（材料学专业论文）沥青胶浆自愈合能力研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：姿，毗期：迹z 沙 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：基邀搪师签名：量笾舀期：丝够沙 武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 随着重型机车数量的持续增长，交通荷载量激增，路面压力越来越大。考 虑到路面交通的巨大流动性和沥青路面使用寿命的有限性，设计一种可持续沥 青路面迫在眉睫，意义重大。间歇期和夏天的高温条件有利于沥青路面自愈合， 便于可持续沥青路面的相关设计和实际施工工作的开展，这是因为沥青材料本 身具有一定自愈合能力，进而可以延长路面使用寿命。为了实现这一目标，深 入研究沥青材料自愈合能力内在机理和采取各种措施来提高它们的自愈合能力 显得尤为重要。 本研究利用动态剪切流变仪( d s r ) ，选取s k 7 0 基质沥青胶浆，s k 7 0 s b s 改性沥青胶浆以及s k 7 0 基质沥青老化胶浆作为研究对象，对它们的自愈合能 力进行了评价和分析。 本文首先对上述三种胶浆进行了应力扫描、频率扫描和温度扫描测试，对 比分析了基质沥青胶浆经过高分子改性处理以及老化处理之后，其基本的动态 流变性能的变化情况。s b s 改性和老化处理均使模量增大，相位角减少。通过 实验数据以及相关图可知，三者的复合剪切模量数值随着温度的升高均呈下降 趋势，与此同时，相位角却随着温度的升高逐步变大。复合剪切模量( i g 1 ) 随 荷载作用频率的增大而增大，且i g l 的对数值与荷载作用频率的对数值呈良好的 线性关系。 其次，通过对沥青胶浆进行选定温度和应力水平下的疲劳测试，以及结合 国内外的相关研究资料，确定了沥青胶浆合理的疲劳点定义，将沥青胶浆的破 坏定义为在复合剪切模量( 相位角) - 力口载循环次数曲线中沥青胶浆各种宏观力 学性能发生剧烈变化的过渡点，为后期疲劳愈合再疲劳测试奠定了坚实基础。 第三，通过选取沥青胶浆复合剪切模量衰减和恢复程度作为参照评价指标， 在疲劳测试的基础上，对沥青胶浆进行了疲劳愈合再疲劳测试，研究了沥青胶 浆的自愈合性能。结果表明，在重复荷载外力作用下，沥青胶浆的抗疲劳性能 降低，愈合指数h i 变小，自愈合能力变弱。在本研究所采用的应力控制模式下， 加载应力越大，设定的试验温度越低，沥青胶浆抗疲劳性能和愈合能力均变差。 总体而言，s b s 改性沥青胶浆自愈合能力较基质沥青胶浆要好，而老化沥青胶 浆愈合性能则较基质沥青胶浆要差得多。 最后，从能量角度对沥青胶浆自愈合能力内在机理进行了分析，将先前用 武汉理工大学硕士学位论文 于沥青和h m a 混合料的耗散能相关理论运用于沥青胶浆，为后续研究的开展提 供了一个新的切入点。 关键词：沥青胶浆，疲劳愈合疲劳测试，自愈合能力，耗散能 n 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ec o n t i n u o u s l yg r o w i n go ft r a f f i cv o l u m ea n dt h en u m b e ro fh e a v yv e h i c l e s ， t h ep r e s s u r eo fp a v e m e n ti sb e c o m i n gh e a v i e ra n dh e a v i e r i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t od e s i g nak i n do fs u s t a i n a b l ea s p h a l tp a v e m e n tf o rc o n s i d e r i n gt h eh u g el i q u i d i t y a n dt h el i m i t a t i o no fa s p h a l tp a v e m e n ts e r v i c el i f ef o rr o a dt r a n s p o r t a t i o n u n d e rt h e h e l po fr e s tp e r i o d sa n dh o ts u m m e r s ，i ti sv e r yu s e f u lt od e s i g nad u r a b l ea s p h a l t p a v e m e n tw i t l ls e l fr e p a i r i n gc a p a c i t yb e c a u s ea s p h a l tm a t e r i a l st h e m s e l v e sh a v e s e l f - h e a l i n ga b i l i t yt os o m ee x t e n da n dc a np r o l o n gt h ep a v e m e n ts e r v i c el i f e i no r d e r t oa c h i e v et h i sg o a l ，i ti si m p o r t a n tt oh a v ea ni n t e n s i v er e s e a r c ho nt h es e l f - h e a l i n g c a p a c i t yo fb i t u m i n o u sm a t e r i a l sa n dt a k ea l lk i n d so fm e a s u r e st oi m p r o v e i t t h es t u d yc h o s es t a n d a r d ，u n m o d i f i e db i t u m i n o u sm a s t i c ss k - 7 0 ，s b sp o l y m e r m o d i f i e db i t u m i n o u sm a s t i c ss k - 7 0 ，a n da g i n gb i t u m i n o u sm a s t i c ss k 一7 0a st h e o b j e c t so fs t u d y , a n dt h e i rs e l f - h e a l i n gc a p a c i t i e sw e r ee v a l u a t e da n da n a l y z e d f i r s t l y , i nt h i sp a p e r , t h es t r e s ss c a n n i n g , f r e q u e n c ys c a n n i n ga n dt e m p e r a t u r e s c a n n i n gt e s t sw e r et a k e no nt h et h r e em a s t i c s t h eb a s i cd y n a m i cr h e o l o g i c a lc h a n g e o ft h e m w e r ea n a l y z e da f t e rp o l y m e rm o d i f i c a t i o na n da g i n g p o l y m e rs b s m o d i f i c a t i o na n da g i n gm a k et h e 卜j l b e c o m eb i g g e ra n dp h a s ea n g l eb e c o m el e s s t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dr e l a t e dd i a g r a m , r e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m p l e x s h e a rm o d u l u sv a l u eo ft h e md e c l i n e 晰t ht h er i s eo ft e m p e r a t u r e ，m e a n w h i l e ，t h e p h a s ea n g l ei n c r e a s e sg r a d u a l l y t h ec o m p l e xs h e a rm o d u l u si n c r e a s ew i t ht h er i s eo f l o a d i n gf r e q u e n c y , a n dl o gk o wo fl g l h a sag o o dl i n er e l a t i o n s h i p 谢吐lt 1 1 a to f l o a d i n gf r e q u e n c y s e c o n d l y , b yt e s t i n gt h ef a t i g u ep r o p e r t i e so ft h e mu n d e rs e l e c t e dt e m p e r a t u r e a n ds t r e s sl e v e l ，c o m b i n i n gt h er e l a t e dd o m e s t i ca n df o r e i g nm a t e r i a l s ，ar e a s o n a b l e f a t i g u ep o i n t w a sd e t e r m i n e da n das o l i df o u n d a t i o nw a sb u i l tf o rl a t e f a t i g u e - h e a l i n g - f a t i g u et e s t s i tw a sd e f i n e da s t h et r a n s i t i o np o 缸o fv a r i o u s m a c r o - a s p h a l tm o r t a rd r a m a t i cc h a n g e si nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e si nt h ec o m p l e xs h e a r m o d u l u s ( p h a s ea n g l e ) - l o a dc y c l e sc u r v e s t h i r d l y , t h r o u g hc h o o s i n ga t t e n u a t i o na n dr e s t o r ed e g r e eo f t h ec o m p o s i t es h e a r m o d u l u sf o ra s p h a l tm a s t i c s 弱e v a l u a t i o ni n d e x ，t h ef a t i g u e - h e a l i n g f a t i g u et e s t s i i i 武汉理工大学硕士学位论文 w e r ep e r f o r m e do nt h e mb a s i n go nt h ef a t i g u et e s t 们1 es e l f - h e a l i n gc a p a c i t i e so f t h e mw e r es t u d i e da tt h es a m et i m e 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a ti nt h er e p e a t e dl o a d i n g f o r c e s ，t h ea n t i f a t i g u ep e r f o r m a n c eo f b i t u m i n o u sm a s t i c sd e c r e a s e ss i n c et h eh e a l i n g a b i l i t yb e c o m ew e a ka n dt h eh e a l i n gi n d e xh ib e c o m e sl e s s i nt h es t r e s sc o n t r o l m o d eo ft h i sr e s g a r c h ，t h eg r e a t e rt h el o a d i n gf o r c ei s ，t h eh i g h e rt h es e t t l e d t e m p e r a t u r ei s ，t h ew e a k e rt h ea n t i f a t i g u ea n dh e a l i n ga b i l i t yb e c o m e o v e r a l l ，t h e s e l f - h e a l i n ga b i l i t yo fs b sm o d i f i e db i t u m i n o u sm a s t i c si s b e t t e rt h a nt h a to f u n m o d i f i e db i t u m i n o u sm a s t i c s ，a n dt h eh e a l i n ga b i l i t yo fa g i n gb i t u m i n o u sm a s t i c s i sm u c hw e a k e rt h a nt h a to fu n m o d i f i e db i t u m i n o u sm a s t i c s f i n a l l y , t h ei n t e r n a lm e c h a n i s mo fs e l f - h e a l i n gc a p a c i t yf o ra s p h a l tm a s t i c sw e r e a n a l y z e df r o mt h ea n g l eo fe n e r g y , a n dt h ed i s s i p a t i o nt h e o r yw a su s e di nt h e b i t u m i n o u sm a s t i c sw h i c hw a su s e df o ra s p h a l ta n dh m am i x t u r ep r e v i o u s l ys ot h a ta n e wb r e a k t h r o u g hp o i n tf o rt h ed e v e l o p m e n to ff o l l o w - u ps t u d yc a nb ep r o v i d e d k e y w o r d s ：a s p h a l tm a s t i c s ，f a t i g u e - h e a l i n g - f a t i g u et e s t , s e l f - h e a l i n gc a p a c i t y , d i s s i p a t e de n e r g y 武汉理工大学硕士学位论文 目录 中文摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第一章引言1 1 1 课题研究目的及意义1 1 1 1 课题研究目的1 1 1 2 课题研究意义2 1 2 研究现状4 1 3 研究内容以及采用的技术路线7 1 3 1 研究内容7 1 3 2 采用的技术路线8 第二章原材料与试验方法9 2 1原材料。9 2 1 1 沥青9 2 1 2 矿粉10 2 2 试验方法1o 2 2 1 试验原理1 0 2 2 2 实验仪器1 4 2 2 3 样品制备。1 6 第三章沥青胶浆动态流变性能1 9 3 1基本理论1 9 3 2 温度扫描2 4 3 3 频率扫描2 6 3 4 本章小结3 6 第四章疲劳测试以及疲劳愈合测试3 7 4 1 疲劳测试3 7 4 1 1 研究沥青胶浆疲劳性能的意义。3 7 4 1 2 国内外对沥青胶浆疲劳性能的研究现状。4 0 4 1 3 疲劳的定义4 4 4 2 疲劳愈合再疲劳测试4 8 4 3 本章小结。5 4 第五章从能量角度分析和评价自愈合5 5 5 1 能量观点的由来和相关概念5 5 5 1 1 研究方法的引入5 5 5 1 2 耗散能理论5 6 5 2 应用能量法评价沥青胶浆自愈合能力5 9 v 武汉理工大学硕士学位论文 5 3 本章小结6 0 第六章结论与展望6 1 6 1 主要结论6 1 6 2 展望。6 1 参考文献6 3 致谢6 9 附录7 0 v 1 武汉理工大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 课题研究目的及意义 1 1 1 课题研究目的 近年来，我国的交通事业得到迅猛发展，高等级公路建设呈现强劲的发展 势头：自从1 9 8 8 年第一条京津唐高速公路开始修建以来，二十多年时间，众多 高速公路相继建成通车，总长度达到7 4 万多公里。2 0 0 4 年1 2 月1 7 日，国务 院审议通过了国家高速公路网规划，确立了国家高速公路网的布局形态，最 终形成许多公路交通大通道。其中布局形态是放射线与纵横网格相互结合，公 路交通大通道的构成形式是成由中心城市向外放射，并且该通道将横连东西、 纵贯南北：首都放射线有7 条、南北纵向线有9 条、东西横向线有1 8 条，可以 简称为“7 9 1 8 网”，总规模预计将达到8 5 万公里【l 】。到2 0 2 0 年，我国的高速公 路网将要达到8 2 万公里，1 0 多亿人口将因此受益，这一建设规模接近高速公 路建设世界第一的美国( 8 8 万公里) 2 1 。 由于沥青混凝土路面优点很多，例如表面的平整性较好、对车辆和飞机的 震动影响很小、行车和飞机滑行过程平稳舒适、无扬尘，无接缝等，而且施工 的机械化程度很高、路面质量好、施工进度快、维护简单，因此，沥青混凝土 得到越来越广泛的应用。沥青路面在国内外高速公路建设所使用的主要路面类 型中占据主导地位。目前，在我国高速公路中，沥青路面使用比例高达9 0 以 上。随着高速公路建设事业的蓬勃发展，与此对应的道路建筑材料的需求量增 大，因而对材料性能提出了更高的要求。沥青路面必须具有一定的平整度、刚 度和强度，同时要求其高温稳定性和低温抗裂性也较好，另外表面层还必须具 备良好的耐磨性能、抗滑性能以及抵抗破坏的能力【】。 虽然近十几年来，中国的公路建设取得了飞速发展，但是从国民经济发展 的需要的角度来看，公路里程和质量依然与发达国家还有很大的差距，仍旧是 制约其发展的重大瓶颈之一。当前气候环境越发恶劣，温室气体的排放量仍未 得到有效控制；另外，现代交通的特点是交通量大，重载超载严重；再加之国 内公路建设规模大，施工工艺和管理问题突出，所以路面材料的性能需要得到 提高。从目前情况来看，我国沥青路面在使用设计年限内早期病害严重，需要 频繁养护维修，因此如何有效改性增强来提高沥青路面的使用品质以延长道路 武汉理工大学硕士学位论文 的使用寿命，减少相关的养护维修费用显得尤为迫切1 5 刁】。 在长期的使用过程中，现实在役的沥青混凝土结构在周围复杂环境的影响 下，无可避免地产生微小开裂和局部损伤。轻者路面结构的使用寿命会减少， 重者整个结构的安全都会被危及。因此，相关工作者关心的主要问题就是如何 及时有效的修复出现的裂纹和损伤。许多微小裂纹比如基体的微开裂等，在实 际使用的路面工程结构中屡见不鲜。然而，由于现有探测技术的局限性，这些 微观范围的损伤极有可能被忽视和探测不到，以至于对裂纹和损伤进行修复的 想法的实现变得非常困难，甚至不可能。但是，如果这些裂纹或损伤不能得到 及时有效的修复和处理，不仅会影响沥青混凝土结构的正常使用性能和使用寿 命，而且还有可能引发宏观裂缝并导致结构性的脆性断裂，最终产生严重的灾 难性事故。为此，我们迫切需要采用某种方式或技术，能主动、自动地对沥青 路面出现裂纹和损伤的部位进行修复，从而恢复甚至提高沥青混凝土材料的强 度以达到延长沥青路面使用寿命的目的【溯。 1 1 2 课题研究意义 改革开放以来，我国的高速公路事业飞速发展，截止2 0 1 0 年年底，我国已 经建成7 4 万公里的高速公路里程，高居世界第二位，而且高速公路的建设还在 以每年新增7 0 0 0 公里的速度继续发展。近年来，我国高等级公路沥青路面的破 坏问题日益显现，特别是其中的疲劳开裂已经成为沥青路面产生破坏的主要形 式之一【1 0 1 。 目前，沥青路面工程中最常见的两种病害就是疲劳破坏和永久变形，近几十 年来得到了国内外的广泛关注和重视。它包括交通荷载作用下的疲劳和温度周 期性作用下的疲劳，以及在温度变化和反复交通荷载作用时引起的路面的变形， 影响疲劳和变形的因素非常复杂，因此如何设计出一种可持续路面体系，使得路 面材料与结构具有自愈合能力对延长沥青路面服役寿命大有裨益【l 。 自愈合材料是一种能自己部分修复服役期间产生的损伤的能力的一种材 料。通常材料性能会随时间推移慢慢衰退：微观尺寸的损伤产生( 象微裂缝) ； 裂缝增长；最后导致材料的破坏。从生物学的角度来理解自愈合机理就是材料 本身能不断地及时感知到损伤，然后修复。 与其它材料类似，当沥青混合料产生疲劳时，其硬度和强度会衰减。很多 研究者已经观察到，在循环荷载过程当中，沥青混合料会经历微裂纹产生，增 长，最后形成宏观裂缝这三个阶段。二十世纪七十年代时，沥青混合料的愈合 2 武汉理工大学硕士学位论文 行为已经被观测到了：在一次疲劳测试中，间歇期发生的模量恢复被监测到了。 对于沥青和沥青混合料来说，愈合就是材料性能的恢复以及裂缝的闭合。关于 愈合行为的内在原因，目前存在两种说法：物理化学说和力学性能说。前一种 是指伴随化学结构的修复，微观的疲劳损伤也减速了。它与沥青以及沥青混合 料的化学成分和物理化学特性有关。后一种说法就是，愈合行为能被定义为材 料在间歇期自身力学性能的部分恢复( 例如强度和模量) 。沥青基体在间歇期内 能恢复部分强度【1 2 。1 3 】。 通过定义，我们得知自愈合能力大小可以通过计算模量和强度的恢复程度 得以体现( 或者是导致最终疲劳的循环次数的增加以及疲劳寿命的延长) 很多 研究者已经观察到了模量恢复和强度恢复所需要的时间不同。 其实，研究人员很早就发现沥青材料具有自愈合能力。很多研究表明，在 间歇期以及环境温度很高时，沥青材料能实现自我修复，自动延长路面的使用 寿命。在众多试图解释自愈合行为的模型当中，有两个模型需要指出： k i m 于1 9 8 3 年利用他自己的扩散模型解释了高分子愈合过程的5 步：( 1 ) 表面重组( 2 ) 表面接触( 3 ) 润湿( 4 ) 扩散( 5 ) 随机化。通过其扩散模型， 他指出高分子愈合过程中扩散是一个很重要的阶段。 p h i l l i p s 于1 9 9 8 年运用k i m 的扩散模型来解释沥青愈合行为。他认为沥青 的自愈合过程分三步：( 1 ) 由应力和沥青的流动性能引起的微裂缝的关闭( 2 ) 由表面能驱使的两个裂缝表面的黏合过程所引起的微裂缝关闭( 3 ) 由沥青基团 结构的扩散引发的力学性能的完全恢复。第一步被认为是速度最快的，但仅仅 导致模量的恢复；第二步和第三步被认为相对慢得多，但能够同时使得材料的 模量和强度得到恢复使得愈合后的材料使用性能与原始状态相差无几。沥青的 自愈合能力与沥青本身的流变性能关系密切，包括流动性，弹性恢复( 抵抗恒 定应力的能力) ，润湿以及自扩散【悼1 5 】。 受p h i l l i p s 的启发，邱健2 0 1 0 年的初步研究结果也显示沥青的自愈合过程 可划分为三步： 第一步：沥青流动和弹性恢复能力表现在不同的功能上，但是都表明裂缝 关闭。但是，两个过程都很慢。高温时，流动主导大裂缝；低温时，弹性恢复 主导小损伤。第二步：润湿也对裂缝关闭很有利。l y t t o n 和s c h a p e r y 于1 9 8 9 年 基于表面能的测量提出了可计算的愈合指数。第三步：内部扩散相当重要，直 接导致最后的强度恢复和完全愈合。 研究人员对沥青材料自愈合行为的研究始于二十世纪6 0 年代。目前来看， 武汉理工大学硕士学位论文 研究一般还是集中于间歇期对沥青材料服役寿命延长的影响，关于沥青材料自 愈合行为内在机理的研究甚少。这是由于裂缝的成因和形式以及沥青的自愈合 机理都比较复杂【l 7 1 。 本研究目的是试图通过测试沥青胶浆的疲劳和疲劳愈合疲劳性能，期望从 流变学和能量角度得出沥青材料自愈合行为的合理解释，量化评价自愈合能力 以及进一步指导可持续沥青路面的材料优选和优化设计。 1 2 研究现状 自愈合材料是一种自身具有修复部分损伤能力的材料。目前已经达成这样 一个共识：损伤的愈合对于沥青路面的使用性能来说有实质性的影响。以下三 方面的研究很重要：一是了解沥青自愈合现象的相关机理；二是基于这些机理 找出合适模型来表征愈合能力；三是找出与模型匹配使用的测试方法【l 引。 近年来进行沥青和沥青混合料自愈合实验室研究的研究者不少，主要有 l i t t l e ，k i m ，c a r p e n t e r 和s h e n ，k i m 和r o q u e ，p r o n k 和m a i l l a r d 等人。目前，沥青 和沥青混合料具有一定的自愈合能力已被研究者普遍接受。第一个文献记载的 提供沥青混凝土具有愈合能力的实验证据出自d e a c o n 1 9 】之手。文章说明了当荷 载间歇期增长时，沥青混凝土的疲劳寿命会随之延长。其它研究者通过采用直 接拉伸疲劳模式进行类似的测试，证明了这个基本的观测结果。一些研究者试 图通过相对简单的表征方法来证实影响愈合潜力的材料特征。例如，k i m 2 0 在设 定间歇期为5 0 分钟的前提下，对沥青砂混合料进行了弯曲疲劳实验。然后 对间歇期前后的伪应变能密度进行了对比分析。这篇文章之所以引入伪应变这 个概念，是为了将其作为分离与粘弹性过程相关的恢复和与实际微观结构愈合 机理相关的恢复的一种方法。利用由这些能量密度值定义的指数和对沥青的化 学分析，k i m 展示了沥青混合料的愈合潜力和沥青化学成分之间的关系。l i t t l e 2 l 】 在传统的弯曲梁实验的加载间歇期中，引入了一个长达2 4 小时的愈合时间，最 终发现沥青的疲劳寿命提高了一倍多，而这取决于所用的沥青类型。换种说法 就是他设置间歇期为2 4 小时，进行了弯曲梁疲劳试验，注意到一些材料的疲劳 寿命的增长超过了1 0 0 。k i m 2 2 对沥青胶浆施加扭转加载得到相似结果，发现 当在严重损伤发生以前就引入愈合时间，沥青材料本身的自愈合能力产生的影 响将会变得最大。他对砂型沥青样品进行了扭转疲劳测试( 有间歇期) ，然后采 用与其他人类似的伪分析评价了愈合时间的影响。b r e y s s e 2 3 】将损伤速率一一种 4 武汉理工大学硕士学位论文 双曲线动力学指数作为评价加载时间对愈合潜力的指标。c a r p e n t e r 和s h e n 2 4 1 利 用疲劳时的耗散能速率( r d e c ) 和所谓的平稳值( p v ) 来量化评价间歇期对疲劳 寿命的影响。p r o n k t 2 s - 2 6 1 也基于能量观点建立了一个适用于沥青混合料的部分愈 合模型。 以上研究清楚地提供了沥青材料白愈合现象存在的证据，并且发现其对沥 青混合料疲劳开裂寿命的重要影响。然而这些研究还主要集中于沥青混合料的 愈合上，但在一些文献资料记载中能够将沥青沥青胶浆从愈合过程中分离出来 进行研究。p l a n c h e z 7 j 利用d s r 直接评价沥青胶浆的疲劳和愈合性能。这些研究 者将沥青样品均先置于不问断的荷载环境下，然后设置4 0 分钟或者6 个小时的 间歇期，对材料响应进行第二次测量。研究结果表明，间歇期对材料响应有重 大影响，特别是如果在疲劳破坏之前引入间歇期的话，效果更加明显。b a h i a t 2 8 】 设定间歇期为1 2 小时，进行了应变扫描测试，发现间歇期前后的行为差不多。 这个结果表明随着时间的推移，大部分由荷载引起的模量损失会慢慢恢复。最 后，s h e n 2 9 j 借鉴了混合料评价中运用的p v 法对沥青胶浆的疲劳和愈合性能进行 了研究，发现与混合料测试中观察到的变化趋势大体相同。 以上提到的前人的研究成果提供了愈合证据，评价了影响愈合程度的不同的 要素以及依据愈合能力的不同，对不同的沥青做了等级划分。然而，对于理解 沥青的疲劳和愈合性能相当关键的愈合机理尚不明确。受微观力学模型启发， 研究者测试了沥青的表面能，发现这些性能与不同材料的愈合疲劳倾向之间存 在良好的相关性。b o m m a v a r a m 1 8 】在先前的工作中，提出了一个沥青材料适用的 愈合模型。这个模型包括了发生在裂缝表面的润湿和内部愈合过程。发生于裂 缝表面的内部愈合或强度恢复过程可以分为两步理解：一是由发生在裂缝表面 之间的表面粘合力导致的瞬间强度愈合；二是由发生在裂缝表面的内部高分子 扩散和重组所导致的与时间息息相关的强度恢复。a w a m i 公式的变式用来描述 沥青的内部愈合性能，其中的一个参数与瞬间强度恢复密切相关。利用d s r 测 试来评估沥青内在愈合函数的相关参数。b h a s i n 基于润湿卷积过程和内在愈合 过程建立了一个描述沥青愈合性能的模型【3 0 】。b o m m a v a r a m 1 8 】等人证实了d s r 能用来确定这种内在愈合性能函数的参数。这些研究者运用不同的，已知的愈 合性能来表征沥青。基于这些研究，愈合现象的产生首先历经润湿过程，然后 润湿表面之间发生界面凝聚和黏合以及分子的自扩散。 b h a s i n 等人提出的体系看起来很适用于沥青内在的基本特性，同时该体系 还能解释很多上述研究成果。然而，他们的研究成果不是沥青疲劳和愈合性能 武汉h _ t 大学硕士学位论文 的惟一潜在解释。目前，新兴的备受关注的与沥青愈合性能密切相关的一个概 念就是沥青触变性1 3 0 】。 沥青材料( 特别是凝胶型沥青) 在某一给定温度下，当其客观存在受到外 力的强烈作用( 例如搅拌时所产生的剪切应力作用) 时，胶体结构表现为疏松， 黏度明显降低，甚至呈现出牛顿流型的溶胶型沥青；当静置一段时间后，胶体 结构又可以逐渐致密，黏度逐渐增加。沥青材料的这种“在等温条件下，经过搅 动和静置后，能产生凝胶溶胶凝胶的可逆互变的特性”称之为触变性。触变性 与结构黏性虽然都是一种可逆互变过程，但其不同之处在于：触变性的可逆转 变是缓慢的，而结构黏性的互变是瞬间的。具有触变性的沥青，剪切变形率由 低至高，到点停止后，再逐渐由高变低，其上升和下降的流动曲线不重合，可 形成滞后环。此种现象在软化点附近温度最为明显，因为在软化点附近时，沥 青胶体结构最不稳定，容易产生破坏。滞后环的面积，可以用来评价触变性的 程度。国产多蜡沥青，都具有较明显的触变现象【3 1 1 。 换种说法来看，触变性还可被定义为当处于间歇期的样品产生流动现象时， 粘度随时间推移不断降低( 或者一般情况下材料性能不断衰退) 的一种性能。 当流动不再继续时，这些材料的性能会随时间逐渐恢复。触变性与沥青材料的 线性粘弹性行为一蠕变和松弛行为并不冲突，后者同样对沥青响应有重大影响。 触变机理之所以不同于线性粘弹性行为，是因为它只是在高输入水平情况下影 响显著，已超出线性粘弹范围。这个机理来源于胶体科学中最古老的有文献记 载的流变现象。很多研究集中于此，出现了不少相关的有效测试方法和适用的 模型。其中特别要提到的是，m o o r e 3 2 1 ，c h e n g 和e v a n s 3 3 1 以及m e w i s 3 4 1 的努力不 可抹杀。 沥青胶浆的疲劳性能对于理解沥青混合料的疲劳性能，特别是愈合影响相 当关键。虽然对于沥青胶浆的疲劳和愈合性能的相关研究文章很多，但是如何 有效评价这些性能还无定论。目前大部分研究集中于间歇期对沥青材料服役寿 命延长的影响，关于沥青材料自愈合行为内在机理的研究甚少。触变性是一个 可能帮助解释材料行为的概念，它的出现提供了一种有效的评价方法。触变性 和微观结构的破坏和建立有关，而微观结构的破坏和建立过程可能引发疲劳和 愈合测试中被观测到的变化。所以，追踪沥青胶浆的触变性可能是研究疲劳和 愈合性能的一种好方法。触变性与材料微结构变化息息相关。通过剪切，材料 微结构破坏受损( 不一定出现裂缝) ，然后粘度下降。由于分子特殊的布朗运动， 在历经一段间歇期后，材料损失的性能很有可能自我恢复，重新展现初始状态 6 武汉理工大学硕士学位论文 的粘度。需要注意的是，虽然剪切变稀同样适用于描述高温状况下沥青水泥的 非牛顿行为，但是触变性和剪切变稀不是一个概念，不可混为一谈 3 5 - 3 6 。剪切 变稀是指粘度随着剪切速率的提高逐渐下降的现象。两种机理的区别在于对于 剪切速率的依赖与时间相反。因为疲劳和愈合过程随时间变化，所以触变性被 认为是一种合适参数可以用来描述它们的发展过程。即使这个过程依赖于时间， 一些研究还是表明材料的触变性能在振荡循环中( 例如处于频率范围内) ，或者 长时间的瞬态变化中能够导致结构的变化【3 4 , 3 7 】。这个双重依赖表明，当沥青材料 处于振荡荷载中时，触变性能影响其疲劳和愈合性能。这个概念作为沥青疲劳 和愈合行为的一种解释并不是完全创新。s o l t a n i 和a n d e r s o n 3 8 】利用单轴拉伸测 试来研究沥青疲劳和愈合性能，发现由于触变性，沥青在疲劳测试中损失的模 量在间歇期中又恢复了。如果这些发现应用于沥青，那么触变性机理有可能作 为分析沥青疲劳和愈合性能的一个相当有效的工具。 在l i y a ns h a n 的研究中，他们通过实验表征了三种典型的沥青胶浆的疲劳 和愈合性能。然后，一个常用的触变性模型被表征利用相对简单的逐步流动测 试和振荡实验。所得模型与测得的疲劳和愈合性能相关性良好。这个发现，尽 管只基于有限的几种胶浆而言，仍表明触变性可能对沥青胶浆的疲劳和愈合性 能有一定影响p w 。 1 3 研究内容以及采用的技术路线 1 3 1 研究内容 本研究拟通过对沥青胶浆进行疲劳测试和疲劳愈合再疲劳测试，得出各种 设定条件下的疲劳曲线，从流变学和能量的角度出发，将沥青胶浆的动态流变 性能与其自身愈合能力强弱联系起来，加深对沥青自愈合能力内在机理的理解， 量化评价沥青胶浆自愈合能力；通过对比分析沥青胶浆改性以及老化前后自愈 合能力大小，初步得出掺加高分子和老化效果对沥青胶浆自愈合能力施加影响 的合理解释。 具体来说，可细化为以下几点： 1 ) 原料选材和前期相关准备工作。选取合适基质沥青，掺入s b s 制得s b s 改性沥青，将基质沥青老化得到老化沥青，按规范要求测试它们的基本指标； 2 ) 实验仪器选取以及测试项目确定工作。填料采用石灰石矿粉，按照粉胶 比1 o ，将它们制备成相应的沥青胶浆。利用动态剪切流变仪( d s r ) ，对它们分 7 武汉理工大学硕士学位论文 别进行应力扫描、频率扫描、温度扫描、疲劳测试和疲劳愈合再疲劳测试； 3 ) 自愈合测试数据采集与结果分析工作。将所采集数据进行处理并绘制成 相应曲线，最后进行对比分析：改性前与改性后自愈合能力进行对比；老化前 与老化后自愈合能力进行对比，得出相关结论。 1 3 2 采用的技术路线 本论文拟选用动态剪切流变仪( d s r ) ，通过对沥青胶浆进行动态剪切流变 测试，包括应力扫描、频率扫描、温度扫描、疲劳测试、疲劳愈合再疲劳测试， 得出相应对比曲线，分别从流变学角度和能量变化角度量化评价自愈合能力强 弱，初步分析对沥青胶浆进行改性处理以及老化处理后自愈合能力的变化情况， 最终能够指导可持续沥青路面的材料优选和优化设计，延长路面使用寿命，减 少养护和修复的成本。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第二章原材料与试验方法 2 1 原材料 2 1 1 沥青 本研究采用沥青为武汉思立特公路物资有限公司产品，包括s k - 7 0 基质沥青 以及s b s 改性沥青i d 。两种沥青的性能指标见下表2 1 和2 2 。 表2 1s k 7 0 沥青相关性能指标 试验项目检测结果指标要求试验方法 针入度( 2 5 c ，1 0 0 9 ，5 s ) 0 1 m m 6 96 0 - 7 0t 0 6 0 4 针入度指数p i 1 o1 5 , - + 1 0t 0 6 0 4 软化点( 环球法)芝( ) 4 94 6t 0 6 0 6 6 0 动力粘度芝( p a s ) 1 9 01 8 0t 0 6 2 0 1 5 延度( c m ) 1 6 0 1 0 0 t 0 6 0 5 ( 薄膜烘箱老化) t f o t 后 质量损失5 ( ) 0 1 2- 4 - 0 8t 0 6 0 9 针入度比( 2 5 )( ) 6 86 1t 0 6 0 4 残留延度( 1 5 )之( c m ) 4 01 5t 0 6 0 5 表2 2s b s 改性沥青相关性能指标 试验项目检测结果指标要求试验方法 针入度( 2 5 c ，1 0 0 9 ，5 s ) o 1 m m 5 74 0 - - - 6 0t 0 6 0 4 针入度指数p i o 1ot 0 6 0 4 延度( 5 c r n m i n ，5 c )( c m ) 3 32 0t 0 6 0 5 软化点( 环球法)之( ) 8 0 7 5t 0 6 0 6 运动粘度( 1 3 5 。c )s ( p a s ) 2 23 0t 0 6 2 5 ( 薄膜烘箱老化) t f o t 后 质量变化( ) 0 0 84 - 1 0t 0 6 1 0 针入度比( 2 5 )之( ) 9 06 5t 0 6 0 4 延度( 5 c m m i n ，5 。c )之( c m ) 2 51 5t 0 6 0 5 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 矿粉 本实验采用湖北娲石股份有限公司碱性石粉，矿粉干燥洁净，无团粒，其 质量符合公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) 中的要求。各项基本 性能指标实验结果如下表2 3 所示。 表2 - 3 矿粉各项基本性能指标 实验项目技术标准试验结果实验规程 表观密度( g c m 3 ) 芝2 52 6 7 5 t 0 35 2 2 0 0 0 0 6 m m ( ) 1 0 0 1 0 01 0 0 粒度范围o 15 1 1 1 m ( )9 0 1 0 09 9 8