2019, Vol. 36
表 1(Table 1)
SBS改性沥青混合料自愈合能力影响因素的优化
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文章信息
- 李江, 李诗琦, 余胜军, 李闯民
- LI Jiang, LI Shi-qi, YU Sheng-jun, LI Chuang-min
- SBS改性沥青混合料自愈合能力影响因素的优化
- Optimization of Influencing Factors of Self-healing Ability of SBS Modified Asphalt Mixture
- 公路交通科技, 2019, 36(8): 17-22
- Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2019, 36(8): 17-22
- 10.3969/j.issn.1002-0268.2019.08.003
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文章历史
- 收稿日期: 2018-04-02
李江, 李诗琦, 余胜军, 李闯民. SBS改性沥青混合料自愈合能力影响因素的优化[J]. 公路交通科技, 2019, 36(8): 17-22.
LI Jiang, LI Shi-qi, YU Sheng-jun, LI Chuang-min.
Optimization of Influencing Factors of Self-healing Ability of SBS Modified Asphalt Mixture[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2019, 36(8): 17-22.
SBS改性沥青混合料自愈合能力影响因素的优化
1. 交通运输部公路科学研究院 道路结构与材料交通行业重点实验室(北京), 北京 100088;
2. 长沙理工大学, 湖南 长沙 410114
2. 长沙理工大学, 湖南 长沙 410114
摘要: 沥青这种有机胶凝材料，在一定的时间、温度条件下，其自身具有愈合能力，同理沥青混合料在一定的时间和温度条件下亦具有愈合特性，但其自愈合效果仅能在最佳环境条件下达到理想状态。为了研究沥青混合料的愈合影响因子，探索最佳愈合条件，提高路面养护过程中沥青混合料的自愈合能力，选取常用的沥青路面表面层SBS改性沥青混合料为研究对象，采用控制应变的小梁四点弯曲疲劳破坏-愈合-疲劳破坏试验，对沥青混合料破坏愈合前后的疲劳寿命进行了对比研究，同时采取了愈合后的疲劳寿命恢复百分率作为评价指标。采用多因素多水平正交试验，对不同愈合时间、愈合温度以及应变条件下沥青混合料的自愈合特性进行了系统研究。研究结果表明：对于SBS沥青混合料，愈合温度和愈合时间均与沥青混合料的疲劳寿命恢复率呈正相关，但愈合温度不能超过沥青胶结料的软化点，否则影响沥青混合料高温稳定性；而应变大小与疲劳寿命恢复率呈反比关系，随着应变的增大，沥青混合料的疲劳寿命恢复率减小；愈合温度对沥青混合料的自愈合效果影响最为显著，愈合时间影响次之，应变大小影响最小；对于SBS改性沥青混合料，其最佳愈合条件是温度60℃，愈合时间6 h，应变1000με。因此，在路面养护过程中，较高温度和控制交通量及超荷载条件可有效提高沥青路面自愈合能力。
关键词:
道路工程
自愈合性能
疲劳恢复率
影响因素
正交设计方法
Optimization of Influencing Factors of Self-healing Ability of SBS Modified Asphalt Mixture
1. Research Institute of Highway, Ministry of Transport, Beijing 100088, China;
2. Changsha University of Science & Technology, Changsha Hunan 410114, China
2. Changsha University of Science & Technology, Changsha Hunan 410114, China
Abstract:
As an organic cementitious material, asphalt has healing ability under certain time and temperature conditions. Similarly, asphalt mixture also has healing characteristics under certain time and temperature conditions, but its self-healing effect can reach the ideal state only under the optimum environmental condition. In order to study the factors affecting the healing of asphalt mixture, explore the best healing conditions and improve the self-healing ability of asphalt mixture in the course of pavement maintenance, choosing SBS modified asphalt mixture commonly used in asphalt pavement surface layer, the 4-point bending fatigue failure-healing-fatigue failure test of strain-controlled trabecula is adopted to compare the fatigue lives of asphalt mixture before and after failure healing, and the percentage of fatigue life recovery after healing is taken as the evaluation index. Multi-factor and multi-level orthogonal experiments are conducted to systematically study the self-healing characteristics of asphalt mixture under different healing time, temperature and strain conditions. The result shows that (1) for SBS asphalt mixture, the healing temperature and healing time are positively correlated with the fatigue life recovery rate of asphalt mixture, but the healing temperature cannot exceed the softening point of asphalt binder, otherwise the high temperature stability of asphalt mixture will be affected; (2) while the strain value is inversely proportional to the fatigue life recovery rate, the fatigue life recovery rate of asphalt mixture decreases with the increase of strain; (3) the healing temperature has the most significant effect on the self-healing effect of asphalt mixture, followed by the healing time, and the strain value has the least effect; (4) for SBS modified asphalt mixture, the optimum healing conditions are 60℃ temperature, 6 h healing time and 1 000 με strain. Therefore, in the course of pavement maintenance, the self-healing ability of asphalt pavement can be effectively improved under the conditions of high temperature, traffic volume control and overload.
Key words:
road engineering
self-healing property
fatigue recovery rate
influencing factor
orthogonal design method
0 引言
1.1.2 确定最佳油石比
1.2 四点小梁弯曲疲劳试验 1.2.1 疲劳试验方法
2.2.2 正交试验结果及分析
沥青路面在长期使用过程中不可避免地会产生各种裂缝。如果不及时进行修复处理，这些微小裂缝在外界条件作用下会逐渐扩散，进而贯穿整个道路结构，造成路面结构性的损坏，大大降低路面的使用寿命[1-3]。为延长路面的使用寿命，国内外学者开始广泛关注如何延缓裂缝的扩散，并逐渐形成了路面预防性养护技术[4]。同时，在其他领域(如生物医学、航天航空、纺织等)均使用自愈合材料进行科学研究并投入生产，并产生了良好的效果。因此，许多道路学者开始进行自愈合材料的研究，希望将其带入交通行业，以达到延长路面寿命的目的。
早在1967年，在荷载条件下，沥青混合料存在劲度模量和强度的自我修复，Bazin等[5]发现了沥青混合料自愈合的特性。但现阶段，我国对其研究还较少，主要研究集中于沥青及沥青混合料的影响因子。黄明等[6]对橡胶沥青混合料疲劳自愈合能力的主要影响因子进行了系统研究，研究表明应变越大，其沥青混合料的自愈合能力越小。黄卫东等[7]采用单因数对比分析法，通过四点弯曲疲劳试验研究了SBS改性沥青混合料疲劳自愈合能力的3类影响因子。杨军等[8]采用灰关联分析，研究了不同因子对沥青混合料疲劳自愈合性能的影响。Garcia[9]通过掺导电材料建立简单模型，证实沥青材料可以在电磁感应下加热愈合。Qiu[10]等通过DSR和直接拉伸试验研究了沥青愈合的方法和评价指标，发现普通基质沥青比SBS改性沥青的愈合性能明显。汤文等[11]通过引入自愈合速率和自愈合率，对沥青自愈合行为的影响因数及评价方法进行了研究。这些研究仅为室内试验研究，还未推广至实际现场施工。为了在道路使用过程中提高沥青混合料的自愈合能力，有必要对影响SBS改性沥青混合料自愈合能力的因子进行研究和优化。本研究通过正交试验设计，以AC-13SBS改性沥青混合料作为对象进行研究，以期优化影响SBS改性沥青混合料自愈合能力的因子，并得到最佳的组合。
1 配合比设计和试验本研究选用70#基质沥青，并通过SBS改性剂对其进行改性制得SBS改性沥青，其各项技术指标均满足设计和施工要求。集料选自宁乡某采石场，矿粉采用磨细的石灰岩，集料的各项技术指标也均满足试验要求。同时，拟定AC-13矿质混合料制备SBS改性沥青混合料，并以AC-13沥青混合料作为研究对象，进行室内试验研究。
1.1 配合比设计 1.1.1 级配优选级配按照选用《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[12]中推荐的AC-13级配范围。为符合工程实际，优选出基本接近AC-13中值的级配作为试验级配。具体级配见表 1。
表 1 AC-13合成级配
Tab. 1 AC-13 synthetic gradation
| 集料规格/mm | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
| 级配中值/% | 95 | 77 | 54 | 37 | 24.5 | 19 | 14 | 10 | 6 |
1.1.2 确定最佳油石比
然后按照附录B的方法，采用马歇尔设计方法，试验试件双面击实75次成型，并进行马歇尔试验确定最佳油石比。
根据确定的级配称取矿料，油石比按0.5%为间距，AC-13级配5种油石比分别拟定为3.5%，4.0%，4.5%，5.0%，5.5%，计算每组试件的马歇尔技术指标，进行比较后得到最佳油石比，具体试验数据如表 2所示。
表 2 AC-13 SBS改性沥青混合料马歇尔体积参数
Tab. 2 Marshall volume parameters of AC-13 SBS modified asphalt mixture
| 油石比/% | 毛体积相对密度 | 空隙率/% | 间隙率/% | 饱和度/% | 稳定度/kN | 流值/mm |
| 3.5 | 2.410 | 6.8 | 14.1 | 51.7 | 11.48 | 2.49 |
| 4 | 2.426 | 5.6 | 13.6 | 59.0 | 12.29 | 2.57 |
| 4.5 | 2.429 | 4.7 | 13.9 | 65.8 | 12.72 | 3.00 |
| 5 | 2.443 | 3.5 | 13.8 | 74.4 | 12.05 | 3.34 |
| 5.5 | 2.456 | 2.4 | 13.8 | 82.9 | 11.53 | 3.51 |
通过计算分析，AC-13 SBS改性沥青混合料油石比为4.8%。在此条件下，沥青混合料的马歇尔技术指标均满足要求，具体结果见表 3所示。
表 3 AC-13 SBS改性沥青混合料最佳油石比对应的马歇尔体积参数
Tab. 3 Marshall volume parameters for optimal asphalt-aggregate ratio of AC-13 SBS modified asphalt mixture
| 沥青种类 | 最佳油石比/% | 毛体积相对密度 | 空隙率/% | 矿料间隙率/% | 沥青饱和度/% | 稳定度/kN | 流值/mm |
| SBS改性沥青 | 4.8 | 2.438 | 3.8 | 14.4 | 73.6 | 12.44 | 3.32 |
| 技术要求 | — | — | 3-5 | ≥14 | 65-75 | >8 | 2-4 |
1.2 四点小梁弯曲疲劳试验 1.2.1 疲劳试验方法
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的T0739试验方法[13]，采用万能试验机MTS对AC-13 SBS改性沥青混合料用控制应变的加载方式，试验温度为15 ℃，在10 Hz的试验频率下，采用四点小梁弯曲试验，对材料进行疲劳-自愈合-再疲劳试验。由于SBS改性沥青混合料的初始劲度模量较大，为了显著体现自愈合效果和减小试验的变异性，拟定结束条件为初始模量的20%。
1.2.2 试验评价指标为了定性和定量评价各种因数对沥青混合料自愈合能力的影响程度，需要明确合适的评价指标。本研究针对沥青混合料采用四点小梁弯曲试验，常用的判断方法主要有Nf50方法和NfNM方法两种。根据Rowe等[14]的研究结果，由于SBS改性沥青的黏度远大于基质沥青，且其初始劲度模量也远大于基质沥青，当达到劲度模量的50%时，SBS改性沥青混合料可能还未开始出现疲劳破坏，因此使用Nf50方法判断SBS改性沥青混合料的疲劳破坏离散型较大，不能较好地反映其疲劳性能。而NfNM方法则避免了劲度模量对疲劳寿命的影响，因此按照美国ASTM D7460的方法，选用NfNM方法作为改性沥青混合料的疲劳判断标准。
按照NfNM方法，在对梁式试件进行四点疲劳-自愈合-再疲劳试验时，将第50次加载时的劲度模量平均值作为初始模量S1，疲劳寿命为NfNM1；愈合后梁式试件第50次加载时的劲度模量平均值作为愈合初始模量S2，疲劳寿命为NfNM2。同时，引入劲度模量恢复率和疲劳寿命恢复率对其进行评价。劲度模量恢复率的定义为愈合初始模量S2和初始模量S1比值的百分数；同理，疲劳寿命恢复率则为愈合后疲劳寿命NfNM2和愈合前疲劳寿命NfNM1比值的百分数。
2 最佳影响因子的优化设计 2.1 影响因子的选取根据现有研究可知，影响沥青混合料自愈合能力的因子主要包括内部因子和外部因子，其中内部因子主要是根据沥青材料的自身性质和沥青混合料的体积参数等条件进行确定；而外部因子则主要根据试验条件、试验过程中的愈合条件等进行确定。
目前，影响自愈合能力的外部因子主要有自愈合温度、自愈合时间、应力/应变大小以及破坏程度等。而针对路面的预防性养护施工中，大多数情况下均是产生了较大的破坏或者有了裂缝发展的趋势才会进行养护处理。同时，在施工过程中，尽可能地开放交通很有必要，且控制良好的交通量或超荷载情况对于延长道路的使用寿命大有裨益。因此，针对以上特点，本次研究选用愈合时间、愈合温度及应变大小这3个因子，对其施工条件中的自愈合能力进行优化。
2.1.1 愈合时间愈合时间是材料经过破坏后或出现裂缝后进行自我修复过程所需要的时间。研究表明，愈合时间会显著影响沥青混合料的自愈合能力。王昊鹏等[15]研究指出，自愈合时间越长，其沥青混合料的自愈合能力也越强。同时，愈合前期自愈合能力显著增大。因此，在路面沥青混合料预防性养护施工中，控制愈合时间是一个显著影响因子。由于在愈合时间前期愈合能力是显著增长的，同时，在现场施工过程中，对于路面修复需要短期内完成以便尽快开放交通。因此，本次试验拟定愈合时间的梯度水平为2，4，6 h。
2.1.2 愈合温度在Wu等[16]对沥青混合料自愈合的定义中，一个非常关键的条件是温度。研究发现，升高温度可以显著促进沥青混合料发生自愈合，进而提高自愈合能力。基于何凡等[17]的研究，当超过一定温度时，一般认为超过沥青软化点温度时，会对SBS沥青的自愈合能力产生不利影响。因此，在路面沥青混合料预防性养护施工中，控制愈合温度是一个显著影响因子。考虑到SBS改性沥青自身软化点一般均在70 ℃左右，同时在较低温度条件下自愈合效果不显著。因此，拟定愈合温度的梯度水平为40，50，60 ℃。
2.1.3 应变大小应变反映的是材料在外力的作用下产生变形的能力。在路面使用过程中，由于交通荷载的长期作用，路面不可避免地会发生微小变形。黄明等的研究表明，应变越大，其沥青混合料的自愈合能力越小。因此，在路面沥青混合料预防性养护施工中，控制应变大小也是一个显著影响因子。由于四点小梁弯曲疲劳试验采用应变控制模式，其试验时间一般较应力控制模式长，但其结果较为精确。考虑到节约试验时间，本次试验拟定应变大小为500，1 000，1 500 με 3个梯度水平。
2.2 正交试验 2.2.1 正交试验设计针对影响沥青混凝土自愈合能力的外部因子愈合温度、愈合时间及应变大小进行研究。由于试验因子水平较多，所以选择合理的研究方法尤为重要。正交试验是通过科学的方法挑选出特征点来进行试验，对少量具有代表性的试验进行分析可以全面地了解试验情况，从而实现工艺优化，并确定出因子的主次效应顺序[18]。因此，基于正交试验方法，各影响因子的3个梯度水平分别为：愈合时间(2，4，6 h)、愈合温度(40，50，60 ℃)及应变(500，1 000，1 500 με)，采用L9(34)正交试验对其影响因子进行优化。采用AC-13 SBS改性沥青混合料(油石比为4.8%)进行四点小梁弯曲疲劳-自愈合-疲劳试验。其因子水平和正交设计如表 4、表 5所示。
表 4 因子水平表
Tab. 4 Factor level table
| 水平 | 愈合时间(A)/ h | 愈合温度(B)/ ℃ | 应变大小(C)/με |
| 1 | 2 | 40 | 500 |
| 2 | 4 | 50 1 000 | |
| 3 | 6 | 60 | 1 500 |
表 5 正交设计表
Tab. 5 Orthogonal design table
| 序号 | A | B | C |
| 愈合时间/ h | 愈合温度/℃ | 应变大小/με | |
| 1 | 2 | 40 | 500 |
| 2 | 2 | 50 | 1 000 |
| 3 | 2 | 60 | 1 500 |
| 4 | 4 | 40 | 1 000 |
| 5 | 4 | 50 | 1 500 |
| 6 | 4 | 60 | 500 |
| 7 | 6 | 40 | 1 500 |
| 8 | 6 | 50 | 500 |
| 9 | 6 | 60 | 1 000 |
2.2.2 正交试验结果及分析
按照表 5中的正交设计方案，选取劲度模量恢复率和疲劳寿命恢复率作为评价指标，试验结果如表 6所示。
表 6 AC-13SBS改性沥青混合料四点小梁弯曲试验的正交试验结果
Tab. 6 Orthogonal test result of four-point beam bending test on AC-13 SBS modified asphalt mixture
| 序号 | 愈合前 | 愈合后 | 劲度模量恢复率/% | 疲劳寿命恢复率/% | |||
| 劲度模量/MPa | 疲劳寿命/次 | 劲度模量/MPa | 疲劳寿命/次 | ||||
| 1 | 3 686 | 455 540 | 1 231 | 132 160 | 33.4 | 29.0 | |
| 2 | 3 566 | 442 010 | 1 062 | 120 625 | 29.8 | 27.3 | |
| 3 | 3 420 | 419 860 | 955 | 98 720 | 27.9 | 23.5 | |
| 4 | 4 108 | 516 840 | 1 583 | 178 600 | 38.5 | 34.6 | |
| 5 | 3 934 | 493 190 | 1 405 | 145 245 | 35.7 | 29.5 | |
| 6 | 4 268 | 556 770 | 2 079 | 241 875 | 48.7 | 43.4 | |
| 7 | 4 284 | 540 430 | 1 736 | 192 990 | 40.5 | 35.7 | |
| 8 | 4 732 | 616 020 | 2 390 | 288 920 | 50.5 | 46.9 | |
| 9 | 4 686 | 594 050 | 2 187 | 271 480 | 46.7 | 45.7 | |
根据表 6可知，愈合时间、愈合温度及应变大小均会对疲劳寿命恢复率和劲度模量恢复率有较大的影响。同时，参照黄卫东等人的研究结果，对比表 6试验结果可知，随着愈合时间的增大，其疲劳寿命恢复率也不断增大。而愈合温度也和疲劳寿命恢复率呈正相关关系，即随着温度的升高而增加。而应变与疲劳寿命恢复率表现为反比例关系，即随着应变的增大，疲劳寿命恢复率不断减小。
所以，为了更加系统全面地评价沥青混合料疲劳寿命恢复率外因的影响程度，利用正交试验的极差分析法，对表 6中的数据进行极差分析处理，以得到最佳的愈合时间、愈合温度、应变大小组合。极差分析结果见表 7。
表 7 AC-13SBS改性沥青混合料四点小梁弯曲的极差分析结果(单位：%)
Tab. 7 Range analysis result of four-point beam bending test on AC-13 SBS modified asphalt mixture (unit: %)
| 性能指标 | 因数 | 分析指标 | |||
| K1 | K2 | K3 | R | ||
| 劲度模量恢复率 | 愈合时间(A) | 91.1 | 123.0 | 137.7 | 15.5 |
| 愈合温度(B) | 112.5 | 116.0 | 123.3 | 3.6 | |
| 应变大小(C) | 115.8 | 119.0 | 117.0 | 1.1 | |
| 疲劳寿命恢复率 | 愈合时间(A) | 79.8 | 107.4 | 128.3 | 16.2 |
| 愈合温度(B) | 99.3 | 103.6 | 112.7 | 4.5 | |
| 应变大小(C) | 104.2 | 106.4 | 105.0 | 0.8 | |
| 注：K1，K2，K3均为同因子恢复率指标之和；R为极差。 | |||||
对于劲度模量恢复率，在愈合时间中，K3最大；在愈合温度中，K3最大；在应变大小中，K2最大，故性能最佳的是组合为A3B3C2，即愈合温度为60 ℃，愈合时间为6 h，应变为1 000 με。同时，愈合温度的极差为15.5，对劲度模量恢复率的影响最大，而应变大小的极差为1.1，对其的影响最小。
对于疲劳寿命恢复率，在愈合时间中，K3最大；在愈合温度中，K3最大；在应变大小中，K2最大，故性能最佳的是组合为A3B3C2，即愈合温度为60 ℃，愈合时间为6 h，应变为1 000 με。同时，愈合温度的极差为16.2，对疲劳寿命恢复率的影响最大，而应变大小的极差为0.8，对其的影响最小。
综合以上试验分析可知，影响沥青混合料自愈合能力外因的最主要指标是愈合温度，而应变大小而影响最小。同时，其最佳的组合为A3B3C2，即在愈合温度为60 ℃，愈合时间为6 h，应变为1 000 με条件下，在进行路面的预防性养护处理和修复过程中，其效果最佳。
3 结论(1) 愈合温度和愈合时间均与沥青混合料的疲劳寿命恢复率呈正相关，但是愈合温度不能超过其沥青自身的软化点；而应变大小则表现为反比关系，随着应变的增大，沥青混合料的疲劳寿命恢复率是减小的。
(2) 根据正交试验和极差分析可知，影响沥青混合料自愈合能力外因的最主要指标是愈合温度，而应变值的影响最小。同时，其最佳的组合为A3B3C2，即愈合温度为60 ℃，愈合时间为6 h，应变为1 000 με。
(3) 根据最佳的试验组合，在路面的预防性养护处理和修复过程中，建议在较高温度条件下进行裂缝的修复处理。同时尽可能控制交通量和车辆的超荷载情况，以此来增加道路沥青混合料的自我修复时间和控制道路受力情况，增强愈合能力。
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