沥青混合料是道路工程中使用最广泛的材料之一，我国绝大部分高等级公路均采用沥青路面。在北方季节性冻土地区，由于低温开裂和半刚性基层反射裂缝的作用，导致沥青路面产生大量横向裂缝，影响沥青路面的使用寿命。沥青路面横向裂缝大多出现在温度较低的冬季，而在夏季高温状态下现场观察到的裂缝有所减少，这可能由于沥青混合料在高温状态下具有流动性，部分微小横向裂缝在行车荷载挤压作用下产生自我闭合，促使沥青混合料的劲度模量和强度会产生一定程度的恢复，这种现象称为沥青材料的自愈合。

1967年，Bazin等^[1]通过室内试验证实了自愈合现象的存在，随后相关学者进行了关于沥青材料自愈合方面的大量研究，沥青材料具有自愈合能力，已得到国内外学者广泛认可。黄卫东等^[2-5]采用四点弯曲试验分析了各因素对几种典型沥青混合料自愈合行为的影响，并研究了考虑自愈合补偿后混合料的疲劳性能，提出研究混合料疲劳性能时应考虑自愈合的影响。随着对自愈合机理研究的逐渐成熟，相关学者提出，可采用一些手段来加速激发沥青混合料的自愈合能力，包括诱导加热(感应加热^[6-9]、微波加热^[10-11])和物质补充(微胶囊愈合^[12-14])。目前关于沥青混合料自愈合的研究大多集中在疲劳损伤累积后的自愈合及自愈合增强技术，对沥青混合料产生宏观裂缝后的愈合性能研究相对较少，如何利用沥青的自愈合性能促进损伤路面的自我修复还需展开大量研究。

对沥青混合料开裂性能的室内试验研究，普遍采用小梁四点弯曲试验和间接拉伸试验，但近年研究中发现，将该方法用于已建成路面结构层研究时存在一定局限性，如试件尺寸难以获取、与实际受力状态有差别等^[15]。相比之下，半圆弯曲(SCB)试验操作简单，重复性好，是近年来评价沥青混合料开裂性能的新方法。现有研究表明, 采用SCB试验分析沥青混合料的抗裂性能和自愈合性能是合理可行的，SCB试验最早用于评价岩石材料的抗裂性能，后被研究人员逐渐应用到沥青路面材料性能评价中，形成了静载作用下SCB标准试验方法^[16-17]，并提出采用断裂能评价沥青混合料的断裂性能。付欣等^[18]、刘宇等^[19-20]通过数值模拟和室内试验分析，证实了SCB试验能够更好地模拟路面实际受力状态。因此，本研究对AC-13, SMA-13和AC-20混合料进行SCB断裂-愈合-断裂试验，通过断裂能和J积分分析混合料的开裂性能，采用愈合前、后断裂强度比和断裂韧度比分析混合料的自愈合性能，研究温度、时间及切缝深度对自愈合性能的影响，分析不同混合料自愈合性能的差异，以期为沥青路面自修复的研究提供一定参考。

沥青：采用SBS改性沥青，基本指标见表 1；集料及填料均为石灰岩，技术指标均满足规范要求。

选用沥青路面常用的AC-13, SMA-13和AC-20这3种级配类型，根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)取矿料级配范围中值，沥青混合料设计空隙率为(4.0±0.5)%，SMA-13混合料中掺加3%木质素纤维，并通过马歇尔试验确定3种混合料的油石比。沥青混合料的级配及油石比见表 2，相应体积参数见表 3。

当半圆试件厚度为50 mm时，其力学响应趋于稳定^[21-22]，故本研究取半圆试件厚度为50 mm。采用Superpave提出的旋转压实法成型直径150 mm、高150 mm的圆柱体试件。采用高精度双面锯切除圆柱体试件两端25 mm部分沥青混合料，并将剩余部分切割得到两个高50 mm，顶、底面平整的圆柱体试件。最后将高50 mm的圆柱体试件沿直径切割成两个半圆试件，切割允许偏差控制在2.0 mm内，并在半圆试件底部垂直直径方向中线上切割深度为10，15，20 mm的切缝，不同切缝深度可以间接表示试件开裂前的破坏程度。

采用ETM 204C万能试验机对SCB试件进行三点加载试验，两支点间距为120 mm，试验温度为0 ℃，加载频率为10 Hz，加载速率为5 mm/min。荷载作用在半圆试件顶部并与底部切缝在同一条直线上，当荷载达到混合料承载力时，半圆试件沿着切缝尖端发生开裂。

采用引伸计测量裂纹尖端开口位移(Crack Tip Opening Displacement，CTOD)，引伸计两刀口初始间距为10 mm，固定在切缝尖端两侧间距为10 mm的铁块上。当切缝尖端开裂时，引伸计刀口扩展，并通过计算机采集CTOD数据，获得荷载-CTOD曲线，半圆试件尺寸和SCB试验加载装置如图 1所示。

图 1 SCB试验试件尺寸和加载装置 Fig. 1 Dimensions of specimen and loading device in SCB test 注：P为施加荷载；a为预切缝深度；2S为支座间距；D为试件直径；t为试件厚度。

将初次加载开裂后的半圆试件拼接，采用具有一定模量的弹性绳将拼接后的试件沿厚度三分点处将其箍定，模拟开裂面承受围压状态，经计算每根弹性绳的径向拉力约为10 N。将拼接试件置于不同温度烘箱中加热，加热条件为：(1)在60 ℃环境中分别加热2，4，6，8，12 h；(2)分别在25，40，60，80，100 ℃环境中加热8 h。对愈合后的半圆试件进行二次加载，加载条件与初次加载时相同，记录二次加载试验荷载-CTOD曲线。

通过愈合前后两次加载试验的荷载-CTOD曲线，采用MATLAB软件计算半圆试件临界荷载和临界断裂能(临界荷载对应坐标轴与曲线围成的面积)，如图 2所示，将愈合前后临界荷载比和临界断裂能比定义为沥青混合料的自愈合指数，如式(1)~(2)所示。

图 2 断裂能计算曲线 Fig. 2 Calculation curve of fracture energy

(1)

(2)

式中，HI₁，HI₂分别为基于临界荷载和断裂能表示的自愈合指数；P₁，P₂分别为愈合前、后的临界荷载; U₁，U₂分别为愈合前、后的临界断裂能。

沥青混合料是典型的黏弹性材料，J积分可用于表征对线弹性假设理论无效的弹塑性材料开裂，理论上是线性积分。基于SCB试验采用J积分断裂韧度评价沥青混合料的低温开裂性能，不涉及裂纹尖端应力和位移的具体计算，避免了求解裂纹尖端的塑性应力场。将单位厚度SCB试件临界断裂能随切缝深度下降的速率定义为J积分断裂韧度J_IC，J_IC越大，抗裂性能越好。研究发现^[23]，沥青混合料的断裂能随切缝深度的增加而线性下降，J_IC断裂韧度的计算式为：

(3)

式中，J_IC为J积分断裂韧度；T为试件厚度；a为切缝深度；U为临界断裂能。

J_IC值与试件切缝深度有关，切缝深度可以间接表示试件愈合前的损伤程度，可采用愈合前后加载试验的J_IC之比HI₃表征沥青混合料的自愈合性能，如式(4)所示：

(4)

式中J_IC1和J_IC2分别为同一试件愈合前、后的J_IC断裂韧度。

沥青混合料属于感温性材料，随着温度的升高，沥青黏度降低，流动性增强，能更好地填补裂缝。图 3表示切缝深度为15 mm的半圆试件愈合8 h后自愈合指数随温度的变化关系。由图 3可见，不同沥青混合料自愈合指数HI_s(包括HI₁，HI₂和HI₃)均随温度的增加而增加，当温度为100 ℃时，HI_s值超过50%，说明实际应用中，沥青路面因冬季低温开裂产生的宏观裂纹在夏季高温时能够发生一定程度的闭合，从而提高沥青的路面承载能力。

图 3 愈合指数随温度变化关系 Fig. 3 Relationships of healing indexes varying with temperature

由图 3可知，当温度为25~40 ℃时，同一混合料的HI₁和HI₂变化小，只有10%~30%；当温度为60 ℃时，HI₁和HI₂较40 ℃时有较大增长，60 ℃时可达到60%，近似40 ℃的2倍；当温度为80 ℃和100 ℃时，虽然HI₁和HI₂随着温度的升高持续增长，但增长率显著小于40~ 60 ℃的增长率。可认为愈合时间为8 h时，当温度超过60 ℃后，继续升温对自愈合性能改善效果有限，甚至在长时间高温状态下，还会导致沥青混合料中的沥青发生热氧老化，反而影响沥青混合料的性能。HI₃与试件切缝深度有关，3种混合料的HI₃随温度变化存在一定差异，但均随温度的增加而增大。沥青混合料在不同温度中表现的自愈合差异可从沥青软化点角度解释，本研究中，SBS沥青软化点为67 ℃，当温度达到沥青软化点时，沥青软化，在开裂面流动并填充裂缝。SBS聚合物属于苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物，聚苯乙烯的物理交联和硫化增强作用增强了SBS改性沥青的弹性，SBS改性沥青链段弹性恢复和沥青分子流动扩散共同促进了SBS改性沥青混合料的自愈合^[24]，当温度接近沥青软化点时，沥青混合料有较好的自愈合效果。当温度超过沥青软化点后，沥青在长时间高温状态下可能会发生热氧老化，从而降低沥青混合料的性能。这说明沥青混合料在愈合过程中存在一个有效愈合温度，该温度与沥青软化点有关。

3种沥青混合料最佳沥青用量大小顺序为:SMA-20＞AC-13＞AC-20。但从图 3可知，同一愈合条件下，3种沥青混合料HI_s(包括HI₁，HI₂和HI₃)的大小顺序基本表现为：AC-13＞SMA-13＞AC-20。这说明同种沥青制备的沥青混合料，其自愈合性能除了受沥青用量的影响，还受级配类型和矿质集料粒径的影响。当采用HI₁和HI₂评价沥青混合料的愈合性能时，AC-20混合料的HI₁和HI₂最小，这主要是因为AC-20沥青混合料的最大公称粒径较大，在低温环境中大粒径矿料发生脆性断裂，导致在愈合时矿料断面需要黏附较多沥青才能形成完整的沥青膜，而AC-20混合料的最佳沥青用量最低，因此AC-20混合料的HI₁和HI₂最小。而对于SMA-13混合料和AC-13混合料，虽然SMA-13混合料的最佳沥青用量大于AC-13混合料的最佳沥青用量，但SMA-13混合料属于骨架-密实型结构，混合料级配中粒径为4.75 mm以上的矿质集料含量多，开裂的矿料在愈合时表面积大，需要黏附更多沥青，因此其愈合性能低于AC-13混合料。当采用HI₃评价时，HI₃指标定义与试件切缝深度有关，导致3种混合料之间愈合性能的差异并不像HI₁和HI₂那样有规律，但总体来说还是AC-13混合料的愈合性能最好，AC-20混合料的愈合性能最差。

根据沥青混合料的时温等效原理，时间也是影响混合料愈合性能的主要因素。图 4为切缝深度为15 mm的沥青混合料在60 ℃环境中经不同时间愈合后的愈合指数HI_s(包括HI₁，HI₂和HI₃)随时间的变化关系。由图 4可知，HI_s随时间变化的趋势与不同温度环境中的变化趋势是相似的，均随愈合时间的增加而增加，当愈合时间从2 h增长到8 h时，HI_s增长较快，但当时间从8 h到12 h时，HI_s值虽然持续增加，但增长速率小于2~8 h。因此，当愈合温度为60 ℃时，考虑沥青混合料的时温效应及热氧老化的影响，混合料的有效愈合时间宜为8 h。此外，经同一时间加热愈合后，AC-13混合料的愈合性能最好，其次是SMA-13混合料，AC-20混合料的愈合性能最差，这与不同温度愈合后的结果是相同的。

图 4 愈合指数随时间变化关系 Fig. 4 Relationships of healing indexes varying with time

不同切缝深度可以间接表示半圆试件愈合前的开裂程度。图 5为沥青混合料在8 h和60 ℃条件下愈合后HI₁和HI₂与切缝深度的变化关系。可以看出，HI₁和HI₂随切缝深度近似线性下降，切缝越深，裂纹扩展越长，开裂程度越大，相同条件愈合后愈合指数小。对于同一深度切缝试件，3种沥青混合料HI₁和HI₂的大小顺序是：AC-13＞SMA-13＞AC-20。

图 5 愈合指数随切缝深度变化关系(8 h, 100 ℃) Fig. 5 Relationships of healing indexes varying with notch depth (8 h, 100 ℃)

(1) 采用SCB试验评价沥青混合料宏观开裂后的自愈合性能是可行的，低温开裂的沥青混合料在一定环境中能发生自愈合，如在100 ℃环境中养护8 h后，愈合指数HI_s(HI₁，HI₂，HI₃)超过50%。

(2) 温度和时间是影响混合料愈合性能的主要因素。愈合温度与愈合时间存在一个有效愈合期，超过该愈合期后，持续提高温度和延长时间对愈合能力无显著提高，且沥青混合料在长时间高温条件下会产生热氧老化，影响沥青混合料的性能。当愈合时间为8 h时，半圆试件在60~100 ℃时HI_s值的增长率小于25~60 ℃时HI_s值的增长率，即在8 h条件下有效愈合温度为60 ℃；当愈合温度为60 ℃时，HI_s值在愈合时间为2~8 h的增长速率大于8~12 h的增长速率，即在60 ℃环境中有效愈合时间为8 h。此外，在相同愈合条件下，损伤程度越大，愈合性能越低。

(3) 基于同种沥青制备的沥青混合料，对混合料自身材料来讲，其自愈合性能除了与沥青用量有关外，最主要还受混合料级配类型的影响，这与断裂面沥青的裹覆面积有关。本研究中AC-13混合料的HI_s最大，其次是SMA-13混合料，AC-20混合料愈合指数最小，说明AC-13混合料愈合性能最好，AC-20混合料愈合性能最差。

(4) 分析了基于SBS改性沥青制备的AC-13，SMA-13和AC-20混合料的自愈合性能，仅讨论了不同级配对混合料自愈合性能的影响，未讨论沥青种类对混合料自愈合性能的影响和不同沥青混合料在中、高温下的断裂-愈合性能，也未涉及沥青混合料疲劳开裂愈合性能的研究。在今后的研究中应加强沥青种类、用量、级配、空隙率等对自愈合性能的影响，为优化混合料设计提供参考。