內嵌于瀝青混合料的自修復膠囊性能評價
柴子奇 鄭 毅 趙鴻鐸
（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室上海200092）
摘要 針對瀝青混合料開裂問題，結合膠囊自修復技術，設計并改進了內嵌于瀝青混合料的膠囊的制作流程，并對該膠囊自身性能進行了測試。實驗發(fā)現(xiàn)膠囊與AC-13級配的瀝青混合料適應性較強，能夠滿足在施工過程中存活并在試件破壞時斷裂的要求。同時嵌入膠囊使瀝青混合料劈裂強度有小幅下降，對瀝青試件的疲勞性能產生一定程度的提升。
關鍵詞 瀝青混合料膠囊 自修復疲勞
瀝青混合料是世界上最常見的路面材料之一，在機場建設和城市道路建設中廣泛地使用。然而在幾年的使用之后，瀝青碳氧化合物的氧化作用會導致面層內部集料和粘合劑之間出現(xiàn)裂縫，這將降低路面的使用壽命。目前主要使用的瀝青道面延長壽命方法包括使用修復劑、霧化封層和幾種不同的薄層技術。其中只有使用修復劑能夠真正修復破損，恢復瀝青材料性能。但工程中使用修復劑后存在道路抗滑性下降，需要封閉交通，污染環(huán)境等問題，并因其滲透性差，修復效果低于預期。因此，已有研究嘗試運用微膠囊自修復技術來解決上述問題。Alvaro Garcia等已制成膠囊并對其進行了熱力學分析、強度測試和熱學穩(wěn)定性分析，但未能論證其可行性，膠囊制作流程和膠囊性能評價不夠完善。為了進一步增強微膠囊的使用性能，并驗證其修復效果，本文甄選了膠囊組成材料，改善了膠囊制備流程，設計了振蕩包裹和攪拌包裹2種不同包裹方式，和不同的室內試驗方案對膠囊性能進行多方面評價。
1膠囊自修復機理
自修復膠囊是一種通過成膜材料將囊內空間與囊外空間隔離開，形成特定幾何結構的微型容器。膠囊自修復技術是借助于膠囊這種有效的物質固定技術，將單體修復劑包覆于膠囊中并均勻地分散于聚合物基體中。當材料受損時，材料內部裂紋擴展致使膠囊破裂釋放出修復劑，通過毛細作用將修復劑釋放至受損區(qū)域，使微裂紋得到愈合，達到修復的目的。
2 自修復膠囊制備工藝與流程
2.1膠囊結構設計
膠囊結構為骨架結構，內部為吸附修復劑的固態(tài)多孔材料，外部為起包裹作用的膜材料。
2.2膠囊材料選擇
修復劑經綜合考慮選用橡膠油，其在常溫下粘稠度較高，隨溫度升高流動性增強。膜材料選用改型丙烯酸酯膠粘劑，并在膠囊制備過程中結合需要加入水泥，其目的是使膠囊在制作過程中相互分離，不粘結成塊。骨架材料需要具備一定的強度，盡可能大的吸水率以及良好的熱穩(wěn)定性。本文經初步篩選選取了多孔沸石、水晶貓砂以及膨脹珍珠巖3種材料，并分別進行膠囊試制。對制得的膠囊分別從修復劑吸收率、膠囊斷面修復劑釋放情況和顆粒形狀3方面進行評價，結果對比如表1所示。
由表1可見，珍珠巖膠囊的優(yōu)勢較為明顯，故選用膨脹珍珠巖作為骨架材料。
2.3膠囊制備流程
原有膠囊制作流程通過嚴格控制試驗過程來避免膠囊簇，即大粒徑膠囊的形成，制作得到的膠囊都為單一粒徑。但同一粒徑的膠囊理論上會在短時間內同時達到破壞閾值，這使得在裂縫出現(xiàn)的其他階段無修復作用，且一次性釋放過多修復劑，這也使修復作用受到削弱。因此，本制作流程特意改進了包裹方式，設計了攪拌包裹和振蕩包裹2種不同的包裹方法來制作不同粒徑的膠囊，并以一定的級配加入到瀝青混合料中以解決這個問題。具體如下：
①篩分得到1.18～2. 36 mm的珍珠巖；②在100℃下加熱24 h去除水分；③將珍珠巖置于網兜中并浸入修復劑中；④在I05℃下加熱2h，而后在-90 MPa下抽真空30 min，并重復一次；⑤懸掛靜置30 min，而后攤鋪在吸水材料上靜置24 h；⑥取珍珠巖50 g加入環(huán)氧樹脂22 g、固化劑18 g攪拌均勻，加入360 g水泥；⑦手動攪拌5 min；⑧手動振動5 min；重復進行步驟(6)(7)(6)(8)直至所有珍珠巖包裹完成；⑨靜置24 h，篩去多余水泥。因為15 min后環(huán)氧樹脂的強度逐漸形成，故整個過程必須在15 min之內完成。通過本流程共制得膠囊2 949.18 g，3種粒徑分別占比27. 7%，58. 3%和14. 0%。這種封裝系統(tǒng)的好處就是可以僅僅通過增加外殼的厚度來得到不同的破壞閾值，意味著我們可以制作不同強度的膠囊使修復劑能在不同的時間釋放。
3 自修復膠囊自身性能檢測與評價
3.1 膠囊修復劑儲存量預估
運用光學顯微鏡對膠囊斷面進行微觀觀測，分別測量膠囊直徑及膠囊壁厚度，測算得出膠囊壁材與膠囊的平均體積比為=0. 639。膠囊內各材料密度見表2。
假設一個膠囊的質量MCAP=1，由上文的關系可得方程組如下
3.2膠囊壓碎值
根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42 -2005)，測試得其壓碎值為24. 0%。
3.3膠囊在瀝青中的拉伸試驗
根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG 052-2000)，將瀝青、礦粉與膠囊按2：1：1的質量比填入模具中，而后在5℃下以(1±0.5)cm／min的速度進行拉伸。經拉伸斷裂后在瀝青發(fā)生斷裂的同時，膠囊也發(fā)生部分破壞，證明實際混合料中瀝青介質本身對膠囊有足夠的粘結力，并且膠囊強度適中，能夠隨瀝青的開裂而破裂。
4 自修復膠囊與瀝青混合料適應性分析
將自修復膠囊應用于瀝青混合料中時，瀝青混合料的不同級配會對自修復膠囊的使用性能有不同影響。針對這一問題，對膠囊在不同瀝青混合料中的生存及受力開裂情況進行分析。
4.1 配合比設計
本文中選用了2種典型結構，SMA-13和AC-13級配，對應摻入的膠囊量見表3。
4.2膠囊生存情況對比
圖1為SMA-13與AC-13中劈裂試件斷面的對比。其中：淺色斑點為在成型過程中存活但在試驗過程中破壞的膠囊。由圖1可見，在膠囊摻量比例相同的情況下，試件破壞時膠囊在AC-13中破壞的數(shù)量要多于SMA-13。
4.3結果分析
上述試驗表明自修復膠囊在瀝青混合料的成型過程中能夠保證一定的存活率，且在混合料產生裂縫時膠囊能夠破裂。同時說明試件劈裂破壞時，在AC-13中膠囊破壞的數(shù)量較SMA-13的更多，這與理論上的分析結果相符。在SMA-13中，由于大部分荷載由粗集料承擔，膠囊以及其他細集料僅起著填充空隙的作用，其所承擔的有效荷載較小，對外界荷載不敏感。然而在懸浮密實結構中，膠囊承擔部分荷載作用，對外界荷載更為敏感，可以在混合料破壞時達到破壞閾值。
5 自修復膠囊使用性能檢測與評價
將制得的膠囊嵌入瀝青混合料制得馬歇爾試件進行下述試驗，從而評價自修復膠囊的使用性能。
5.1劈裂試驗
根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG 052 - 2000)，測得試件的劈裂強度及根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計原理計算得到的F值見表3。Fa=0.15(1，4)=3.16。
其中：F=4.37> Fa=0，is(1，4)一3.16，即加入膠囊而使劈裂強度下降的可能性超過85%。
5.2 間接拉伸疲勞試驗
在馬歇爾試件側面徑向對向施加重復壓力直至試件破壞，測得其重復次數(shù)以衡量其疲勞性能。該實驗試驗方法分為2種：①持續(xù)加載，采用上述方式進行一次性加載直至試件破壞，測得重復次數(shù)。②間斷加載，分為3個階段進行加載，前2階段的加載次數(shù)取實驗方法1的平均次數(shù)的1／3，第3階段加載至破壞，每階段中間間隔3 d。
膠囊破壞與修復劑產生作用都需要一定的時間，僅采用持續(xù)加載試驗方法不能準確反映膠囊的修復性能，故設計間斷加載實驗方法，從而為膠囊的修復提供時間。
經過預實驗確定采用0.5 kN的荷載級位進行試驗。
5.3老化瀝青間接拉伸疲勞試驗
本試驗的老化方案參考美國AASHTOPP-1994規(guī)范，對瀝青混合料實現(xiàn)短期老化。試驗方法與上述間接拉伸疲勞試驗的試驗方法相同，分別采用持續(xù)加載和間斷加載進行試驗，2次實驗的結果見表4。
其中：Fa=0.1(1，4)=0.89，F(xiàn)。=。．15(1，4)=3. 16,F。=0 9(1,4) =4. 54,F。=．075 (1,4)=12. 22.即加入膠囊使瀝青混合料疲勞性上升的可能性超過85%，而在老化瀝青情況下該可能性分別超過90%和97. 5%。
5.4試驗結果分析
(1)添加膠囊會使瀝青混合料試件的劈裂強度有所下降，下降的幅度為11.3%。
(2)在間斷加載下，嵌入膠囊的混合料疲勞性能有大約20%的提升，說明若提供一定的修復時間，膠囊能夠起到修復作用并對瀝青混合料的疲勞性能有一定的提升。
(3)在老化瀝青間接拉伸劈裂疲勞試驗中也可以發(fā)現(xiàn)類似的結果，驗證了膠囊的修復效果。在老化瀝青的情況下修復劑的修復效果更加明顯，這與理論也是相符的。
6 結論
(1)膠囊的壓碎值為24. 0%，說明大部分膠囊具有足夠的強度。加入礦粉使瀝青能夠拉斷膠囊，說明在實際混合料中瀝青介質本身對膠囊有足夠的粘結力，并且膠囊強度適中，能夠隨瀝青的開裂而破裂。
(2)添加了膠囊的試件劈裂強度將會下降，降幅為11. 3%。
(3)間斷加載下老化和非老化瀝青的間接拉伸疲勞試驗中，嵌入膠囊的瀝青混合料的疲勞性能有一定幅度的提升，制得的膠囊能一定程度地提高混合料的疲勞性能，延長道路的使用壽命。
(4)自修復膠囊在懸浮密實結構的瀝青混合料中較骨架密實結構能夠更好地發(fā)揮其修復性能，可以在成型階段保持較高的存活率。
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