沥青混合料裂缝自愈合修复技术

综合国内外最新研究成果对沥青混合料自愈合修复技术展开了全面地分析,介绍了沥青自愈的机理、沥青自愈合行为特征,综述了引入间歇期与环境温度的前提下沥青材料随时间自然愈合的相关研究。介绍了以升高温度来促进沥青自愈的感应加热技术、以再生剂辅助沥青自愈的微胶囊技术。添加微胶囊的沥青混凝土在产生裂缝时释放出胶囊内的再生剂,自愈效率快,但其成本高昂、技术要求高且只具备一次愈合功效。感应加热技术向沥青混凝土内添加导电纤维(如钢丝绒)并直接对沥青加热,愈合迅速且能够多次修复,相对于微胶囊技术具有较低的技术要求,具有更好的实用前景和价值,但仍需对该复合材料的力学性能、温度变化速率以及感应加热时机等方面进行研究。     

微胶囊自愈型沥青混合料制备及性能研究

沥青路面在车辆荷载和环境因素的共同作用下,通常出现裂缝、局部损伤等病害。为研究提高沥青路面裂缝自愈合性能的技术手段,对微胶囊选材及制备合成工艺、掺微胶囊的沥青及沥青混合料性能特征、微胶囊在混合料裂缝愈合中的作用机理等问题展开研究。通过高温车辙试验、小梁低温弯曲试验和冻融劈裂试验对掺入微胶囊的沥青混合料路用性能进行分析,综合考虑推荐微胶囊掺量为0.4%～0.6%。试验结果对微胶囊自愈型沥青混合料的使用、微胶囊技术的推广及应用具有一定指导意义。     

基于黏弹理论的橡胶改性沥青自愈性能研究

为研究橡胶改性沥青的自愈性能,从橡胶沥青的黏弹特性出发,测试了温度、持续时间对橡胶沥青黏弹性能的影响,分析基于黏弹理论的橡胶沥青自愈性能。采用DSR流变仪分析研究了温度扫描和时间扫描模式下橡胶沥青的自愈性能,评价了粉胶比、应力大小、损伤度对橡胶沥青自愈性能的影响,建立了橡胶沥青的自愈指数——损伤度的数学模型。研究结果表明:温度越高,持续时间越长,沥青材料的黏度越低,从而提高了分子的流态特性,有利于沥青材料实现自愈合;随着粉胶比的增加,橡胶沥青的布氏黏度逐渐增大,自愈能力降低;作用应力越大,自愈能力越小;自愈期前后的初始模量和损伤度基本相同,表明橡胶沥青实现了自修复,自愈性能较好;沥青材料自愈合性能与损伤度成反比,损伤度越大,材料的可恢复性越小,自愈合性能越不显著;通过自愈合指数方程,能够较准确预测不同损伤度条件下沥青材料的自愈合能力。     

微胶囊沥青混合料的裂缝自愈与路用性能研究

微胶囊沥青混合料具有一定的裂缝自愈能力,可延长沥青路面使用寿命,其研究已逐步引起重视。采用高压渗水试验评价微胶囊沥青混合料的自愈性能,研究微胶囊掺量、混合料属性(公称最大粒径、空隙率、沥青种类和用量)与使用环境(温度、时间及水分)对自愈性能的影响规律,考察微胶囊掺量对混合料路用性能的影响。结果表明,沥青混合料自愈性能随微胶囊掺量的增加先提高后降低,最佳微胶囊掺量为6%;随着公称最大粒径与空隙率的增加,混合料自愈性能逐渐变差;基质沥青混合料的自愈性能优于改性沥青,且油石比越大自愈性能越好。在一定范围内温度越高、自愈性能越好,自愈性能随愈合时间的延长呈非线性增长,水分对沥青混合料自愈有着不利的影响。随着微胶囊的增加,混合料中的矿料摩阻力与矿料/沥青黏附性降低,导致沥青混合料的高温稳定性与水稳定性有所降低;掺入微胶囊后,沥青混合料的裂缝自愈能力得到增强,因此反映抗裂性能的低温弯曲破坏应变得到一定程度的改善。综合混合料自愈性能与路用性能随微胶囊掺量的变化规律,推荐微胶囊掺量为4%~6%。     

用于沥青中自愈型微胶囊力学性能研究进展

沥青路面在荷载和环境的作用下,会产生微小裂缝,且在外部荷载的不断作用下扩展开裂,影响路面的使用寿命。目前,具有仿生自愈合行为的微胶囊材料受到各学科的广泛关注。微胶囊材料含有愈合剂,能在裂缝出现时,及时修补裂缝,避免损伤的不断扩大。虽然微胶囊技术已被很多领域进行了研究,但有些条件还不是很清楚,例如:微胶囊的开裂机理、力学性能及微胶囊在不同领域的适用性等等。对此,首先,综述了自愈型微胶囊的作用机理,以及在沥青及沥青混合料中的相关应用;其次,从微胶囊自身的力学性能方面展开实验和理论研究的总结,并指出了相关研究目前存在的问题;最后,为了实现自愈型沥青路面的设想,指出了用于沥青路面中的自愈型微胶囊研究的发展方向。     

沥青及其混合料自愈合性能试验研究

为了对比分析基质沥青、SBS改性沥青、橡胶改性沥青的自愈合性能,并研究沥青种类、愈合环境、破坏程度对混合料疲劳-自愈合进程的影响。通过DSR(动态剪切流变仪)的Time-Sweep(时间扫描)模式测试了沥青复数剪切模量随加载次数的变化,采用愈合指数HI评价沥青的自愈合能力;利用DSC(差示扫描量热仪)测试沥青相态转变过程中的焓变;基于四点弯曲疲劳试验测试了混合料劲度模量随加载次数的变化。研究结果表明:从流变性角度分析,橡胶改性沥青的自愈合性能最好,SBS改性沥青次之,基质沥青最差,随着损伤度的增大,以上3种沥青的自愈合指数呈下降趋势;从分子扩散角度考虑,基质沥青的自愈合能力最小,基质沥青愈合裂缝的能力优于SBS改性沥青及橡胶改性沥青。沥青类型及愈合环境对混合料的愈合进程具有重要影响,提高愈合环境的温度可以加速混合料的愈合,破坏程度的增加对混合料的自愈合具有负面影响。     

自修复微胶囊在沥青混合料中的应用

为探讨含再生剂的微胶囊在沥青混合料中应用的可行性,该文对不同沥青种类、不同温度水平、不同老化程度、不同微胶囊掺量条件下的沥青结合料的延度恢复及模量恢复效果进行量化表征。然后结合光纤测裂缝技术,对比微胶囊在沥青混合料中的修复效果。为模拟自然环境及荷载作用下自修复微胶囊对混合料裂缝的修复作用,分别对不同加速加载次数、不同冻融作用次数、不同温差作用次数、不同紫外线照射时长下混合料的平均裂缝宽度进行测量。结果表明:微胶囊对沥青延度的恢复初期幅度较大,后期保持稳定;不同老化程度的沥青结合料,微胶囊对其修复效果有所差异;随着微胶囊掺量的增加,裂缝的愈合速率有所提高。而DSR试验结果与延度试验结果有较好的一致性。不同环境及荷载作用下微胶囊对沥青混合料的修复效果有所不同,微胶囊的掺加可以有效地对路面早期微小裂缝进行修复,从而防止微小裂纹迅速演化扩展。     

复配愈合剂微胶囊制备及其对沥青自愈合性能的影响

自修复微胶囊是解决沥青路面开裂问题的一种新方法。制备了不同芯壁比的微胶囊，并从形貌、粒径、囊芯含量、包覆率、分布情况和耐热性能方面对其性能进行了比较。此外，以菜籽油(rapeseed oil,RO)和商品芳香油(aromatic oil, AO)为原料，研制了一种用于微胶囊芯的复合愈合剂。通过比较复合愈合剂对老化和未老化沥青的愈合效果，确定了RO和AO的最佳比例。RO/AO的比例推荐为2∶1,以达到87%的最高愈合率和降低生产成本的目的。结果表明，微胶囊的最佳芯壁比为1∶1,此时微胶囊性能最稳定。此外，发现RO对未老化的沥青胶结剂愈合效果最好，而AO对老化沥青胶结剂的愈合效果最好。最后，确定含复合愈合剂的微胶囊的推荐掺入量为沥青质量的0.5%。     

沥青自愈合行为评价及影响因素分析

利用动态剪切流变仪(DSR)进行了改进的“疲劳愈合疲劳”加载试验，采用毛细流动扩散理论证明了评价方法适用性，表征了沥青自愈合行为。通过响应面法分析了愈合时间和损伤程度对沥青样品自愈合性能的影响规律。结果表明：改进的“疲劳愈合疲劳”加载试验可用于表征沥青愈合特性。沥青损伤程度越大，初期瞬时湿润愈合能力越差，而后期扩散愈合率越强。延长愈合时间，降低损伤程度，对沥青自愈合有积极作用。影响沥青自愈合性能因素强弱排序为：愈合时间>损伤程度>愈合时间与损伤程度的交互作用。     

密级配沥青混合料自愈性能的评价方法

为科学评价沥青混合料的自愈性能,开发基于高压渗水的密级配沥青混合料自愈性能的测试装置,提出评价指标,通过试验确定愈合时间、愈合温度与最小样本数等关键参数。通过测试不同愈合温度与时间、混合料类型与微胶囊掺量下的密级配沥青混合料的渗水速率比（v_e）,验证该方法的敏感性与稳定性。对比分析v_e与间歇式疲劳寿命及劈裂愈合强度比（SHSR）,论证该方法的有效性。结果表明：该方法的适宜试验参数为愈合时间12 h,愈合温度45℃,制缝温度5℃±2℃,最小样本数n=4;该方法能有效区分测试条件（愈合温度与时间）、混合料类型及最大公称粒径、微胶囊掺量对自愈性的影响,平行试验结果的变异系数在3.0%,满足敏感性及稳定性要求;v_e与间歇式疲劳寿命及SHSR在评价密级配沥青混合料自愈性方面具有一致性,且具有试验设备简单,结果稳定等优点;在一定范围内,沥青混合料裂缝自愈效果随微胶囊掺量的增加和温度的升高而提高,且自愈性能随愈合时间的延长呈非线性增长;公称最大粒径越小,自愈效果越好,悬浮密实级配AC的自愈性能优于骨架密实级配SMA。     

新-旧沥青界面再生流变特征及分子动力学模拟研究（双语出版）

为扩展研究新-旧沥青界面再生融合行为的方法，量化表征界面再生融合速率、融合程度等参数，通过构建新-旧双层沥青试样模型，分别基于动态剪切试验（DSR）测试试样界面的再生流变特征，基于分子动力学系统（MS）模拟试样界面的再生机制和过程，同时验证不同试验条件下试样界面再生流变特征测试结果。研究结果表明：随着新添沥青标号的增加，新-旧沥青界面再生融合程度显著增大，再生融合速率明显提高；随着加热时间的增加，新-旧沥青界面再生融合程度逐渐增大，但再生融合速率呈指数递减；随着加热温度的增加，高标号新添沥青的界面再生融合程度和界面再生融合速率均呈线性增大，而低标号新添沥青呈抛物线形增大；分子动力学系统模拟计算结果与动态剪切流变特征实测结果具有较好的关联性，表明选取的分子结构模型和计算参数合理，采用分子动力学技术模拟新-旧沥青界面再生融合行为的方法和思路是可行的。     

道路沥青老化评价方法研究进展

沥青是路面工程中常用的筑路材料之一,被广泛应用于中国高速公路和城镇道路中。在路面服役过程中,沥青材料会出现硬化变脆等老化现象,显著影响了路面的运营品质及服役寿命。为了进一步促进道路沥青老化评价方法研究的发展,以宏观性能测试、微观结构探测和数值模拟技术等老化评价方法为脉络,比较了各类评价方法的所属尺度和应用优劣。研究结果表明:现行的沥青热氧老化室内研究方法并不能很好地反映沥青的长期服役耐久性,而紫外老化的室内研究方法更加亟需标准化和规范化;紫外老化和热氧老化的差异在于化学键断裂机制不同,热氧老化主要是由于高温热分解导致化学键断裂,而紫外老化的引发是由于分子内所含的基团吸收了具有能量的紫外线,导致化学键发生断裂;宏观性能测试是构建沥青老化与性能衰退联系的直接研究途径,2类老化类型的宏观性能测试方法和评价指标不能完成等同和替换;荧光显微镜、原子力显微镜、傅里叶红外光谱等微观探测技术能够定性或者定量分析沥青的老化过程和改性剂的老化响应;采用分子动力学模拟和细观力学模型既能继承利用微观研究的精确结论,又可与宏观力学试验建立关联性,对沥青的老化过程进行数值表征,其研究结果能够为其微观演化规律和宏观性能特性提供参考;在实际沥青路面使用中,紫外老化和热氧老化是并行存在的,基于室外沥青路面老化监测的多因素复合老化应是沥青室内老化模拟研究的重点;融合多层次老化评价指标和数值模拟技术,建立多尺度沥青老化动态仿真模拟是沥青材料与数值模拟交叉应用的主要研究方向。     

生物油再生沥青胶结料路用性能分析

为研究生物油再生沥青胶结料的路用性能，分析比较了基质沥青与生物油再生沥青胶结料的流变性质与化学特性。首先通过三大指标与黏度测试确定生物油在老化沥青中的最佳掺量；之后重点分析最佳生物油掺量下再生沥青与基质沥青的高温与疲劳性能，高温性能通过多应力蠕变回复试验（MSCR）测试，疲劳性能通过DSR时间扫描测试；最后利用红外光谱（FTIR）和凝胶渗透色谱（GPC）测试分析2种沥青的化学特性。研究结果表明：10%生物油可恢复老化沥青针入度与延度至基质沥青水平；基质沥青与10%生物油再生沥青的PG分级分别为PG64-16与PG70-16；MSCR结果表明再生沥青相比基质沥青具有较好的高温性能；N_f50指标表明再生沥青的抗疲劳性能较基质沥青胶结料更好，因为2种沥青模量相近，再生沥青的弹性组分含量更高；FTIR结果表明生物油稀释了老化沥青中高极性的亚砜基；GPC结果表明生物油降低了老化沥青中的大分子和小分子含量，改善了老化沥青分子量分散度。生物油改善了老化沥青的路用性能和化学特性，是一种较有潜力的沥青再生剂。     

基于分子动力学的相变微胶囊与沥青相容性及增强机理研究

微胶囊法是相变材料（PCM）封装的一种重要手段，为了改善加入相变微胶囊后沥青路面的低温性能，采用分子动力学方法，对相变微胶囊的相变机制、与沥青共混后的相容性和抗拉强度等进行模拟分析。对沥青四组分（As，R，S，Ar）、三聚氰胺甲醛树脂（MF）、沥青四组分与MF共混体系、沥青四组分与石墨烯（CG）共混体系、MF与CG共混体系、沥青体系、沥青与MF共混体系、沥青与CG共混体系等17个分子体系分别进行了溶度参数和内聚能密度计算，分析了MF，CG与沥青四组分之间的相容性变化规律，评价了MF，CG对沥青四组分抗拉强度的影响。对以MF为壁材、正十四烷为芯材的3种不同微观结构PCM分子模型和以石墨烯复合三聚氰胺甲醛树脂（CGMF）为壁材、正十四烷为芯材的2种不同微观结构PCM分子模型进行了升温过程相变性能模拟研究，分析了壁材厚度、芯材体积大小对PCM相变性能的影响，并比较了不同种类壁材PCM的热效率。通过对CGMF为壁材的PCM降温过程的相变性能模拟研究，进一步分析了CG对PCM热效率的影响。研究结果表明：采用CGMF为壁材制备PCM，可以提升PCM的热效率，CGMFPCM2031的能量效率比MFPCM2026平均增加141.15%，在沥青体系中加入CGMF为壁材的PCM，可以提高沥青组分之间的相容性和抗拉强度，有利于增强沥青体系的低温抗裂性能。     

基于原子力显微镜的沥青微观损伤机理分析

为揭示微观尺度下沥青的损伤机理，采用原子力显微镜（AFM）对基质沥青及SBS改性沥青进行了测试分析。首先设计了一款AFM原位拉伸试验装置；然后，结合AFM原位拉伸试验测试了拉伸荷载作用下沥青表面不同微观结构及其力学性能；基于形貌测试结果和ABAQUS软件建立了沥青的二维有限元模型，分析了拉伸荷载作用下沥青表面的应力分布；最后，结合AFM测试结果和有限元模拟结果分析了沥青的微观损伤机理。研究结果表明：所研究的基质沥青表面存在3种微观结构，即蜂状结构、蜂壳结构和间隙结构，SBS改性沥青无明显蜂壳结构；间隙结构抗变形能力最弱，蜂状结构抗变形能力最强；SBS改性剂的加入降低了沥青表面的应力，且使应力分布更均匀；拉伸荷载作用下，沥青表面会出现相分离，随着荷载增大相分离现象加剧，相分离出现在沥青表面应力最大处；拉伸荷载作用下沥青的损伤演化过程中，沥青应力较大的间隙结构首先出现相分离，随着荷载增加，相分离不断加剧直至微裂纹产生。     

沥青自愈合性能评价指标修正及应用

通过对比和分析现有沥青自愈合指标的不足，以模量下降速率重新定义自愈合指标，该指标值越小说明沥青材料的自愈合性能越优。采用动态剪切流变仪（Dynamic Shear Rheometer，DSR）对7种沥青进行不同间歇时间和不同损伤度下间歇加载式的自愈合试验，以毛细扩散理论下的自愈合行为方程对自愈合指标进行线性拟合，获得代表沥青瞬时自愈合和后期自愈合的参数，用以研究沥青的自愈合性能。结果表明：沥青的自愈合指标随着间歇时间的增大而减小，但其变小的速率趋于缓慢；7种沥青在不同损伤度下的自愈合指标值与间歇时间的0.25次方存在较好的线性正相关，判定系数R²均在0.85以上，无论是基质沥青还是改性沥青，新指标都具有较好的适用性；SBS改性沥青的瞬时自愈合优于基质沥青，随着添加到SBS沥青中改性剂掺量的增大，改性沥青的瞬时自愈合表现出先弱后强的趋势，而这7种沥青的后期自愈合性能与其瞬时自愈合性能正好相反，代表瞬时自愈合和后期自愈合的参数具有较好的负相关，说明瞬时自愈合性能优的沥青其后期自愈合性能较差。     

分子动力学模拟老化沥青的再生机理

再生沥青路面(RAP)在使用过程中,通常会使用再生剂来保证其整体性能。然而,关于再生剂在RAP中的再生机理,很少有原子尺度的解释。本文主要聚焦老化沥青再生行为的原子建模,分别构建了三种类型的沥青模型(新沥青、老化沥青和再生沥青),对比分析了其热力学、玻璃化转变行为、自由体积、自扩散和原子结构。结果表明,掺加10%再生剂后,老化沥青的自由体积增加了4.43%,玻璃态转变温度降低了11.82℃。再生剂通过增加RAP粘结剂的内聚力,以提高其抗裂性。沥青氧化老化后形成致密且平行堆积的沥青质结构,再生剂的引入起到解聚作用,扭转老化的负面影响,恢复粘结剂的微观结构,从而恢复其部分性能。     

基于热分析与低温光谱的沥青热可逆老化机理

为了研究沥青胶结料在恒定低温储存过程中产生的热可逆老化机理,运用调制式差示扫描量热分析(MDSC)和低温红外光谱(LT-FTIR)技术对沥青胶结料热信号与红外光谱的热历史依赖性进行了试验分析,以确定2种不同分子量的线性饱和链烃(C₂₀H₄₂和C₃₂H₆₆)对热可逆老化的贡献。研究结果表明:沥青恒定低温硬化并非所有沥青的固有特性,存在不受恒定低温热历史影响的沥青胶结料;低分子量的饱和长链烷烃(石蜡)因其与沥青具有较好的相容性,会通过扩散的方式随着恒定低温时间的延长逐渐从沥青基体中析出,从而导致沥青的恒温硬化现象;由于高分子量的饱和长链烷烃与研究采用的沥青在相同条件下相容性差,其石蜡与沥青的二相分离结构并没有随着恒定低温时间的延长产生明显的变化。与热分析相比,低温红外光谱技术可在较低的降温速率下直接用于测试固态沥青中的石蜡分子单元而不会产生热滞后效应。石蜡的结晶会导致红外光谱在735~715 cm^-1处形成吸收峰,且吸收峰信号随温度降低而增强。沥青中的石蜡初期(0~8 h)析出较快,随着时间延长,析出速率放缓,持续时间可长达72 h。通过试验的直接观测,确定了沥青中低分子量石蜡的持续析出或沉淀是导致所用胶结料热可逆老化的根本原因。