沥青混合料裂缝潜在自愈合机制研究.pdf

2013年6月
石油沥青 PETROLEUM ASPHALT
第27卷第3期
交流与探讨
沥青混合料裂鏠潜在自愈合机制研究
徐長,何兆,吴文军1,刘3
(1.重庆交通大学土本建筑学院,重庆40004;2.重庆市智翔铺道技术工程有限公司,重庆400060
3.枝花学院,四川617000)
摘要:针对道路工程中沥青混合料开裂这一常见病害,对沥青混合料裂缝自愈合的各种
可能性展开研究,介绍了沥青混凝土裂缝自愈合的五种潜在可利用机制,包括沥青自身的自
愈合机制、微胶杌制、离聚物机制、纳米粒子机制以及其它机制,并对上述各机制进行
较并讨论各机制的优点及不足之处。在综合比较下沥青材料自身的自愈合机制是最优的选
择
关键词:沥青混合料自愈合机制道路工程
改革开放以来,中国处于经济社会的快速发合料的自愈合特性。研究人员在对比室内连续加
展期,其中交通领域的发展成果也十分显著,20载实验和室外实际使用中沥青路面的疲劳寿命时
世纪90年代以来,我国高等级公路建设日新月发现,在一定的间歌期下,沥青路面的性能会有
异,截止2011年底,中国高速公路总里程已达所恢复,疲劳寿命有所延长,也就是说,沥青材
8.5x10km,居世界第二。其中大部分的高等料具有自愈合性能。目前研究人员提出了两种沥
级道路采用沥青路面的形式。沥青路面使用期间青混合料的愈合方式:沥青骨料界面间的粘结愈
在外界环境与行车荷载的反复作用下,致使路面合和沥青胶结料内的凝聚力愈合?。
结构强度逐渐下降。当荷载重复作用超过一定次
在不断的研究历程中,人们对沥青的自愈合
数以后,路面出现裂纹。交通建设成果斐然,却特性与间款时间、疲劳程度、外在温度以及加载
也使得沥青路面维修和养护的责任变得巨大。面方式等因素之间的关系-]以及室内试验数据
对日益加剧的沥青路面裂缝,除了及时进行处理和室外实际数据之间的转换系数10-?已经有了
之外,人们开始研究不易于开裂或有自愈合性能
定的认识。一个间歇周期内疲劳寿命的增量见
的新材料。
图1
自愈合的定义为:材料在使用期间对自身的
损伤作自我修复的行为。自愈合在自然界并不稀
期之斤的疲劳寿命
奇。动物受伤的躯体会停止流血,伤口也会逐渐
愈合,树木被砍断的枝干会自我修复,并长出新
寿命增量
芽。这些材料在遭受机械或热损伤之后有能力
对自身进行修复。自愈合可以自发进行2?,也
可以在外界的刺激下4(例如加热)多次发
重复荷载
生。如今,人们致力于模仿生物界的这一性能,
图1一个间歇周期内疲劳寿命的增量
制造拥有自愈合能力的新型材料,使其在重要的
收稿日期:2012-12-07。
工程建设中发挥作用。
作者简介:徐辰,男,汉族,重庆交通大学硕士研究生,
沥青混合料的自愈合行为自20世纪70年代
主要从事路面材料方面的研究,E-mail: xuchensysu@
就被发现,1976年 Bazin等?首次报道了沥青混
基金项目:重庆交通大学研究生创新基金项目(20120113
第3期
徐辰,等,沥青混合料裂缝潜在自愈合机制研究
1沥青混合料自愈合机制
沥青混合料自愈合性能主要基于沥青混合料
毛细管
自身的特性(主要是沥青材料的粘弹特性),并
且借鉴了应用于其它材料的自愈合方法,现介绍
些沥青混合料裂缝自愈合的潜在机制。
沥青本身自愈合机制
沥青材料是一种粘弹性材料,在高温重载作
用下呈现出一定的流态,这使得沥青能够不依靠
图3毛细管流动实验
外界干预而自我愈合。奥地利的一座沥青混凝土
心墙大坝就是一个很好的例子,其大坝地基沉降1.2做胶囊義机制
高达2.5m,裂缝和渗漏却没有因此而增加。
White和他的同事们在2001年提出了微
由此可见沥青材料本身具有自愈合能力。
胶囊自愈合的概念。通过微胶囊内的愈合药剂和
Phillips2在1998年提出了沥青裂缝自愈合环氧树脂环境下的化学药品发生触变反应来完成
的三个步骤:(1)在表面能的作用下,裂缝上自愈合。整个微胶囊愈合的全过程如图4所示,
下表面接触并润湿,(2)沥青裂缝的闭合导致分成三个步骤:(1)裂缝在试件受损处形成,
的应力加强和沥青流动,(3)由于沥青结构的(2)微胶囊破损,并在毛细管作用下释放出愈
扩散导致的沥青力学性能的完全恢复。其中,步合药剂,(3)愈合药剂与外界的药剂发生化学
骤1被认为是最快完成的,这个阶段只能恢复沥反应,生成聚合物填充裂缝内部。
青的刚度,步骤2和步骤3需要花费一定的时
e催化剂
微胶囊
间,但是可以恢复刚度和强度。沥青裂缝形成与
裂缝
自愈合示意图见图2。
愈合剂
聚合愈合物
A裂缝形成B裂缝表面润湿闭合C沥青结构扩散
图2沥青裂缝形成与自愈合示意图
图4微胶囊愈合过程
同济大学的孙大权等提出,沥青混凝土
White使用的微胶囊的平均直径为220um,
裂缝的自愈合实质上是裂缝上下表面沥青分子为
用一种尿素甲醛的外壳来保护胶囊避免意外开
降低表面能而自发进行的界面浸润与吸附和分子裂,图5为用扫描电镜显镜拍摄的破坏的微胶
扩散,其原动力来源于裂缝界面分子范德华力和。
氢键形成的化学吸附。荷兰代尔夫特理工大学的
alvaro Garcfa提出了毛细管流动假设,并且通
过理论和实验验证了该假设。他认为在沥青内部
产生细小裂缝时,如果温度合适,沥青会由于毛
细管作用从裂缝底部向上移动,直至充满整个裂
缝。毛细管流动实验见图3。
沥青混合料内在自愈合性能能够自发进行,
研发高自愈合性能沥青混合料非常有实用价值。
图5扫描电镜下破坏的微胶囊