微胶囊沥青混合料裂缝自愈与路用性能研究

沥青路面在服役过程中，裂缝是其最常见的破坏形式之一。初期微裂缝对沥青路面的使用性能无明显影响，但在环境及荷载的耦合循环作用下，互相独立的微裂缝会逐步扩展为贯通裂缝。研究表明，沥青混合料拥有一定的自愈能力[1-2]，可自动修复微裂缝。微胶囊技术是一种以外界物质为补给方式的自修复手段，沥青混合料掺入微胶囊后能够极大提高自愈能力，在产生裂缝时能够进行自动修复，抑制微裂缝发展成为宏观病害，减小裂缝尺寸[3-5]，提高沥青路面的服务水平与使用寿命，因此已逐步引起境内外研究者的重视。

White等于2001年首次提出沥青路面自愈合微胶囊的概念，且提出愈合原理：裂缝出现导致微胶囊囊壁破损，释放出内部囊芯愈合剂，愈合剂与外界材料进行反应使得裂缝自愈[6]。Garcia等采用原位合成法制备了自愈微胶囊颗粒，将修复剂置于多孔砂中，外部裹覆环氧树脂和细砂作为胶囊壁[7]。李蕊等用脲甲醛树脂作为壁材，基于原位聚合方法制备出了一种微胶囊，试验发现微胶囊会修复沥青胶浆的损伤[8]。刘哲将微胶囊掺入石油沥青中，发现其自愈合效率得到明显提高[9]。Su等使用甲醇—三聚氰胺—甲醛(MMF)高分子聚合物作为胶囊壁材制备出了路用微胶囊，从微观角度研究了该种微胶囊的各项指标以及裂缝自愈机理。影响微胶囊沥青混合料自愈性的影响因素是多方面的[10]。何亮等研究了微胶囊对橡胶沥青混合料路用性能的影响[11]。Grant提出温度是影响沥青混凝土自愈性能的关键因素，并指出15℃的自愈速率是10℃的3倍以上[12]。黄明等发现橡胶沥青混合料的疲劳自愈效率与愈合时间随着沥青用量的增加而增加，随着应变大小、破坏程度和空隙率的增大而减小[13]。柴子奇等设计了与AC-13级配沥青混合料适应性较强的内嵌式胶囊，并研究了混合料的疲劳性能[14]。董瑞琨等研究得出，自愈能力与空隙率、级配都呈很好的相关性[15]。

影响微胶囊沥青混合料自愈性能的因素是多方面的，既有微胶囊掺量与沥青混合料性质的影响，还会受环境条件的影响。境内外相关研究揭示了某一方面因素的影响规律，但并未全面考察上述因素的综合影响规律，导致如何设计微胶囊沥青混合料使得其自愈性能得到最大程度的发挥不尽理想。为弥补相关研究的不足，本文利用高压渗水试验评价微胶囊沥青混合料的自愈性能，研究微胶囊掺量、混合料属性(最大公称粒径、空隙率、沥青种类和用量)与使用环境(温度、愈合时间及水分)对自愈性能的影响规律，为微胶囊沥青混合料的优化设计提供更为细致的参考。

自愈性能测试方法

纪小平等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(图2)，采用试件愈合前后的渗水速率比(ve)评价自愈性能。其评价结果与传统的间歇式疲劳试验、愈合劈裂试验具有一致性，且具有试验设备简单、结果稳定等优点[16]，因此，本研究采用该方法评价沥青混合料的自愈性能。同种沥青混合料，制备4个马歇尔试件进行平行测试。

首先将试件放置在5℃环境箱中保温2h，然后采用马歇尔劈裂试验造缝，加载速率为5mm/min；将造缝后试件放入20℃烘箱中保温2h，接着转移到密闭水箱中开始测试渗水速率，密闭水箱中的水温为20℃、水压为700kPa，测试得到愈合前试件的渗水速率v1；将测试后的试件转移到45℃烘箱中自愈6h，而后再次转移到密闭水箱中开始测试，得到愈合后试件的渗水速率v2。采用愈合前与愈合后的渗水速率比ve来评价微胶囊沥青混合料的自愈性能，如式(1)所示。ve越大，说明微胶囊沥青混合料的自愈性能越好。

路用性能测试方法

(1)高温性能。

采用车辙试验测试沥青混合料的动稳定度(DS)，以评价其高温稳定性。试验条件为：试验温度60℃，轮压0.7MPa，试验时间60min，加载速率43次/min。

2)低温抗裂性。

采用万能试验机(MTS)测试低温弯曲应变εB，用于评价沥青混合料的低温抗裂性能。试验条件为：试验温度-10℃，加载速率50mm/min。测定试件破坏时的挠度d，通过式(3)计算εB。

(3)水稳定性。

采用冻融劈裂强度比(TSR)评价水稳定性。将试件在97.33kPa真空条件下先饱和15min，然后放入含有约10mL水的密封塑料袋中，并在-18℃的恒温下冷冻16h。接着将样品从塑料袋中取出，放入60℃的水浴中24h。最后，将对比试验的试件浸入25℃水浴中2h，并测试其劈裂强度，通过式(4)计算TSR。

微胶囊掺量的影响

混合料类型及参数的影响

选用微胶囊掺量为0和6%，研究混合料公称最大粒径、空隙率大小、沥青种类及用量对自愈性能的影响。

(1)公称最大粒径。

对比测试了基质沥青AC-10、AC-13(90号)、AC-16和AC-20的渗水速率比ve，以研究公称最大粒径对自愈性能的影响，结果如图4所示。由结果可知，ve随着公称最大粒径的增大而降低，说明集料公称最大粒径越小，自愈性能越好。这是因为，矿料粒径越大，发生愈合时矿料断面需要更多数量微胶囊破裂释放修复剂才能形成完整的胶结料膜。

(2)空隙率。

通过静压成型方法得到具有不同空隙率的90号基质沥青AC-13混合料试件，空隙率分别为2.9%、3.5%、4.1%、4.7%、5.3%与5.9%。测试渗水速率比ve，结果如图5所示。由结果可知，随着空隙率的增大，渗水速率比ve明显降低，说明微胶囊混合料自愈性能随着空隙率的增大而变弱。这是因为，微胶囊释放的修复剂一部分用于裂缝自愈，一部分渗透进了混合料空隙中，空隙率越大吸附的修复剂就越多，使得作用于裂缝的修复剂减小，进而导致自愈性能降低。

(3)沥青种类。

对比测试70号基质沥青、90号基质沥青与SBS I-C改性沥青AC-13混合料的渗水速率比ve，结果如图6所示。由结果可知，基质沥青的ve远高于SBS改性沥青，90号基质沥青优于70号基质沥青。这是因为，沥青混合料的自愈是本身沥青基体分子流动扩散和修复剂释放填充的共同作用结果，而SBS改性沥青具有更高的软化点与更大的黏滞力，因此SBS改性沥青基体分子的自修复作用较弱。

(4)沥青用量。

变化油石比制备90号基质沥青AC-13混合料试件，油石比分别为4.5%、4.9%、5.3%与5.7%。测试渗水速率比ve，结果如图7所示。结果表明，ve随着油石比的增大而逐渐增大，说明微胶囊混合料自愈性能随着油石比的增大而提升。这是因为，沥青混合料的自愈是本身沥青基体分子流动扩散和修复剂释放填充的共同作用结果，较大的沥青用量意味着可流动扩散参与裂缝修复的沥青分子就越多，使自愈性能得到极大程度增强。

使用环境的影响

环境条件包括温度、愈合时间和水等3个方面。选用90号基质沥青AC-13沥青混合料，微胶囊用量为0与6%，研究外部环境对沥青混合料自愈性能的影响。

(1)温度。

沥青的温度敏感性强，高温下呈液体形态，在渗透与扩散作用下，混合料内部微裂缝被流动沥青填充自愈，因此，温度是影响沥青自愈性能的关键因素之一。将试件进行人工造缝后，分别置于0℃、15℃、30℃、45℃与60℃的环境箱中进行自愈，愈合时间为6h。测试经不同温度自愈后试件的渗水速率比ve，结果如图8所示。由结果可知，随着温度的升高，未掺加微胶囊和掺加6%微胶囊的混合料的渗水速率比ve均有上升，说明升高温度能够增强自愈性能。

(2)愈合时间。

沥青混合料裂缝的自愈过程是一个长期而缓慢的过程，愈合时间对裂缝自愈有重要影响。图9为不同愈合时间下的混合料渗水速率比ve。由结果可知，随着愈合时间的延长，渗水速率比ve呈非线性增长。当愈合时间小于12h时，随着愈合时间的增加，渗水速率比ve增加；当愈合时间大于12h后，渗水速率比增长变得极为缓慢，说明裂缝自愈的主要时间在12h内。

(3)水的影响。

沥青路面出现裂缝后，外界水分会进入到裂缝内部，影响混合料的自愈性能。将试件进行人工造缝后，置于45℃中的水浴环境中进行自愈，测试浸泡试样与干燥试样在不同愈合时间下的渗水速率比，结果如图10所示。由结果可知，在愈合时间为12h时，掺量为6%的微胶囊混合料浸水试件与干燥试件渗水速率比分别为2.6与16.2，说明在水分的影响下，微胶囊混合料试件自愈性能降低了84.0%。

(1)随着微胶囊掺量的增加，DS减小，即高温稳定性减弱。掺量在0~4%时，微胶囊的加入对动稳定度的降低不明显；掺量在4%~6%时，动稳定度有较为明显的下降，说明高温稳定性有较大减弱的趋势；当掺量超过6%后，动稳定度迅速减小，高温稳定性急剧降低；当掺量为8%时，已不能满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中5.3.4节关于沥青混合料车辙动稳定度的技术要求。

(2)εB随着微胶囊掺量的增加而增加。随着掺量从0增加至8%，低温弯曲应变增加了27.8%。这是因为，掺入微胶囊后，沥青混合料的裂缝自愈能力得到增强，因此反映抗裂性能的低温弯曲破坏应变得到一定程度的改善。

(3)TSR随着微胶囊掺量的增加而降低。这是因为沥青混合料的水稳定性与集料/沥青界面的黏结性有关，微胶囊表面粗糙度与棱角性均低于普通矿物集料，导致黏附性降低，TSR随之降低。

(1)微胶囊在合适的掺量范围内能够促进裂缝自愈，当掺量超过这个范围，自愈性能反而下降。

(2)揭示了混合料最大公称粒径、空隙率、沥青种类和用量对自愈性能的影响规律，公称最大粒径越小自愈性能越好，空隙率越小自愈越明显，基质沥青优于改性沥青，油石比越大自愈性能越好。

(3)揭示了温度、时间与水分对自愈性能的影响规律，在一定范围内温度越高，自愈性能越好；自愈性能随愈合时间的延长呈非线性增长，在开始阶段自愈现象较明显，随后裂缝自愈减缓，12h后趋于稳定；水分对微胶囊沥青混合料裂缝自愈不利。

(4)随着微胶囊的增加，混合料中的矿料摩阻力与矿料/沥青黏附性降低，导致沥青混合料的高温稳定性与水稳定性有所降低；掺入微胶囊后，沥青混合料的裂缝自愈能力得到增强，因此反映抗裂性能的低温弯曲破坏应变得到一定程度的改善。

(5)综合混合料自愈性能与路用性能随微胶囊掺量的变化规律，推荐微胶囊掺量为4%~6%。