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密級配瀝青混合料自愈性能的評價方法
2019年09月03日    閱讀量:13441    新聞來源: 瀝青路面  |  投稿

 

摘 要

為科學評價瀝青混合料的自愈性能,開發基于高壓滲水的密級配瀝青混合料自愈性能的測試  裝置,提出評價指標,通過試驗確定愈合時間、愈合溫度與最小樣本數等關鍵參數。通過測試不同愈合溫度與時間、混合料類型與微膠囊摻量下的密級配瀝青混合料的滲水速率比(ve),驗證該方法的敏感性與穩定性。對比分析ve 與間歇式疲勞壽命及劈裂愈合強度比(SHSR),論證該方法的有效性瀝青網sinoasphalt.com。結果表明:該方法的適宜試驗參數為愈合時間12h,愈合溫度45 ℃,制縫溫度5 ℃ ±2 ℃,最小樣本數n=4;該方法能有效區分測試條件(愈合溫度與時間)、混合料類型及最大公稱粒徑、微膠囊摻量對自愈性的影響,平行試驗結果的變異系數在3.0%,滿足敏感性及穩定性要求;ve 與間歇式疲勞壽命及SHSR 在評價密級配瀝青混合料自愈性方面具有一致性,且具有試驗設備簡單, 結果穩定等優點;在一定范圍內,瀝青混合料裂縫自愈效果隨微膠囊摻量的增加和溫度的升高而提  高,且自愈性能隨愈合時間的延長呈非線性增長;公稱最大粒徑越小,自愈效果越好,懸浮密實級配AC 的自愈性能優于骨架密實級配SMA。

關鍵詞

道路工程 | 瀝青混合料 | 高壓滲水試驗 | 自愈性能 | 間歇式疲勞壽命 | 劈裂愈合強度比

引言

裂縫是瀝青路面最常見的病害之一,它是由微裂縫在溫度及荷載耦合作用下逐步形成的。如不及時采取措施,微裂縫將在縫端集中應力作用下進一步擴展,最終形成貫通裂縫。在較高溫度下瀝青混合料具有一定的自愈能力[1],但該過程極其緩慢,其自修復能力有限。有研究表明,瀝青混合料微膠囊技術可提高其自愈能力,使微裂縫得到及時主動的修復,抑制裂縫發展,推遲貫通縫的形成[2-3]。利用瀝青混合料的自愈合性能,在瀝青路面出現宏觀裂縫之前及時進行預防性養護,是近年來先進的瀝青路面養護理念之一。微膠囊是利用封裝材料將固體、液體或氣體等小顆粒核心材料封存成的固體微粒,在結構上一般由囊芯、囊壁和包裹材料組成,其中囊芯為核心功能材料。微膠囊可用界面聚合[4]、凝聚[5]、原位聚合[6]、吸附[7]等方法制備。目前,國內外研究人員應用不同方法制備出了多種路用微膠囊。Shrizad等[4]采用原位聚合方法制備了一種以葵花籽油為囊芯的微膠囊;Garcia等[8]采用多孔砂作為修復劑載體,以環氧樹脂和水泥作為囊壁材料, 制成了直徑為1~2mm 的微膠囊;Li等[9]采用脲甲醛樹脂作為壁材,基于原位聚合方法制備出路用微膠囊;Su 等[10]使用甲醇-三聚氰胺-甲醛(MMF)高分子聚合物作為膠囊壁材制備出了路用微膠囊。


如何科學地評價瀝青混合料的自愈效果,是推廣應用該技術的關鍵之一,國內外對此展開了研究。Bazin等[11]采用直接拉伸試驗測試瀝青混合料小梁的拉伸強度,并將破壞后的小梁對接并置于不同溫度條件下進行養護,測試愈合后小梁的拉伸強度,以 愈后與原樣瀝青混合料的拉伸強度比評價其自愈性。Qiu[12]分析了拉伸強度比隨愈合時間的變化規律。Garcia[13]率先采用間歇式疲勞試驗評價瀝青混合料的自愈性能,該方法將傳統試驗方法的連續式加載改為間歇式加載,在加載間歇期瀝青混合料發生一定程度的愈合,使得瀝青混合料的疲勞壽命延長。黃明等[14-15]分析了瀝青混合料的疲勞壽命比及其影響因素。Kim 等[16]、Carpenter等[17]采用耗散能理論研究了瀝青混合料在間歇式荷載作用下的自愈性能,并采用耗散蠕變應變能的變化率作為評價指標。Pronk[18]基于耗散能理論建立了瀝青混合料的自愈模型。Aguirre等[19]采 用光學顯微鏡觀測微膠囊瀝青混合料在不同愈合時間的裂縫寬度,采用自愈效率 He評價其自愈性(He為裂縫在愈合一定時間后的寬度與初始寬度的比值)。Su等[20]發明了彈性橡膠支座梁的重復加載試驗方法(BOEF)。該方法將帶有預制裂縫的小 梁兩端用鋁棍支撐,小梁中部正下方放置有一彈性橡膠塊;施加豎向荷載后,小梁會產生彎曲變形,并與橡膠 塊接觸,使得橡膠塊產生彈性壓縮變形;卸載后橡 膠塊向上恢復變形,瀝青混合料小梁恢 復至水平狀態,裂縫得到閉合;然后將其放置在0 ℃ 下自愈24h,重復加載-卸載-自愈的過程,最后用裂縫寬度評價其自愈性。


本文開發一種基于高壓滲水的密級配瀝青混合料自愈性能的測試裝置與評價方法,確 定最小樣本數、愈合溫度、愈合時間等關 鍵試驗參數,并與間歇式疲勞試驗劈裂及愈后強度試驗進行對比,以證明本文方法的有效性。

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密級配瀝青混合料自愈性測試裝置

水分會通過混合料的裂縫滲透,滲水速率反映了裂縫的大小。瀝青混合料的自愈性會改變裂縫尺寸,進而影響滲水速率。基于上述原理,本文開發了基于高壓滲水的密級配瀝青混合料裂縫自愈性測試裝置,如 圖 1 所示。其中密封水箱內徑為 102.5mm,外徑為104 mm,高度為300 mm;氣泵氣壓為0~1.0 MPa。


利用該裝置測試密級配瀝青混合料自愈性的步驟如下:①采用馬歇爾方法制備直徑為101.6 mm,高63.5 mm 的圓柱體試件,然后在低溫下采用劈裂方法制縫;②在圓柱體試件的側面全高度涂抹黃油,將其裝入密閉水箱中,檢查試件邊緣的密封情況,并刮去多余的黃油;③向水箱內注入足量的水,然后關閉水閥使水箱密封,并記錄流量值 Q1;④ 接通氣泵,打開氣閥向水箱內充氣,待顯示屏上的數值達到0.7MPa后,關閉進氣閥;⑤ 擰動密閉水箱底部開口螺絲開始滲水試驗,同步啟動秒表記錄試驗時間t;⑥經規定時間t后,滲水試驗結束,觀察密封水箱內刻度線的讀數Q2,滲水速率v 按式(1)計算;⑦ 采用同一試件愈合前與愈合后的滲水速率比值ve 評價密級配瀝青混合料自愈性能[式(2)],ve 越大,說明密級配瀝青混合料自愈性越好。


v=(Q1-Q2)/t                      (1)

ve=v1/v2                                  (2)

式中:Q1,Q2分別為試驗前、后的水量;v1,v2 分別為同一試件愈合前、后的滲水速率。

密級配瀝青混合料自愈性試驗方法

試驗材料

室內制備試驗用微膠囊,由囊芯、囊壁和包裹材料三部分組成,如 圖 2 所示。囊芯為 一 種 瀝 青 再 生劑;囊壁為多孔膨脹珍珠巖;包 裹材料由環氧樹脂、固化劑、稀釋劑和液體分散劑組成。瀝青采用 90 號基質瀝青和 SBS 改性瀝青,其性能如表1所示。集料采用石灰巖碎石,其壓碎值為15.8%,其他技術指標如表2所示。

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采用4種不同的瀝青混合料進行測試,分別是AC-13(90 號基質)、AC-10(90 號基質)、SMA-13(SBS改性)、SMA-10(SBS 改性),混合料級配如表3所示,混合料技術指標如表4所示。

試驗參數的確定

(1)愈合時間

分別測試微膠囊摻量(質量分數,下文同)為0 與摻量為6%的 AC-13混合料在不同愈合時間下的滲水速率比(ve),愈合溫度分別為15 ℃、30 ℃與45℃,結果如圖3所示。

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由圖3 可知,在12h 前ve 隨時間呈近似線性增加,而后增長極為緩慢,說明12h 后密級配瀝青混合料的自愈趨于結束,由此確定愈合時間為12h。


(2)愈合溫度

分別測試微膠囊摻量為0和6%的AC-13混合料在不同愈合溫度下的滲水速率比ve,愈合溫度分別為0℃、15℃、30℃、45℃與60℃,結果如圖4所示。由圖4可知,ve隨愈合溫度的升高而增大,當愈合溫度為60℃時,滲水速率在5mL·min-1之內,基本不滲水。進一步觀察發現,接近試件表面的裂縫面被瀝青堵塞,而試件中間的裂縫面被瀝青堵塞的現象并不明顯,說明過高的溫度會導致接近試件表面的裂縫被瀝青堵塞,進而影響試驗結果。因此,確定愈合溫度為45℃。


(3)制縫溫度

有研究表明:當制縫溫度為 -5 ℃ ~ -10 ℃時,裂縫表面平整,少數粗集料破裂,屬脆性劈裂,裂縫難以愈合;當制縫溫度為2 ℃~7 ℃時,裂縫表面粗糙,沒有發生粗集料破裂現象,裂縫可以愈合;當縫溫度高于10 ℃時,在劈裂過程中試件變形,難以完全劈裂,裂縫可以愈合[21]。表5為5 ℃下制縫后所測試的密級配瀝青混合料的滲水速率。由表5 可知,在5 ℃下制縫的不同密級配瀝青混合料的滲水速率較為接近,最大偏差為7.2%,說明在該溫度下能制得較為穩定的微裂縫。因此,推薦制縫溫度為5 ℃±2 ℃。

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(4)最小樣本數

合理的樣本數n與試驗結果的離散系數與置信度有關,置信度越高,所需要的樣本數就越大;此外還與誤差限有關,誤差限是用子樣估計母體指標時的相對誤差極限,誤差限一般取為5%。本文選擇置信度為95%,誤差限為5%,所對應的變異系數與樣本數n的關系如表6所示[22]。


分別測試4種不同密級配瀝青混合料的滲水速率比,每種混合料的微膠囊摻量均為0與6%。制縫溫度為5 ℃,愈合溫度為45 ℃,愈合時間為12h,水壓為0.7MPa,統計分析結果如表7所示。由表7可知,變異系數的最大值為0.029 1,因此當樣本數n≥4時,變異系數滿足置信度為95%,誤差限為5%的離散性要求,因此確定最小試驗樣本數n=4。


  綜上,確定基于高壓滲水的密級配瀝青混合料裂縫自愈性試驗方法的合理參數為:愈合時間12h,愈合溫度45℃,制縫溫度5℃±2℃,最小樣本數n=4。

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密級配瀝青混合料裂縫自愈性試驗方法的驗證

 敏感性

敏感性是指試驗結果能有效區分不同混合料類型的性能差距。根據表7結果進一步分析可知:


(1)AC-13,SMA-13,AC-10 與SMA-10 微膠囊瀝青混合料(微膠囊摻量為6%)的ve 分別為普通瀝青混合料(不摻微膠囊)的2.75,1.15,2.93,1.22倍,這說明ve 能有效區分微膠囊摻量對自愈性能的影響;


(2)當微膠囊摻量為6% 時,這4 種瀝青混合料的ve 分別為16.2,3.7,17.6 與3.9,其測試結果的變異系數為73.2%,遠高于20%,說明ve 能有效區分混合料類型對自愈性能的影響;


(3)公稱最大粒徑越小,ve 越大,自 愈效果越好;懸浮密實型級配 AC 的自愈效果優于骨架密實型級配SMA,說明ve 能有效甄別公稱粒徑與級配類型對自愈性能的影響。

穩定性

當對同種混合料進行平行試驗時,希望不同樣本的試驗結果較為穩定,即離散性較小。由表7 可知,同種混合料4 個樣品的變異系數均在3.0% 以內,符合平行性試驗誤差較小的原則。

與間歇式疲勞壽命的對比分析

(1)間歇式疲勞試驗方法

間歇式疲勞試驗是評價瀝青混合料自愈性能較為常見的方法[13-15]。該方法將傳統試驗方法的連續式加載改為間歇式加載,在間歇期瀝青混合料發生一定程度的愈合,疲勞壽命延長。本文進行瀝青混合料小梁的間歇式彎曲疲勞試驗(圖5),將加載方式分3個階段:第1階段,對小梁試件進行無間隙加載,直至試件破壞,并記錄破壞時的加載次數 N1;第2 階段,先對小梁試件進行疲勞試驗,加載次數為/3,而后將試件放置在45 ℃±1 ℃的環境箱內愈合48h;第3階段,將第2階段的小梁試件進行重復疲勞試驗,直至試件破壞,并記錄破壞時的加載次數N2。各個階段的試驗參數為:應力比為0.4,試驗溫度為15 ℃,加載頻率為10 Hz。采用式(3)計算瀝青混合料的間歇式疲勞壽命 N,N 值愈大,表明自愈性能越好。


N=N1/3+N2                                  (3)

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(2)ve 與間歇式疲勞壽命的對比分析

不同微膠囊摻量 AC-13 混合料(90 號基質瀝青)的ve 與間歇式疲勞壽命 N 的對比分析結果如圖6所示。由圖6可知:當微膠囊摻量小于6% 時,ve 與間歇式疲勞壽命均隨微膠囊摻量的增加而逐漸提高;當微膠囊摻量超過6% 時,兩者則隨微膠囊摻量的增加而降低,說明ve 與間歇式疲勞壽命在評價密級配瀝青混合料自愈性能方面具有一致性。間歇式疲勞壽命測試一般需采用 MTS 或 UTM 等昂貴的設備,不僅操作復雜,試驗結果易受應力水平、加載頻率等試驗條件的影響,而且試驗周期長。相比而言,滲水速率測試具有操作簡單,設備簡潔,變 異性小的優點。

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與劈裂愈合強度試驗的對比分析

劈裂愈合強度比 (Splitting Healing StrengthRatio,SHSR)可表征瀝青混合料的自愈性能[23]。瀝青混合料首先在 5 ℃ 下劈裂,并記錄劈裂強度 S1,試件如圖7 所示。將劈裂后 試 件 放 置 在 45℃ 烘箱中愈合 12h,然后冷卻至室溫后放置到5 ℃ 的烘箱中3h;最后從烘箱中取出試件,再一次進行劈裂試驗,記錄愈后劈裂強度S2。采用式(4)計算SHSR,SHSR 為 SHSR 的計算參數,其值越大說明自愈性能越好。

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(2)ve與劈裂愈合強度比的對比分析

測試不同微膠囊摻量AC-13混合料(90號基質瀝青)的SHSR,結果如圖8所示。由圖8可知,微膠囊摻量小于6%時,ve與SHSR均隨微膠囊摻量的增加而逐漸提高,說明這2個指標在評價密級配瀝青混合料自愈性能方面具有一致性。

結語

(1)本文開發了基于高壓滲水的密級配瀝青混合料自愈性能的測試裝置,確定了合理的試驗參數:愈合時間為12h,愈合溫度為45 ℃,制縫溫度為5℃±2 ℃,最小樣本數n=4。


(2)該方法能有效區分測試條件(溫度與時間)、混合料類型及最大公稱粒徑、微膠囊摻量對混合料自愈性的影響,且同種混合料的平行試驗滲水速率比的變異系數在3.0% 以內,證明該方法可滿足敏感性及穩定性的要求。


(3)滲水速率比與間歇式疲勞壽命以及 SHSR在評價密級配瀝青混合料自愈性能方面具有一致性,且具有試驗設備簡單,結果穩定的優點。


(4)后續將對滲水速率比的標準展開研究,為推廣本文方法在自愈瀝青混合料設計中的應用奠定基礎。

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