摘要：對瀝青自愈合對疲勞壽命的影響進行了分析，并對國內(nèi)外瀝青自愈合性能研究進展進行了綜述。

　　關(guān)鍵詞：道路工程,瀝青,自愈合,疲勞壽命

　　1.瀝青自愈合性能

　　1874年，紐約哥倫比亞地區(qū)修建了世界上第一條熱拌瀝青混合料路面[1]，經(jīng)過100多年的發(fā)展，瀝青路面已經(jīng)成為公路路面的主要形式。但是在瀝青路面的使用過程中，不可避免的出現(xiàn)了疲勞開裂等病害現(xiàn)象。輕者路面結(jié)構(gòu)的使用壽命會減少，重者整個結(jié)構(gòu)的安全都會被危及，造成了嚴重的經(jīng)濟損失。因此如何及時有效的修復(fù)出現(xiàn)的裂紋和損傷成為一個亟需研究的問題。瀝青的疲勞損傷首先以微開裂的形式存在，由于現(xiàn)有檢測技術(shù)的局限性，這些微觀損傷很難被探測到，以至于對微裂縫的及時修復(fù)變得非常困難。但是，如果這些微觀損傷得不到及時修復(fù)，就有可能進一步發(fā)展成為宏觀裂縫，影響瀝青混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用性能和使用壽命[2-3]。

　　根據(jù)傳統(tǒng)的損傷理論，瀝青發(fā)生疲勞損傷后性能是不可恢復(fù)的。但隨著研究的不斷深入，研究者們發(fā)現(xiàn)，在荷載的間歇期間，瀝青的模量和強度等性能是可以慢慢恢復(fù)的，這就是瀝青的自愈性，而且自愈性與瀝青品種、溫度、間歇時間、荷載水平存在關(guān)系。

　　作為一種粘彈性材料，瀝青還具有觸變性，即在荷載的作用下，瀝青的粘度降低，荷載間歇時間，粘度又會逐漸恢復(fù)。研究表明，荷載作用初期，瀝青模量的降低是由觸變性引起的，而該階段瀝青的自愈性也是由觸變性引起的。

　　當(dāng)荷載作用超過觸變性的影響范圍后，瀝青的內(nèi)部結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，甚至出現(xiàn)銀紋，瀝青試樣出現(xiàn)銀紋以后，雖然間歇時間足夠長瀝青的復(fù)數(shù)模量仍然可以完全恢復(fù)，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了變化，研究認為，瀝青裂縫的自愈合過程分三步：(1)由應(yīng)力和瀝青的流動性能引起微裂縫的關(guān)閉(2)由表面能驅(qū)使兩個裂縫表面的黏合過程引起微裂縫的關(guān)閉(3)由瀝青基團結(jié)構(gòu)的擴散引發(fā)的力學(xué)性能的恢復(fù)。第一步被認為是速度最快的，但僅僅導(dǎo)致模量的恢復(fù);第二步和第三步被認為相對慢得多，但能夠同時使得材料的模量和強度得到恢復(fù)使得愈合后的材料使用性能與原始狀態(tài)相差無幾。瀝青的自愈合能力與瀝青本身的流變性能關(guān)系密切，包括流動性，彈性恢復(fù)(抵抗恒定應(yīng)力的能力)，潤濕及自擴散[4-5]。

　　2.國內(nèi)外研究進展綜述

　　傳統(tǒng)的高分子材料損傷理論是在應(yīng)力作用下，高分子材料出現(xiàn)微變形，由此引發(fā)微裂縫和微空洞，這些微裂縫和微空洞繼續(xù)發(fā)展成為明顯的病害，這種損傷理論成功的解釋了高分子材料性能的退化原因[6-10]。但以往的研究成果多數(shù)基于高分子材料的損傷是不可逆的這一事實。但是在加載的間隙，由于高分子材料的流變性能，微裂縫和微空洞能在一定程度上閉合，同時引起材料性能和硬度的一定恢復(fù)，這個過程有短時間的流變過程和長時間的擴散過程[11]，這與傳統(tǒng)的連續(xù)損傷描述不同。事實上只要有足夠的間歇時間，材料的性能能恢復(fù)到與損傷前完全一樣的性能[12-14]。

　　瀝青混凝土的自愈合性能40年之前就已經(jīng)被認識到[15]，研究者指出當(dāng)荷載間歇期增長時，瀝青混凝土的疲勞壽命會隨之延長。其它研究者通過采用直接拉伸疲勞模式進行類似的測試，證明了這個基本的觀測結(jié)果。一些研究者試圖通過相對簡單的表征方法來證實影響愈合潛力的材料特征。例如，Kim[16]在設(shè)定間歇期為5-40分鐘的前提下，對瀝青砂混合料進行了彎曲疲勞實驗。然后對間歇期前后的偽應(yīng)變能密度進行了對比分析。這篇文章之所以引入偽應(yīng)變這個概念，是為了將其作為分離與粘彈性過程相關(guān)的恢復(fù)和與實際微觀結(jié)構(gòu)愈合機理相關(guān)的恢復(fù)的一種方法。利用由這些能量密度值定義的指數(shù)和對瀝青進行化學(xué)分析，研究瀝青自愈性能和化學(xué)成分之間的關(guān)系，得出了兩個與瀝青自愈合性能有關(guān)的參數(shù)指標(biāo)：亞甲基甲基的碳氫比MMHC，和亞甲基甲基的數(shù)目比CH2/CH3。在一定的分支率的條件下，MMHC代表了瀝青分子鏈的分支數(shù)目，CH2/CH3代表了鏈的長度，這兩個參數(shù)與瀝青的自愈合具有良好的相關(guān)性[17]。研究表明，分子鏈更長，分支更少的分子結(jié)構(gòu)自愈合性能更優(yōu)[18]。Bhasin驗證了KIM的觀點，但是發(fā)現(xiàn)，這個現(xiàn)象有另一種解釋，瀝青分子的自擴散性，影響著瀝青的本身自愈合性能[19]。

　　Little在傳統(tǒng)的彎曲梁實驗的加載間歇期中，引入了一個長達24小時的愈合時間，最終發(fā)現(xiàn)瀝青的疲勞壽命提高了一倍多，而這取決于所用的瀝青類型。Kim[20]對瀝青膠漿施加扭轉(zhuǎn)加載得到相似結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)在嚴重損傷發(fā)生以前就引入愈合時間，瀝青材料本身的自愈合能力產(chǎn)生的影響將會變得最大。他對砂型瀝青樣品進行了扭轉(zhuǎn)疲勞測試(有間歇期)，然后采用偽分析評價了愈合時間的影響。Breysse[21]將損傷速率，一種雙曲線動力學(xué)指數(shù)作為評價加載時間對愈合潛力的指標(biāo)。Carpenter和Shen[22] 利用疲勞時的耗散能速率(RDEC)和所謂的平穩(wěn)值(PV)來量化評價間歇期對疲勞壽命的影響。Pronk[23-24]也基于能量觀點建立了一個適用于瀝青混合料的部分愈合模型。

　　以上研究還主要集中于瀝青混合料的愈合上，但在一些文獻資料記載中能夠?qū)�瀝青/瀝青膠漿從愈合過程中分離出來進行研究。Planche[25]利用DSR直接評價瀝青膠漿的疲勞和愈合性能，將瀝青樣品均先置于不間斷的荷載環(huán)境下，然后設(shè)置40分鐘或者6個小時的間歇期，對材料響應(yīng)進行第二次測量。研究結(jié)果表明，間歇期對材料響應(yīng)有重大影響，特別是如果在疲勞破壞之前引入間歇期的話，效果更加明顯。Bahia[26]設(shè)定間歇期為12小時，進行了應(yīng)變掃描測試，發(fā)現(xiàn)間歇期前后的行為差不多。這個結(jié)果表明隨著時間的推移，大部分由荷載引起的模量損失會慢慢恢復(fù)。Shen[27]借鑒了混合料評價中運用的PV法對瀝青膠漿的疲勞和愈合性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)與混合料測試中觀察到的變化趨勢大體相同。Lytton認為瀝青的自愈合過程從最先接觸點開始，向整個裂縫面擴展，并且瀝青的自愈合時間可以用阿倫尼烏斯方程來預(yù)測，激活能和毛細流動速度是影響瀝青自愈合的兩個重要因素。瀝青自愈合的激活能比瀝青流動的低，與瀝青毛細流動類似，也就是說瀝青自愈需要的激活能與瀝青毛細流動類似。但是由于瀝青與玻璃的接觸角與瀝青與砂子的接觸角不同，因此用毛細玻璃管做出的試驗數(shù)據(jù)不能直接用來評價瀝青的毛細流動速度。Chaminda采用直接拉伸試驗驗證了瀝青的自愈合時間與所承受應(yīng)變的關(guān)系，并得出結(jié)論，在無裂縫出現(xiàn)或者有微細裂縫出現(xiàn)時，SBS改性瀝青的自愈合性能要優(yōu)于普通瀝青，因為此時SBS的彈性性能能提高瀝青的自愈合性能，當(dāng)裂縫較寬時，普通瀝青的自愈合性能要優(yōu)于改性瀝青，因為此時瀝青的流動性起主要作用，普通瀝青的流動性要優(yōu)于改性瀝青。同時研究證明改性瀝青的改性劑在瀝青中生成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來使瀝青的性能提高，但同時這個三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會阻礙瀝青的自愈性能[28]。姜睆的研究認為，就總體而言，SBS改性瀝青的自愈合能力較基質(zhì)瀝青要好，而老化瀝青膠漿的愈合性能則較瀝青膠漿要差得多[29]。

　　以上提到的前人的研究成果評價了影響愈合程度的不同的要素以及依據(jù)愈合能力的不同，對不同的瀝青做了等級劃分。然而，對于理解瀝青的疲勞和愈合性能相當(dāng)關(guān)鍵的愈合機理尚不明確。受微觀力學(xué)模型啟發(fā)，研究者測試了瀝青的表面能，發(fā)現(xiàn)這些性能與不同材料的愈合/疲勞傾向之間存在良好的相關(guān)性。Bommavaram[30]在先前的工作中，提出了一個瀝青材料適用的愈合模型。這個模型包括了發(fā)生在裂縫表面的潤濕和內(nèi)部愈合過程。發(fā)生于裂縫表面的內(nèi)部愈合或強度恢復(fù)過程可以分為兩步理解:一是由發(fā)生在裂縫表面之間的表面粘合力導(dǎo)致的瞬間強度愈合;二是由發(fā)生在裂縫表面的內(nèi)部高分子擴散和重組所導(dǎo)致的與時間息息相關(guān)的強度恢復(fù)。Bhasin基于潤濕卷積過程和內(nèi)在愈合過程建立了一個描述瀝青愈合性能的模型[31]。Phillips認為瀝青的自愈合分三步進行，第一步，在外界壓力和流動性的作用下，裂縫閉合，第二步，裂縫的兩個開裂表面表面能的作用下粘附在一起，第三步，在瀝青質(zhì)結(jié)構(gòu)的擴散作用下，瀝青的性能完全恢復(fù)[32]。當(dāng)裂縫的兩個面貼合在一起之后，兩個斷裂面的分子會相互擴散，一直到裂縫完全消失。顯然，自愈合過程依賴于能讓兩個斷裂面流動到一起的表面能和斷裂面上分子擴散的活性。瀝青深處的微裂縫愈合更快，存在一個最低的瀝青可愈合溫度。

　　綜上所述，研究者普遍認為瀝青的自愈性能對疲勞壽命會造成準(zhǔn)確影響，準(zhǔn)確的瀝青自愈模型是瀝青疲勞壽命預(yù)測的基礎(chǔ)，而要建立準(zhǔn)確的瀝青自愈模型，需對瀝青的自愈機理進行研究，目前國內(nèi)關(guān)于瀝青自愈性的研究較好，進單麗巖、姜睆等研究者對瀝青的自愈性進行了評價性研究，尚無深入研究見諸報道。

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