为?#20445;叮玻常罰保罰?nbsp;与?#24120;梗?#20854;测试结果的变异系数为7?#24120;玻ィ?#36828;高于20%,说明ve 能有效区分混合料类?#25237;?#33258;愈性能的影响;


(?#24120;?#20844;称最大粒?#23545;?#23567;,ve 越大,自 愈效果?#33014;茫?#24748;浮密实型级配 ?#31890;?的自愈效果优于骨架密实型级配SM?#31890;?#35828;明ve 能有效甄别公称粒径与级配类?#25237;?#33258;愈性能的影响。

稳定性

当对同种混合料进行平行试验时,希望不同样本的试验结果较为稳定,即离散性较小。由表7 可知,同种混合料4 个样?#36820;?#21464;异系数均在?#24120;埃?以内,符合平行性试验误差较小的原则。

与间歇式疲劳寿命的对?#30830;?#26512;

(1)间歇式疲劳试验方法

间歇式疲劳试验是评价沥青混合料自愈性能较为常见的方法[?#20445;常保担蕁?#35813;方法将传统试验方法的连续式加载改为间歇式加载,在间歇期沥青混合料发生?#27426;?#31243;度的愈合,疲劳寿命延长。本文进行沥青混合料小梁的间歇式弯曲疲劳试验(图?#25285;?#23558;加载方式分3个阶段:第1阶段,对小梁试件进行无间隙加载,直至试件破坏,并记录破坏时的加载?#38382;?N?#20445;坏?/span>2 阶段,先对小梁试件进行疲劳试验,加载?#38382;?#20026;/?#24120;?#32780;后将试件放置在45 ℃±1 ℃的环境箱内愈合48h?#22351;冢?#38454;段,将第?#27493;?#27573;的小梁试件进行重复疲劳试验,直至试件破坏,并记录破坏时的加载?#38382;?/span>N?#30149;?#21508;个阶段的试验?#38382;?#20026;:应力比为0.4,试验温度为?#20445;?℃,加载频率为?#20445;?Hz。采用式(?#24120;?#35745;算沥青混合料的间歇式疲劳寿命 N,N 值愈大,表明自愈性能?#33014;謾?/span>


N=N?#20445;常危?nbsp;                                 (?#24120;?/p>

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(2)ve 与间歇式疲劳寿命的对?#30830;?#26512;

不同微胶囊掺量 ?#31890;茫保?nbsp;混合料(90 号基质沥青)的ve 与间歇式疲劳寿命 N 的对?#30830;?#26512;结果如图?#31471;?#31034;。由图6可知:当微胶囊掺量小于6% 时,ve 与间歇式疲劳寿命均随微胶囊掺量的增加而逐渐提高?#22351;?#24494;胶囊掺量超过6% 时,两者则随微胶囊掺量的增加而降低,说明ve 与间歇式疲劳寿命在评价密级配沥青混合料自愈性能方面具有一致性。间歇式疲劳寿命测试一般需采用 MTS 或 UTM 等昂贵的设备,不仅操作复杂,试验结果?#36164;?#24212;力水平、加载频率等试验条件的影响,而且试验周期长。相比而言,渗水速率测试具有操作简单,设备简洁,变 异性小的优点。

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与劈裂愈合强度试验的对?#30830;?#26512;

劈裂愈合强度比 (Splitting Healing StrengthRatio,SHSR)可表征沥青混合料的自愈性能[2?#24120;蕁?#27813;青混合料首先在 5 ℃ 下劈裂,并记录劈裂强度 S?#20445;?#35797;件如图7 所示。将劈裂后 试 件 放 置 在 45℃ 烘箱中愈合 ?#20445;玻瑁?/span>?#32531;?#20919;却至室温后放置到5 ℃ 的烘箱中3h;最后从烘箱中取出试件,再一次进?#20449;?#35010;试验,记录愈后劈裂强度S?#30149;?#37319;用式(4)计算SHSR,SHSR 为 SHSR 的计算?#38382;?#20854;值越大说明自愈性能?#33014;謾?/span>

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(2)ve与劈裂愈合强度比的对?#30830;?#26512;

测试不同微胶囊掺量?#31890;茫保?#28151;合料(90号基质沥青)的SHSR,结果如图8所示。由图8可知,微胶囊掺量小于6%时,ve与SHSR均随微胶囊掺量的增加而逐渐提高,说明这2个指标在评价密级配沥青混合料自愈性能方面具有一致性。

结语

(?#20445;?#26412;文开发了基于高压渗水的密级配沥青混合料自愈性能的测试装置,确定了合理的试验?#38382;?#24840;合时间为?#20445;玻瑁?#24840;合温度为45 ℃,制缝温度为5℃±2 ℃,最小样本数n=?#30784;?/span>


(2)该方法能有效区分测试条件(温度与时间)、混合料类型及最大公称粒径、微胶囊掺量对混合料自愈性的影响,且同种混合料的平行试验渗水速?#26102;?#30340;变异系数在?#24120;埃?以内,证明该方法可满足敏?#34892;?#21450;稳定性的要求。


(?#24120;?#28183;水速?#26102;?#19982;间歇式疲劳寿命以及 SHSR在评价密级配沥青混合料自愈性能方面具有一致性,且具有试验设备简单,结果稳定的优点。


(4)后续将对渗水速?#26102;?#30340;标准展开研究,为推广本文方法在自愈沥青混合料设计中的应用奠定基础。

参考文献?#28023;遙澹媯澹潁澹睿悖澹螅?/p>

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[20] SU J,QIU J,SCHL?#31890;危牽牛巍。牛澹簟。幔歟牛穡澹潁椋恚澹睿簦幔歟桑睿觶澹螅簦椋紓幔簦椋錚睢。錚妗。櫻澹歟媯瑁澹幔歟椋睿紜。攏澹瑁幔觶椋錚頡。錚妗。攏椋簦酰恚澹睿停椋悖潁錚悖幔穡螅酰歟澹茫錚恚穡錚螅椋簦澹蟆。猓。帷。停錚洌椋媯椋澹洹。攏澹幔懟。錚睢。牛歟幔螅簦椋悖疲錚酰睿洌幔簦椋錚睢。停澹簦瑁錚?[J].Materials and Structures,20?#20445;担矗福ǎ保玻海矗埃叮罰矗埃罰叮?/p>

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[22] 祝东进,郭大伟,刘 晓.概率论与数理统?#30130;郟模藎本?#22269;防工业出版社,20?#20445;埃冢齲鍘。模錚睿紓輳椋睿牽眨稀。模幔鰨澹椋蹋桑鍘。兀椋幔錚校潁錚猓幔猓椋歟椋簦裕瑁澹錚潁。幔睿洹。停幔簦瑁澹恚幔簦椋悖幔臁。櫻簦幔簦椋螅簦椋悖?[?#27169;藎攏澹椋輳椋睿紓海危幔簦椋錚睿幔臁。模澹媯澹睿螅濉。桑睿洌酰螅簦潁。校潁澹螅螅玻埃保埃?/p>

[2?#24120;?柴子奇,郑 毅,赵鸿铎.内嵌于沥青混合料的自修复胶囊性能评价[J].交通科技,20?#20445;叮ǎ玻海保叮常保叮担保罰玻茫齲粒傘。冢椋瘢椋冢齲牛危恰。伲椋冢齲粒稀。齲錚睿紓洌酰錚校澹潁媯錚潁恚幔睿悖澹牛觶幔歟酰幔簦椋錚睢。錚妗。櫻澹歟媯潁澹穡幔椋潁椋睿紜。茫幔穡螅酰歟澹蟆。牛恚猓澹洌洌澹洌椋睢。粒螅穡瑁幔歟簟。停椋簦酰潁澹郟剩藎裕潁幔睿螅穡錚潁簦幔簦椋錚睢。櫻悖椋澹睿悖澹?Technology,20?#20445;叮ǎ玻海保叮常保叮担保罰玻?/p>


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