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微膠囊對瀝青混合料疲勞與自愈性能影響研究
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微膠囊對瀝青混合料疲勞與自愈性能影響研究
2022年08月26日    閱讀量:20549    新聞來源:瀝青網 sinoasphalt.com  |  投稿

摘 要

微膠囊在增強瀝青自愈合性能、延長瀝青路面使用壽命方面具有非常大的潛力。首先,利用紅外光譜定量分析方法,評價了微膠囊在瀝青混合料中的存活率。然后,利用瀝青黏結強度試驗對含有微膠囊的瀝青進行拉拔測試,借助熒光顯微鏡觀測拉拔斷面中微膠囊的激活行為瀝青網sinoasphalt.com。在此基礎上,利用四點彎曲疲勞試驗研究微膠囊對瀝青混合料疲勞與自愈合性能的影響。研究結果表明,微膠囊在溫拌瀝青混合料的存活率可達69.87%,比在熱拌瀝青混合料中高9.64%。在常溫條件下,微膠囊可以被瀝青中的裂縫激活并釋放再生劑。微膠囊對瀝青混合料的初始抗疲勞性能有顯著增強作用,主要因為微膠囊在施工期間和加栽過程中釋放出的再生劑軟化了瀝青,降低了瀝青混合料試件的內部應力并極大程度上加速裂紋愈合。適量的微膠囊能夠顯著增強瀝青混合料的自愈合性能,而且隨著“疲勞-愈合”次數的增加,微膠囊對瀝青混合料自愈合性能增強作用逐漸凸顯。


關鍵詞

路面工程 | 瀝青混合料 | 微膠囊 | 自愈合


瀝青材料已成為世界范圍內應用最廣泛的路面材料之一。瀝青路面出現的裂紋如不能及時閉合,將會發展成為宏觀裂縫,路表水由此進入路面內部,將加速路面破壞。受到生物體傷口自愈合機制的啟發,國內外學者通過各種手段增強瀝青混合料的自愈合能力[1]以達到延長路面使用壽命的目的。


目前,主要利用感應加熱[2]和添加含愈合劑的膠囊[3]、納米顆粒[4]等手段增強瀝青材料自愈合性能。其中,含愈合劑的膠襄具有初步的智能修復效果,即微膠囊可感知裂紋,自動釋放愈合劑促進裂紋愈合,因此具有極大的應用前景。2008年,Garcia等提出了基于膠囊化技術增強瀝青自愈合性能的構想[5]。之后,國內外學者研發了多種包裹愈合劑的膠瘓,包括多孔砂膠囊[6]、海藻酸鈣膠囊[7]、聚合物微膠囊[8-10]、聚合物纖維[11,12]等。重點研究了膠囊在瀝青材料中的應用效果,發現膠囊能夠均勻地分布在瀝青中[13],而且能夠明顯提高瀝青的自愈合速率[14-16]。然而,目前的研究集中于微膠襄對瀝青膠結料性能的影響,而微膠囊在瀝青混合料中的應用效果研究相對較少。顯然,微膠囊在瀝青混合料中的存活與激活行為與其作用效果密切相關,而基于微膠囊的存活與激活行為可以更好地解釋微膠囊對瀝青混合料的疲勞與自愈合性能影響。


本試驗在分析微膠囊在瀝青混合料中的存活率和激活行為的基礎上,研究了微膠囊對瀝青混凝土疲勞與自愈合性能影響。

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試驗材料與方法


試驗材料


本研究所用微膠囊的囊壁為三聚氰胺-尿素-甲醛(melamine-urea-formaldehyde,MUF)樹脂,囊芯材料為瀝青再生劑。如圖1所示,微膠囊的外觀為白色粉末,微觀形態為規則球體,其平均粒徑為24.43μm,載藥量為75.41%。微膠囊的掃描電鏡圖像顯示,微膠囊囊壁由致密內壁和粗糙外壁構成,此特點對微膠囊應用于瀝青混合料是非常有利的。致密的內壁可以避免再生劑過早泄露,而粗糙外壁利于增強微膠囊與瀝青的黏結強度。再生劑性質見表1。

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瀝青混合料類型為AC-13,其中膠結料為泰普克70號基質瀝青,其主要技術指標測試結果見表2,完全滿足規范[17]要求。另外,4.75mm及以上粒徑集料為玄武巖,4.75mm以下粒徑集料為石灰巖,礦粉由石灰巖磨細而得。瀝青混合料的級配見表3,油石比為4.5%。本研究所用溫拌劑為蠟質DXH溫拌劑,其性質見表4。

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試驗方法


(1)微膠囊存活率測定方法


在瀝青混合料的拌和與壓實過程中,微膠囊應能夠抵抗高溫和機械攪拌作用。為了提高微膠囊在瀝青施工過程中的存活性,降低微膠囊過早破裂對混合料性能影響,有必要準確測定微膠囊在瀝青混合料中的存活率。


文獻[18]將微膠囊存活率(SurvivalRate,SR)定義為,經歷拌和、攤鋪和輾壓后保持形態完好的膠囊數最與初始微膠囊數量之比。通常,微膠囊的存活率以施工后微膠囊破裂后釋放到瀝青中的芯材量(m reloasedoil)與摻加的全部微膠囊的芯材量(m,lotal oil in capsules)之比表示,計算式見式(1)[2]。其中,難點在于準確測定在施工過程中微膠囊破裂后釋放到瀝青中的芯材量。文獻[2,19]報道了瀝青中芯材濃度與紅外光譜吸收峰面積成線性關系,因此可以用芯材吸收峰面積定量分析瀝青中芯材濃度。本研究基于傅里葉紅外光譜定量分析法,測定微膠囊芯材的釋放量,具體試驗步驟見文獻[2]。

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(2)微膠囊激活行為評價方法


本研究采用黏結強度(bitumen bond strength,BBS)試驗模擬瀝青材料在拉應力作用下的開裂,研究瀝青開裂時微膠囊的激活行為。按照AASHTO TP-91的規定,在20℃條件下進行BBS試驗,然后利用熒光顯微鏡觀測斷面中微膠囊的形態,評價微膠囊在瀝青開裂時的激活行為。


(3)四點彎曲疲勞試驗


本研究確定采用四點彎曲疲勞試驗,研究微膠囊對瀝青混合料疲勞與自愈性能的影響。根據JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中相關規定進行四點彎曲疲勞試驗,試驗溫度為15℃,正弦波加載頻率為10Hz,應變為550μe。以第50個循環得到的彎曲勁度模量為試件的初始勁度模量,當混合料勁度模量下降至初始模量的50%時中止試驗,此時加載次數為疲勞壽命。將試件放在30℃恒溫環境箱中保溫愈合24h,待愈合時間結束后,在15℃條件下靜置至少4h。以相同的應變和加載模式進行第2次疲勞試驗-第2次愈合-第3次疲勞試驗。試驗結束后,各試件的自愈合指標按式(2)和(3)進行計算。

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微膠囊在瀝青混合料中的存活與釋放行為


微膠囊的存活行為


摻加微膠囊的瀝青混合料制備直徑100mm的馬歇爾試件,將試件置于110℃恒溫箱中保溫2h,待瀝青軟化后手工掰散。借助熒光顯微鏡觀察微膠囊在集料表面的形貌,能夠更直觀地研究微膠囊在瀝青混合料施工過程中的存活行為,如圖2所示。雖然微膠囊被聚合物囊壁包裹,但由于微膠囊囊壁較薄,在紫外線照射下仍能發出熒光。黃綠色圓點是存活的微膠囊,暗綠色背景是瀝青。與熱拌瀝青混合料相比,溫拌瀝青混合料中存活的微膠囊更多。

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為了量化微膠囊在瀝青混合料中的存活率,基于紅外光譜定量分析方法,實測了不同施工溫度條件下瀝青混合料中微膠囊的存活率,結果如圖3所示。在不同施工溫度下,微膠囊存活率存在顯著差異,溫拌條件下微膠囊的存活率更高,與熒光顯微鏡的觀測結果一致。當施工溫度由165℃降低至135℃時,微膠囊的存活率提高了9.64%??梢詮膬煞矫娼忉尨爽F象:一方面,溫度升高導致微膠囊力學強度下降[20],可能會降低微膠囊在攪拌過程中的存活率。另一方面,施工溫度的升高導致微膠囊芯材的體積膨脹,由于囊壁的約束,微膠囊囊壁所承受的內力增大,微膠囊破裂的風險相應升高??傊?,是多方面的原因共同導致施工溫度升高時微膠囊在施工過程的存活率降低。在后續的研究中,以溫拌瀝青混合料為主要研究對象,評價微膠囊對瀝青混合料的疲勞與自愈性能研究。

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微膠囊的釋放行為


摻加微膠囊的瀝青經過BBS測試后,用熒光顯微鏡觀測斷面中微膠囊形態,如圖4所示??梢郧逦目吹轿⒛z囊外圈存在一定厚度的暗環,是微膠囊囊壁斷面,說明瀝青材料斷裂時微膠囊可被裂縫成功激活并釋放再生劑。

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瀝青混合料疲勞性能


圖5給出了溫拌瀝青混合料試件勁度模量隨加載次數的變化曲線。與AC-13瀝青混合料相比,摻加4%微膠囊的瀝青混合料勁度模量更小。這是因為在瀝青混合料施工過程,30.13%的微膠囊破裂釋放再生劑,瀝青材料被軟化。與摻加微膠囊的瀝青混合料相比,未摻加微膠囊瀝青混合料的勁度模量衰減速率更大,說明微膠囊增強了瀝青混合料的抗疲勞性能。

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為了量化微膠囊對瀝青混合料的疲勞性能的影響,以勁度模量衰減50%為疲勞破壞判定標準,不同微膠囊摻扯的溫拌瀝青混合料的疲勞壽命匯總于表5。圖6給出了微膠囊摻量對溫拌瀝青混合料疲勞壽命延長率的影響曲線。結合表5可以看出,添加微膠囊能顯著延長瀝青混合料的疲勞壽命。其中可能原因可以從三方面來考慮:首先,微膠囊在施工過程釋放出的少量再生劑軟化了瀝青,降低了混合料的勁度模量,在控制應變條件下,試件內應力更小,其疲勞壽命相應更長。其次,摻加微膠囊的瀝青更軟,瀝青混合料裂紋愈合速度更快,間接利于延長混合料疲勞壽命。最后,在瀝青混合料疲勞開裂時,微膠囊被激活釋放出再生劑,促進了裂紋愈合,同樣也助力于延長混合料的疲勞壽命。然而,值得注意的是,瀝青混合料的疲勞壽命并不是隨著微膠囊摻晝持續增長,圖6顯示當摻量超過4%時,瀝青混合料疲勞壽命隨摻量增長速率變緩。微膠囊摻量在4%以內時,每增加1%的微膠囊可以延長瀝青混合料疲勞壽命約20%。

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瀝青混合料自愈合性能


不同微膠囊摻量的溫拌瀝青混合料自愈指標見表6。

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為直觀分析微膠囊對混合料的自愈合指標的影響,對混合料的愈合指標進行歸一化處理,即以為未摻加微膠囊的瀝青混合料為基準,將試驗結果繪制成圖7和圖8。為了確定微膠囊的最佳摻量,利用二次多項式對瀝青混合料愈合指標-微膠囊摻量進行線性擬合,擬合結果和最佳微膠囊摻量見表7。

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圖7給出了不同摻量微膠囊對溫拌瀝青混合料HJ1的提高率,結合表7可以看出:


(1)HI^1隨微膠囊摻量呈現“先增后減”的現象。表7顯示了瀝青混合料的HI1與微膠囊摻量線性相關顯著,擬合R^2均大于0.9,而且最佳微膠囊摻量均在3.29%范圍。當微膠囊較少(小于3%)時,瀝青混合料的HI^1顯著提高,是因為微膠囊釋放出再生劑軟化瀝青,增強了瀝青自愈合能力,進而提高了瀝青混合料的。然而,當微膠囊摻扯繼續增加(大于3%)時,微膠囊釋放的過量再生劑將降低瀝青黏度,促進了微裂紋的愈合,但是由于微裂紋處的瀝青比其他位置的瀝青明顯更軟,這對于愈合后瀝青混合料的抗疲勞是不利的,即不利于疲勞壽命的恢復。如果微膠囊摻量繼續增大并超過6%,很可能會對瀝青混合料的HI^1產生負面影響。因此,微膠囊摻量宜少不宜多,根據瀝青混合料的“疲勞-愈合-疲勞”試驗結果可以確定其最佳摻量。


(2)第一次愈合時,溫拌瀝青混合料的HI^1提高了2.63倍,而第二次愈合時,HI^1分提高了3.23倍。這一現象說明隨著瀝青混合料服役時間的延長,微膠囊對混合料愈合性能的增強作用逐步凸顯。


HI^2綜合考慮了瀝青混合料的力學性質和疲勞性能恢復情況,可反映出瀝青混合料的裂紋愈合能力。由圖8可以看出,HI^2與HI^1的變化規律相似度極高,微膠囊的最佳蟬聯為3%~4%。


結論


基于微膠囊在瀝青混合料中的存活與激活行為,研究了微膠囊對瀝青混合料疲勞與自愈合性能的影響,主要得到以下結論:


(1)施工溫度顯著影響微膠囊在瀝青混合料中的存活率。施工溫度由165℃降低至135℃時,微膠囊的存活率可提高9.64%??赏ㄟ^降低瀝青混合料的施工溫度提高微膠囊的存活率。


(2)利用熒光顯微鏡觀測到,20℃條件下瀝青斷裂時微膠囊能夠順利地被激活并釋放再生劑。


(3)微膠囊可顯著增強瀝青混合料的初始抗疲勞性能,主要因為微膠囊在施工期間和加載過程中釋放出的再生劑軟化了瀝青,降低了瀝青混合料試件的內部應力并極大程度上加速裂紋愈合。微膠囊摻量在4%以內時,每增加1%的微膠囊可以延長瀝青混合料疲勞壽命約20%。


(4)適量的微膠囊能夠顯著增強瀝青混合料的自愈合性能。瀝青混合料自愈合指標與微膠囊摻量呈二次線性關系,在30℃愈合溫度下的最佳微膠囊摻量約為3%~4%。隨著“疲勞-愈合"循環次數的增加,微膠囊對瀝青混合料自愈合性能增強作用逐漸凸顯,含微膠囊瀝青混合料的HI^1的增長率由263%增至323%。


標簽:綜合論文,技術中心,瀝青混凝土
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