摘要：對瀝青自愈合對疲勞壽命的影響進行了分析，并對國內外瀝青自愈合性能研究進展進行了綜述。

　　關鍵詞：道路工程,瀝青,自愈合,疲勞壽命

　　1.瀝青自愈合性能

　　1874年，紐約哥倫比亞地區修建了世界上第一條熱拌瀝青混合料路面[1]，經過100多年的發展，瀝青路面已經成為公路路面的主要形式。但是在瀝青路面的使用過程中，不可避免的出現了疲勞開裂等病害現象。輕者路面結構的使用壽命會減少，重者整個結構的安全都會被危及，造成了嚴重的經濟損失。因此如何及時有效的修復出現的裂紋和損傷成為一個亟需研究的問題。瀝青的疲勞損傷首先以微開裂的形式存在，由于現有檢測技術的局限性，這些微觀損傷很難被探測到，以至于對微裂縫的及時修復變得非常困難。但是，如果這些微觀損傷得不到及時修復，就有可能進一步發展成為宏觀裂縫，影響瀝青混凝土結構的正常使用性能和使用壽命[2-3]。

　　根據傳統的損傷理論，瀝青發生疲勞損傷后性能是不可恢復的。但隨著研究的不斷深入，研究者們發現，在荷載的間歇期間，瀝青的模量和強度等性能是可以慢慢恢復的，這就是瀝青的自愈性，而且自愈性與瀝青品種、溫度、間歇時間、荷載水平存在關系。

　　作為一種粘彈性材料，瀝青還具有觸變性，即在荷載的作用下，瀝青的粘度降低，荷載間歇時間，粘度又會逐漸恢復。研究表明，荷載作用初期，瀝青模量的降低是由觸變性引起的，而該階段瀝青的自愈性也是由觸變性引起的。

　　當荷載作用超過觸變性的影響范圍后，瀝青的內部結構將發生變化，甚至出現銀紋，瀝青試樣出現銀紋以后，雖然間歇時間足夠長瀝青的復數模量仍然可以完全恢復，但內部結構已經發生了變化，研究認為，瀝青裂縫的自愈合過程分三步：(1)由應力和瀝青的流動性能引起微裂縫的關閉(2)由表面能驅使兩個裂縫表面的黏合過程引起微裂縫的關閉(3)由瀝青基團結構的擴散引發的力學性能的恢復。第一步被認為是速度最快的，但僅僅導致模量的恢復;第二步和第三步被認為相對慢得多，但能夠同時使得材料的模量和強度得到恢復使得愈合后的材料使用性能與原始狀態相差無幾。瀝青的自愈合能力與瀝青本身的流變性能關系密切，包括流動性，彈性恢復(抵抗恒定應力的能力)，潤濕及自擴散[4-5]。

　　2.國內外研究進展綜述

　　傳統的高分子材料損傷理論是在應力作用下，高分子材料出現微變形，由此引發微裂縫和微空洞，這些微裂縫和微空洞繼續發展成為明顯的病害，這種損傷理論成功的解釋了高分子材料性能的退化原因[6-10]。但以往的研究成果多數基于高分子材料的損傷是不可逆的這一事實。但是在加載的間隙，由于高分子材料的流變性能，微裂縫和微空洞能在一定程度上閉合，同時引起材料性能和硬度的一定恢復，這個過程有短時間的流變過程和長時間的擴散過程[11]，這與傳統的連續損傷描述不同。事實上只要有足夠的間歇時間，材料的性能能恢復到與損傷前完全一樣的性能[12-14]。

　　瀝青混凝土的自愈合性能40年之前就已經被認識到[15]，研究者指出當荷載間歇期增長時，瀝青混凝土的疲勞壽命會隨之延長。其它研究者通過采用直接拉伸疲勞模式進行類似的測試，證明了這個基本的觀測結果。一些研究者試圖通過相對簡單的表征方法來證實影響愈合潛力的材料特征。例如，Kim[16]在設定間歇期為5-40分鐘的前提下，對瀝青砂混合料進行了彎曲疲勞實驗。然后對間歇期前后的偽應變能密度進行了對比分析。這篇文章之所以引入偽應變這個概念，是為了將其作為分離與粘彈性過程相關的恢復和與實際微觀結構愈合機理相關的恢復的一種方法。利用由這些能量密度值定義的指數和對瀝青進行化學分析，研究瀝青自愈性能和化學成分之間的關系，得出了兩個與瀝青自愈合性能有關的參數指標：亞甲基甲基的碳氫比MMHC，和亞甲基甲基的數目比CH2/CH3。在一定的分支率的條件下，MMHC代表了瀝青分子鏈的分支數目，CH2/CH3代表了鏈的長度，這兩個參數與瀝青的自愈合具有良好的相關性[17]。研究表明，分子鏈更長，分支更少的分子結構自愈合性能更優[18]。Bhasin驗證了KIM的觀點，但是發現，這個現象有另一種解釋，瀝青分子的自擴散性，影響著瀝青的本身自愈合性能[19]。

　　Little在傳統的彎曲梁實驗的加載間歇期中，引入了一個長達24小時的愈合時間，最終發現瀝青的疲勞壽命提高了一倍多，而這取決于所用的瀝青類型。Kim[20]對瀝青膠漿施加扭轉加載得到相似結果，發現當在嚴重損傷發生以前就引入愈合時間，瀝青材料本身的自愈合能力產生的影響將會變得最大。他對砂型瀝青樣品進行了扭轉疲勞測試(有間歇期)，然后采用偽分析評價了愈合時間的影響。Breysse[21]將損傷速率，一種雙曲線動力學指數作為評價加載時間對愈合潛力的指標。Carpenter和Shen[22] 利用疲勞時的耗散能速率(RDEC)和所謂的平穩值(PV)來量化評價間歇期對疲勞壽命的影響。Pronk[23-24]也基于能量觀點建立了一個適用于瀝青混合料的部分愈合模型。

　　以上研究還主要集中于瀝青混合料的愈合上，但在一些文獻資料記載中能夠將瀝青/瀝青膠漿從愈合過程中分離出來進行研究。Planche[25]利用DSR直接評價瀝青膠漿的疲勞和愈合性能，將瀝青樣品均先置于不間斷的荷載環境下，然后設置40分鐘或者6個小時的間歇期，對材料響應進行第二次測量。研究結果表明，間歇期對材料響應有重大影響，特別是如果在疲勞破壞之前引入間歇期的話，效果更加明顯。Bahia[26]設定間歇期為12小時，進行了應變掃描測試，發現間歇期前后的行為差不多。這個結果表明隨著時間的推移，大部分由荷載引起的模量損失會慢慢恢復。Shen[27]借鑒了混合料評價中運用的PV法對瀝青膠漿的疲勞和愈合性能進行了研究，發現與混合料測試中觀察到的變化趨勢大體相同。Lytton認為瀝青的自愈合過程從最先接觸點開始，向整個裂縫面擴展，并且瀝青的自愈合時間可以用阿倫尼烏斯方程來預測，激活能和毛細流動速度是影響瀝青自愈合的兩個重要因素。瀝青自愈合的激活能比瀝青流動的低，與瀝青毛細流動類似，也就是說瀝青自愈需要的激活能與瀝青毛細流動類似。但是由于瀝青與玻璃的接觸角與瀝青與砂子的接觸角不同，因此用毛細玻璃管做出的試驗數據不能直接用來評價瀝青的毛細流動速度。Chaminda采用直接拉伸試驗驗證了瀝青的自愈合時間與所承受應變的關系，并得出結論，在無裂縫出現或者有微細裂縫出現時，SBS改性瀝青的自愈合性能要優于普通瀝青，因為此時SBS的彈性性能能提高瀝青的自愈合性能，當裂縫較寬時，普通瀝青的自愈合性能要優于改性瀝青，因為此時瀝青的流動性起主要作用，普通瀝青的流動性要優于改性瀝青。同時研究證明改性瀝青的改性劑在瀝青中生成三維網絡結構來使瀝青的性能提高，但同時這個三維網絡結構會阻礙瀝青的自愈性能[28]。姜睆的研究認為，就總體而言，SBS改性瀝青的自愈合能力較基質瀝青要好，而老化瀝青膠漿的愈合性能則較瀝青膠漿要差得多[29]。

　　以上提到的前人的研究成果評價了影響愈合程度的不同的要素以及依據愈合能力的不同，對不同的瀝青做了等級劃分。然而，對于理解瀝青的疲勞和愈合性能相當關鍵的愈合機理尚不明確。受微觀力學模型啟發，研究者測試了瀝青的表面能，發現這些性能與不同材料的愈合/疲勞傾向之間存在良好的相關性。Bommavaram[30]在先前的工作中，提出了一個瀝青材料適用的愈合模型。這個模型包括了發生在裂縫表面的潤濕和內部愈合過程。發生于裂縫表面的內部愈合或強度恢復過程可以分為兩步理解:一是由發生在裂縫表面之間的表面粘合力導致的瞬間強度愈合;二是由發生在裂縫表面的內部高分子擴散和重組所導致的與時間息息相關的強度恢復。Bhasin基于潤濕卷積過程和內在愈合過程建立了一個描述瀝青愈合性能的模型[31]。Phillips認為瀝青的自愈合分三步進行，第一步，在外界壓力和流動性的作用下，裂縫閉合，第二步，裂縫的兩個開裂表面表面能的作用下粘附在一起，第三步，在瀝青質結構的擴散作用下，瀝青的性能完全恢復[32]。當裂縫的兩個面貼合在一起之后，兩個斷裂面的分子會相互擴散，一直到裂縫完全消失。顯然，自愈合過程依賴于能讓兩個斷裂面流動到一起的表面能和斷裂面上分子擴散的活性。瀝青深處的微裂縫愈合更快，存在一個最低的瀝青可愈合溫度。

　　綜上所述，研究者普遍認為瀝青的自愈性能對疲勞壽命會造成準確影響，準確的瀝青自愈模型是瀝青疲勞壽命預測的基礎，而要建立準確的瀝青自愈模型，需對瀝青的自愈機理進行研究，目前國內關于瀝青自愈性的研究較好，進單麗巖、姜睆等研究者對瀝青的自愈性進行了評價性研究，尚無深入研究見諸報道。

　　參考文獻：

　　[1] 劉立新.瀝青混合料粘彈性力學及材料學原理[M].北京：人民交通出版社，2006

　　[2] S. Shen, S.H. Carpenter, Application of dissipated energy concept in fatigue endurance limit testing, Transportation Res. Rec.: J. Transportation Res.Board 1929 (2005) 165–173.

　　[3] S.H. Carpenter, S. Shen, A dissipated energy approach to study HMA healing in fatigue. 85th Annual Meeting of the Transportation Research Board Washington D.C., 2006

　　[4] S. shen, G.D. Airey, S.H. Carpenter, H. Huang, A dissipated energy approach to fatigue evaluation, Int. J. Mat. Pavement Design 7 (2006) 47–69.

　　[5] Rashid K. Abu Al-Rub a, Masoud K. Darabi a, Dallas N. Little a, Eyad A. Masad.A micro-damage healing model that improves prediction of fatigue life in asphalt mixes.R.K. Abu Al-Rub et al. / International Journal of Engineering Science 48 (2010) 966–990.

　　[6] I.U.N. Rabotnov, Creep problems in structural members, North-Holland Pub. Co., Amsterdam, London, 1969.

　　[7] L.M. Kachanov, Introduction to continuum damage mechanics. M. Nijhoff, Dordrecht; Boston, 1986.

　　[8] G.Z. Voyiadjis, P.I. Kattan, A coupled theory of damage mechanics and finite strain elasto-plasticity–II. Damage and finite strain plasticity, Int. J. Eng. Sci.28 (1990) 505–524.

　　[9] J. Lemaı ˆtre, A course on damage mechanics, Springer-Verlag, Berlin; New York, 1992.

　　[10] D. Krajcinovic, Damage mechanics, Elsevier, Amsterdam; New York, 1996.

　　[11] R.P. Wool, K.M. Oconnor, A theory of crack healing in polymers, J. Appl. Phys. 52 (1981) 5953–5963.

　　[12] S. Prager, M. Tirrell, The healing-process at polymer–polymer interfaces, J. Chem. Phys. 75 (1981) 5194–5198.

　　[13] S.H. Carpenter, S. Shen, A dissipated energy approach to study HMA healing in fatigue. 85th Annual Meeting of the Transportation Research BoardWashington D.C., 2006.

　　[14] D.N. Little, A. Bhasin, Exploring mechanisms of healing in asphalt mixtures and quantifying its impact, in: S. van der Zwaag (Ed.), Self HealingMaterials, Springer, Dordrecht, The Netherlands, 2007, pp. 205–218

　　[15] Bazin P, Saunier JB (1967) Deformability, fatigue and healing properties of asphalt mixes. Paper presented at the proceedings of the second international conference on the structural design of asphalt pavements. Ann Arbor, Michi-gan, USA

　　[16] Kim,Y. R.,D. N. Little, and F.C.Benson.1990. Chemical and Mechanical Evaluation on Healing Mechanism of Asphalt Concrete. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists，Vol.59:1990.

　　[17]Kim, Y. R., Little, D. N., and Benson, F. C. (1990). “Chemical and mechanical evaluation on healing mechanism of asphalt concrete.”Proc., Association of Asphalt Paving Technologists, Vol. 59, AAPT,Lino Lakes, MN, 240–275.

　　[18]de Gennes, P. G. (1971). “Reptation of a polymer chain in the presence of fixed obstacles.” J. Chem. Phys., 55(2), 572–579.

　　[19]Buehler, M. J. (2008). Atomistic modeling of materials failure: Deformation and fracture of brittle, ductile, and nanoscale materials, Springer,New York.

　　[20]Kim,Y. R.,D. N. Little, and R. L. Lytton.2003. Fatigue and Healing Characterization of Asphalt Mixtures. Journal of Materials in Civil Engineering. Vol. 15:75-83.

　　[21]Breysse, D.,C. De La Roche, V.Domec and J.J. Chauvin. 2003. Influence of Rest Time on Reeovery and Damage during Fatigue Tests on Bituminous Composites. Materials and Structures, VOI.36:648-65.

　　[22]Carpenter, S. H. And S. Shen, 2006. A Dissipated Energy Approach to study HMA Healing in Fatigue. Proceedings of the85th Annual Meeting of the Transportation Research Board CD-ROM.

　　[23]Pronk., A. C. 2006. Partial Healing, A New Approach for the Damage Process during Fatigue Testing of Asphalt Specimen. Proceedings of ASCE Symposium on Mechanics of Flexible Pavements. Baton Rouge, LA .

　　[24]Pronk, A. C. 2009. PH Model in 4PB Test with Rest Periods. Road Materials and Pavement Design，10:417一426.

　　[25]Planehe, J. P., D. A. Anderson, G. Gauthier. Y. M. Le Hir, and D. Martin.2004. Evaluation of Fatigue Properties of Bituminous Binders. Materials and Structures, VOI.37:356-359.

　　[26]Bahia, H.,H. Zhai, K. Bonnetti, S. Kose. 1999. Non-Linear Viscoelastic and Fatigue Properties of Asphalt Binders. The Journal of Association of Asphalt Paving Technologists.VOL. 68:1-34.

　　[27]Shen,S., H. M. Chiu and H. Huang. 2009. Fatigue and Healing in Asphalt Binders. Proeeedings of the 88th Annual Meeting of the Transportation Researeh Road. CD-ROM.

　　[28]Chaminda Wekumbura; Jiri Stastna; and Ludo Zanzotto.Destruction and Recovery of Internal Structure in Polymer-Modified Asphalts.JOURNAL OF MATERIALS IN CIVIL ENGINEERING © ASCE / MARCH 2007 / 227

　　[29]姜睆.瀝青膠漿自愈合能力研究.武漢理工大學.2011.5.

　　[30]Bommnavaram, R. R., A. Bhasin, D. N. Little. 2009. Use of Dynamic Shear Rheometer to Determine the Intrinsic Healing Properties of Asphalt Binders. Proceedings of the 88th Annual Meeting of the Transportation Research Road .CD-ROM.

　　[31]Bhasin, A, D. N. Little, R. Bommavaram, K. Vasooncelos. 2008. A Framework to Quantify the Effect of Healing in Bituminous Materials using Materials Properties. Road Materials and Pavement Design, Vol.9:219-242.

　　[32]Phillips M C. Multi-step Models for Fatigue and Healing, and Binder Properties Involved in Healing[C]//Proceedings of Eurobitume Workshop on Performance Related Properties for Bituminous Binders, 1999:115.