马立杰,杨春风,孙吉书

(1.河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401；2.华北理工大学 建筑工程学院，河北 唐山 063210)

1 研究背景

我国公路建设发展迅速，2018年末全国公路总里程已达484.65×104km，沥青混凝土路面由于良好的使用性能在公路路面中所占的比重越来越高[1]。沥青路面虽具有较好的柔韧性、延展性、黏弹性等特性，但其性能也会在交通荷载和环境因素的作用下逐渐劣化。裂缝是沥青路面最常见的病害之一，由重复荷载、沥青老化及温度作用等引起，极大地降低了沥青路面的力学性能及耐久性[2]。

众所周知，当沥青混合料暴露在温度较高的环境中时，能够实现裂缝的自我修复。这种能力归因于沥青的热塑性(沥青的黏度随温度的升高而降低)，称为自愈合特性[3-4]。利用这一特性可以制造具有裂缝愈合特性的沥青混合料，并通过外部辅助加热的方式加快自愈进程。加热沥青混合料的外部热源有感应加热和微波辐射[5-6]。感应加热以千赫的频率施加交变电磁场，在混合料中的铁质颗粒中产生感应电流，通过焦耳原理使其温度升高。而微波辐射加热采用频率高于感应加热频率的交变电磁场，以兆赫为单位，引起混合料中极性分子取向的改变，从而导致内部摩擦和材料温度的升高。研究人员通过比较这两种加热技术发现微波技术比感应加热更能有效地修复裂纹[7]。为了进一步提高沥青混合料的微波自愈合特性，一些学者尝试在沥青混合料中加入各种添加剂。其中，金属添加剂是近年来的研究热点[8]。Gallego等[9]研究表明，在沥青混合料中添加钢丝绒纤维可以提高沥青混合料的微波自愈合特性。但添加钢丝绒纤维的方法存在一个缺点：纤维容易聚集成球，增加了混合料的空隙含量，有可能降低混合料的力学性能[10]。为此，有部分学者使用其他金属添加剂(例如不形成簇状的金属废料、钢渣、铁矿石、羰基铁粉等)替代钢丝绒纤维[11-13]。Wang Zhenjun等[14]和高海涛等[15]研究了羰基铁粉的微波吸收特性及其在沥青混合料中的应用，表明了羰基铁粉在微波修复方面的潜在优势。Yoshikawa[16]和Franesqui等[17]将金属粉末加入沥青混合料中替代部分矿粉，发现沥青混合料的微波加热更加快速高效。孙建勋[18]探究了钢刨花等废金属纤维对沥青混合料路用性能的影响，验证了钢刨花在沥青混合料中应用的可行性。钢渣在沥青混合料中的应用研究较多，周朝刚等[19]、何亮等[20]和孙吉书等[21]均在钢渣沥青混合料及其自修复方面开展过研究，为钢渣沥青混合料的设计及应用提供了科学依据。但考虑到材料来源、成本及自愈合效果，不同金属添加剂的应用前景各异，且目前相关对比研究较少。

为探究不同金属添加剂对沥青混合料愈合特性的影响，本文选取产量大、成本低、应用前景广阔的钢丝棉纤维、钢刨花和钢渣3种金属添加剂，对比了不含金属添加剂的普通沥青混合料以及添加钢丝棉纤维、钢刨花和钢渣的沥青混合料的微波加热效率和裂缝愈合能力。此外，本文还对不同金属添加剂对沥青混合料的路用性能的影响进行了分析，对自愈沥青混凝土的制备和推广具有一定的借鉴意义。

2 材料与试验方法

2.1 原材料

本次试验的沥青采用SBS改性沥青，SBS改性沥青的性能指标如表1所示。本次试验的集料为玄武岩，主要指标检测结果均满足规范要求。

表1 SBS改性沥青性能指标

图1为金属添加剂，参考相关文献[13-15]及实际试验经验，确定如下金属添加剂的规格及掺量：钢丝棉纤维(图1(a))为密度7.180 g/cm3的低碳钢，钢丝棉纤维的平均直径为0.129 mm，长度范围为2～16 mm，掺量为沥青总体积的4%。钢刨花(图1(b))为密度7.980 g/cm3的铁素体不锈钢刨花，平均宽度为1.320 mm，长度在3～20 mm范围内。刨花为螺旋及长卷形状，掺量为沥青总体积的4%。钢渣(图1(c))的密度为3.276 g/cm3，粒径在0.6～1.5 mm之间，掺量为沥青总体积的4%。

图1 试验用金属添加剂

2.2 矿料级配设计

沥青混合料采用AC-13级配，根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)进行配合比设计，图2为矿料级配曲线。根据马歇尔设计法，确定最佳沥青用量为4.5%。

3 试验结果与分析

3.1 不同金属添加剂对沥青混合料路用性能的影响

3.1.1 不同金属添加剂对沥青混合料高温性能的影响 加入金属添加剂后沥青混合料的高温性能采用车辙试验来进行评估。车辙试验采用300 mm×300 mm×30 mm的沥青混合料车辙板试件，试验温度为60℃。采用橡胶轮模拟实际车辆的轮胎，控制橡胶轮与沥青混合料试件表面的接触应力为0.7 MPa。橡胶轮的行走速度为42次往返/min，持续60 min或最大变形达到25 mm时停止试验[23]。在变形稳定发展期间形成1 mm变形所需的运动次数称为动稳定度，用以评价沥青混合料的高温性能，动稳定度数值越大表明沥青混合料的高温性能越好。

图3为金属添加剂对动稳定度的影响。从图3可以看出，添加不同类型的金属添加剂后，沥青混合料的动稳定度均有不同程度的提高。添加钢丝棉纤维、钢刨花以及钢渣后沥青混合料的动稳定度分别增加了2.98%，2.48%和1.82%，表明金属添加剂可以提高沥青混合料的高温性能。沥青混合料的高温性能受沥青性质、矿料特性、骨架结构、沥青与矿料相互作用等多种因素影响。

钢丝棉纤维和钢刨花对沥青具有一定的吸附和稳定作用，提高了沥青混凝土中结构沥青所占的比例，沥青的抗车辙性能得到提高。

钢渣的作用机理与钢丝棉纤维和钢刨花的作用机理不同，粒径小的钢渣使沥青混合料空隙减少，沥青混合料的整体结构更加密实，高温抗车辙能力得到提高。

图2矿料级配曲线 图3不同金属添加剂对动稳定度的影响

3.1.2 不同金属添加剂对沥青混合料低温性能的影响 采用-10℃低温小梁三点弯曲试验对加入金属添加剂后的沥青混凝土的低温性能进行评价。试件尺寸为250mm×30mm×35mm，从车辙板上切割得到，弯曲试验的加载速率为50 mm/min。

金属添加剂对弯拉应变的影响如图4所示。由图4可看出，钢丝棉纤维和金属刨花的加入对沥青混合料的低温弯曲特性具有增强效果，弯拉应变分别提高了15.89%和10.26%，而钢渣则作用不明显。纤维状材料加入后，随机分布于混合料中形成空间网络结构，可有效限制矿料颗粒的滑移，且纤维可吸附自由沥青，在微裂纹处的纤维也可起到应力传递的作用，有利于混合料的强度和变形，因而加入钢丝棉纤维和金属刨花后沥青混合料的弯拉性能有所提高。钢渣在沥青混合料中类似于矿料和填料，对拉伸特性作用微弱，因此，钢渣对沥青混合料的低温弯拉特性影响不明显。

3.1.3 不同金属添加剂对沥青混合料水稳定性的影响 金属添加剂对沥青混合料抗水损害性能的影响采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来进行检验。将试件在60℃水中浸泡2 d后进行浸水马歇尔试验。试件浸水后测得的稳定度与标准马歇尔试验测得的稳定度之比称为残留马歇尔稳定度(简称残留稳定度)，可用作沥青混合料水稳定性的评价指标之一。

冻融劈裂试验采用的马歇尔试件经过两面各击实50次成型。冻融过程中将试件在97.3～98.7 kPa的真空下浸泡15 min后在水中放置0.5 h。然后用塑料袋装下试件并加入10 mL水后封口，放于-18℃条件下冷冻16 h，接着将试件放置于60℃水中24 h。进行劈裂试验前需将试件放在25℃水中保温2 h，试验加载采用50 mm/min的加载速率。由冻融劈裂试验得到的评价指标称为劈裂抗拉强度比，为冻融后沥青混合料的劈裂强度与冻融前沥青混合料的劈裂强度的比值[22]。

金属添加剂对残留稳定度和冻融劈裂强度的影响分别如图5和6所示。由图5和6可看出，普通沥青混合料以及添加钢丝棉纤维、钢刨花以及钢渣的沥青混合料的残留稳定度分别为86%、90%、92%和89%，冻融劈裂强度比分别为88%、92%、93%和89%。从以上数据可以看出，添加金属纤维后，沥青混合料的抗水损害能力增强，而添加钢渣的沥青混合料水稳定性能略有提高。原因在于钢丝棉和钢刨花等纤维状材料在混合料中可抵抗混合料内部产生的拉伸应力，在热水浴及冻融膨胀作用下可分担内部应力，保护结构的完整性，因此沥青混合料的水稳定性能相对提高。钢渣的加入使得混合料的结构更为密实，抵抗水损坏的能力略有提高，但效果不如纤维状材料。

3.2 不同金属添加剂对沥青混合料微波加热速率的影响

微波加热设备采用频率为2.45 GHz、额定功率为800 W的家用微波炉。将采用模具90 mm×130 mm×60 mm成型的沥青混合料试件放在微波炉中加热，室温为23℃。试件温度采用红外热成像仪进行测量。

对各沥青混合料试件分别加热2、5和8min后测量温度。图7为不同金属添加剂对微波升温速率的影响，从图7可以看出，普通沥青混合料、添加钢丝棉纤维、钢刨花以及钢渣的混合料的升温速率分别为7.90、9.66、9.18、11.02 ℃/min。由此可以看出，加入金属添加剂后，升温速率均有所提高，添加钢丝棉纤维、钢刨花以及钢渣后沥青混合料的升温速率分别提高了22.28%、16.20%和39.49%。钢渣对升温速率的影响最为明显，这是因为钢渣在沥青混合料中分布更为均匀。

图4不同金属添加剂对弯拉应变的影响 图5不同金属添加剂对残留稳定度的影响

图6不同金属添加剂对冻融劈裂强度比的影响 图7不同加热时间下金属添加剂对微波升温速率的影响

3.3 不同金属添加剂对沥青混合料微波愈合特性的影响

图8为半圆试件的三点弯曲试验。半圆混合料试件的直径为100 mm，厚度为30 mm，试件底部中间位置处切割一个10 mm深、3 mm厚的缺口，支点间距为80 mm，在-20℃下进行了三点弯曲试验，加载速率为0.5 mm/min。试件破坏后放置在室温下直至试件温度达到室温，然后将试件放置于功率为800W、频率为2.45GHz的微波炉中加热自愈。加热时间为45 s，加热后置于室温下5 h，然后将试件置于试验机保温箱内放置3 h后进行三点弯曲试验，记录峰值荷载。自愈循环后与循环前的三点弯曲试验峰值荷载的比值定义为愈合系数。

不同金属添加剂对沥青混合料微波愈合特性的影响如图9所示。从图9中看出，添加金属添加剂后沥青混合料的微波裂纹愈合能力均得到不同程度的提高。经过一次微波愈合过程，添加钢丝棉纤维、钢刨花以及钢渣的沥青混合料的愈合能力相比普通沥青混合料分别提高了9.44%，3.78%和16.99%。愈合特性最好的是钢渣沥青混合料，其次是钢丝棉纤维沥青混合料，最后是钢刨花沥青混合料。沥青混合料的自愈特性与沥青的温度敏感性有关，沥青在高温下会产生流动，一般来说，温度越高，流动性越强，时间越长，流动量越大。微波加热采用的交变高频电磁场引起极性分子取向改变摩擦生热，添加金属添加剂后微波加热的速率得到提高，相同微波加热时间内，沥青混合料的温度越高，则沥青的流动性越好。且温度越高，降低到相同温度的时间越长，这就意味着沥青的流动时间更长。从微波加热效率试验中可以看出，钢渣的升温速率最快，这就意味着加热相同时间，钢渣沥青混合料的温度最高，沥青的流动性最好，可流动时间也最长，越有利于裂缝部位的愈合。

此外，从图9也可以看出，对于多次愈合来说，随着愈合循环次数的增加，各沥青混合料的愈合性能逐渐降低，这是由于每次的愈合并非沥青混合料的完全修复，且反复加热引起一定程度的沥青老化，进而影响了愈合效果。

图8半圆试件的三点弯曲试验(单位：mm) 图9不同金属添加剂对沥青混合料微波愈合特性的影响

4 结 论

本文比较了钢丝棉纤维、钢刨花和钢渣3种金属添加剂对沥青混合料的路用性能、微波加热效率和裂缝愈合能力的影响。经过对试验结果的分析，得到以下结论：

(1)钢丝棉纤维、钢刨花和钢渣3种金属添加剂可以不同程度地改善沥青混合料的路用性能，但作用机理略有不同。

(2)添加金属添加剂后，沥青混合料的升温速率均有所提高，添加钢丝棉纤维、钢刨花以及钢渣后沥青混合料的升温速率分别提高了22.28%、16.20%和39.49%。钢渣对升温速率的提高最为明显，这是因为钢渣在沥青混合料中分布更为均匀。

(3)添加金属添加剂后，沥青混合料的微波裂纹愈合能力均得到不同程度的提高。经过1次微波愈合过程，添加钢丝棉纤维、钢刨花以及钢渣的沥青混合料的愈合能力相比普通沥青混合料分别提高了9.44%，3.78%和16.99%。愈合特性最好的是钢渣沥青混合料，其次是钢丝棉纤维沥青混合料，最后是钢刨花沥青混合料。