许 恒 谭练武

(1.湖南省建筑设计院，湖南 长沙 410011； 2.长沙市规划设计院有限责任公司，湖南 长沙 410007)

沥青混合料自愈合性能研究进展综述

许 恒1谭练武2

(1.湖南省建筑设计院，湖南 长沙 410011； 2.长沙市规划设计院有限责任公司，湖南 长沙 410007)

结合沥青混合料自愈合行为理论，分析了影响沥青混合料损伤愈合性能的因素，并对损伤愈合性能的评价方法进行了研究，提出了提高沥青混合料损伤愈合性能的方法，为发展具有高抗疲劳开裂能力的路用沥青混合料奠定了基础。

沥青混合料，自愈合，疲劳损伤，评价

0 引言

沥青混合料的疲劳开裂是指在重复荷载作用下其力学性能逐渐衰减，疲劳裂纹不断产生、发展，最终汇集贯通成宏观裂缝直至破坏的行为历程，而沥青混合料自愈合则指混合料在一定条件下通过自身作用使得混合料强度、刚度的恢复以及疲劳寿命的延长，它是疲劳破坏的逆过程[1]。

自1967年Bazin等[2]发现沥青混合料具有自愈特性以来，沥青混合料自愈合性能研究受到道路科研工作者的广泛关注，人们希望能够弄清沥青混合料自愈合的形成机理和影响因素，找到合适的方法提升沥青混合料的自愈能力，以抵抗沥青混合料的疲劳开裂，延长沥青路面的服务寿命。目前，国内外学者的成果内容主要集中在损伤愈合行为特征理论、损伤愈合影响因素、损伤愈合性能评价及提高方法等方面。

1 损伤愈合行为理论

自愈合行为理论一直被认为是沥青混合料自愈合研究的基础工作。根据现有研究成果，沥青混合料自愈合行为理论主要有基于裂缝表面能、基于裂缝表面分子扩散与基于毛细流理论三种。三种理论试图从不同的角度去解释沥青混合料的损伤愈合行为，取得了一定的效果，但由于沥青混合料损伤愈合特性形成机理极其复杂，三种理论解释都存在较大的局限性。

Schapery基于裂缝表面能提出了断裂力学基本方法，用以解释沥青混合料的自愈合行为，认为沥青混合料自愈的动力为裂缝表面能的降低[3]。在裂缝表面能理论中，沥青混合料的疲劳开裂和愈合表现为混合料中的裂缝表面积变化。混合料在产生裂缝的过程中，由于拉伸蠕变作用所耗散的能量转变为新裂缝的表面能，而裂缝的自愈合过程是它的逆过程，促使这种逆过程的动力则为混合料裂缝表面能的降低。此种理论较好地从能量角度解释了混合料自愈特性产生的原因，但是断裂力学多应用于脆性材料，对于沥青混合料这种复杂的粘弹性材料应用具有局限性，同时也不能解释混合料愈合的发展过程和发展规律。

裂缝表面分子扩散理论从沥青分子扩散的角度将混合料的愈合过程分解为表面湿润与固有愈合两个进程，并考虑了沥青材料的粘弹性，引入了弹性和粘弹性的对应法则[4,5]，认为混合料自愈合是裂缝损伤区域的分子运动及重新组合的逆过程。裂缝表面分子扩散理论在材料特性的考虑上有了一定的改进，但模型只适用于简单分子聚合物微小裂缝的自愈情况，无法解释沥青混合料这类复杂高分子材料在产生较大宏观裂缝也能自愈的现象。

裂缝表面能理论及裂缝分子扩散理论均认为沥青混合料自愈合的动力为沥青质在混合料微裂缝中的流动和扩散。但是，通常这种在微裂缝中的流动和扩散作用在裂缝宽度较大时无法运行，这与沥青混合料中的较大裂缝在适当的温度环境中通过较长的时间仍能够完全愈合的情况相矛盾。针对这一事实，Garcíalvaro[6]提出了基于毛细流动理论的混合料自愈理论模型，该理论模型综合分析了裂缝表面分子扩散能与毛细动力作用，很好地解释了沥青混合料在颗粒之间未接触也能愈合的现象，但是模型要求沥青处于牛顿液体状态，不适于较低温度下的沥青混合料损伤自愈行为的分析。

2 损伤愈合影响因素

影响沥青混合料损伤愈合性能的因素众多，根据影响因素的作用特点可分为内部影响因素和外部影响因素两大类。混合料内部影响因素主要有沥青物理性质、沥青化学成分、表面自由能、混合料体积特性、添加剂等；外部影响因素主要有间歇时间、周边环境、荷载、损伤程度、侧压应力、沥青老化程度等。

沥青的物理性质主要考虑沥青针入度与软化点，它们能够综合反映沥青的粘弹性、塑性等各项物理力学性能。研究认为具有高针入度与低软化点的沥青损伤愈合性能较好[7-9]。

Williams，Kim，Santagata等通过考虑两性氧化物，芳香族有机物，蜡含量，硫、氧、氮等杂原子含量，低分子化合物含量各不相同的沥青，证实了沥青的化学组成对于沥青的损伤愈合性能有显著的影响[10-12]。Grant和Kim的研究成果表明沥青混合料的集料级配和表面特性对沥青混合料的损伤愈合性能有重要影响[13]。

同济大学孙大权等[17]采用动态剪切流变仪，对分别添加SBS、岩沥青、表面活性剂3种改性剂的基质沥青进行间歇疲劳加载试验研究，发现添加SBS改性剂使沥青混合料自愈能力明显大于基质沥青；而添加岩沥青使得沥青变硬，不利于沥青质的流动，使得混合料自愈能力减弱；添加表面活性剂的沥青与基质沥青相比，自愈能力稍有增强。

荷载作用是影响沥青混合料损伤愈合性能的重要因素，荷载间歇期越长，混合料愈合越彻底；同时，沥青的愈合能力随着加载次数增多，损伤积累而不断下降[2]。影响沥青混合料的环境因素主要有温度和湿度，当环境温度足够高时沥青混合料能够快速、彻底的自愈。

Zollinger的研究表明湿度过大对沥青的粘合作用不利[18]。Little和Van等通过室内与室外实验发现新建路面的自愈能力明显大于旧路面[16，18]。

3 损伤愈合性能评价方法

沥青混合料自愈性能的评价方法主要有试验评价以及理论评价两大类。基于评价指标与试验目的之间的差异，评价沥青混合料损伤愈合能力的试验方法不尽相同。间歇加载疲劳试验(Fatigue related healing tests with intermittent loading,FHI)是在疲劳试验中引入一定的间歇时间，在此间歇时间内沥青混合料性能能够得到一定恢复，试验中使用混合料劲度模量的恢复速率和疲劳加载次数的增幅来表征混合料的损伤愈合性能[19]。恢复疲劳加载试验(Fatigue-healing test with storage periods,FHS)则是通过荷载作用使沥青混合料产生疲劳破坏，然后引入不同长度的养护时间，观察养护之后沥青混合料的力学性能恢复情况，同样使用劲度模量与加载次数来评价损伤愈合水平[20，21]。裂缝恢复试验(Fracture related healing test,FRAH)直接在试件中引入裂缝，观察试件在不同条件下裂缝的愈合程度以及劲度模量的恢复水平[22，23]。

荷兰代尔夫特理工大学邱健[1]通过引入弹性基础小梁试验模型，采用间歇加载等一系列的试验方法对沥青及混合料自愈性能进行研究，取得了较丰富的研究成果。上述试验方法都采用了试件劲度模量的恢复来评价沥青混合料损伤愈合水平，但在越来越多的研究中发现，混合料劲度模量的恢复并不意味着混合料相同程度的强度提高与疲劳寿命延长，采用劲度模量作为评价指标的可靠性值得怀疑。

湖南大学谭练武[24]采用小梁试件的弯曲强度作为混合料愈合情况的主要评价指标，发现混合料小梁破坏时，弯曲劲度模量与弯曲强度的恢复在相同养护条件下趋势相同，但混合料小梁弯曲劲度模量恢复比例与弯曲强度的恢复比例并不相同，验证了混合料劲度模量的恢复并不意味着混合料相同程度的强度提高的观点。

沥青混合料自愈性能理论评价主要由湖南大学黄立葵等[25]提出，其在总结分析沥青混合料损伤愈合性能影响因素的基础上，采用隶属度函数对定量连续型与定性离散型指标进行量化，引入依次、共同评价原则以及改进的层次分析法(IAHP)，采用模糊综合评判理论，将定性指标与定量指标的分析结合起来，建立了多层次、多因素的沥青混合料损伤愈合性能评价指标体系，用于评价沥青混合料的自愈能力以及各种影响因素对混合料损伤愈合性能的影响。

4 损伤愈合性能提高方法

选择高损伤愈合能力的沥青混合料和对沥青混合料进行被动供能或物质补给是提高混合料损伤愈合能力的两种途径[26]。前者通过选择合适的沥青、集料、改性剂以及体积特性参数来主动提高混合料的损伤愈合能力[27]，但由于混合料自愈性能影响因素复杂繁多并相互影响，因此该方面研究有待进一步的深入；后者根据生命体损伤自愈合原理，采用加热、掺加含有界面粘合剂的胶囊等方法加速裂缝的愈合或封闭，从而实现沥青混合料自愈合能力的被动增强[28]。被动功能或者物质补给技术能够显著提高混合料的自愈合能力，但有一系列的技术难题有待解决。比如被动加热技术中，加热的具体方法、加热的最佳时机、加热的适当问题以及加热的持续时间都是影响加热成功与否的关键因素。

5 结语

综述近年来的研究，沥青混合料损伤愈合性能研究有了较大的发展，但仍存在对愈合性能形成机理认识不清晰、没有有效简便的愈合性能评价方法以及混合料自愈能力提升方法难以突破等关键问题，有待进一步研究。

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On survey of self-healing performance of asphalt mixture

Xu Heng1Tan Lianwu2

(1.HunanProvincialArchitecturalDesignInstitute,Changsha410011,China;2.ChangshaPlanning&DesignInstituteCompanyLimited,Changsha410007,China)

Combining with the self-healing behavior theory of the asphalt mixture, the paper analyzes the factors affecting the healing performance for the damage of the asphalt mixture, researches the evaluation methods for the damage to the healing performance, and points out the method to improve its healing performance of the asphalt mixture, so as to lay the foundation for the traffic asphalt mixture with high anti-fatigue and anti-crack capacity.

asphalt mixture, self-healing, fatigue damage, evaluation

1009-6825(2015)32-0104-03

2015-09-02

许 恒(1987- )，男，硕士，工程师; 谭练武(1989- )，男，硕士

TU535

A