摘 要

随着车辆交通事业的迅猛发展，路面受到的压力和载荷量也越来越大。由于路面的交通流量较大且路面材料的使用寿命直接关系到成本与安全问题，所以研究出一种可持续使用的沥青材料迫在眉睫。由于沥青的具有自愈合能力，且它的自愈合能力随着温度和使用时间的改变而改变，因此我们需要设计一种高疲劳寿命或是较好的自愈合能力的沥青。为了实现这一目标，本文就沥青老化时间和自愈合能力关系进行了深入探讨。

由于选取路面沥青进行老化的时间较长、成本较高，所以本论文采用模拟老化的方式进行试验包括室外自然老化和室内紫外加速老化。选用动态剪切流变仪（DSR），对70^#、90^#、30/45、40/60、70/100、160/220型号的沥青胶浆进行了一系列动态剪切流变测试，包括：频率扫描和温度扫描测试，引入老化指数和流动因子，从复合粘度、复合模量、相位角与温度和扫描频率之间的关系探讨了不同老化方式间的关系。由所测出数据可知随着温度的升高，复合模量也随着减小，而相位角也随着温度的升高而升高。然后引入流动因子n和老化指数来表征7d紫外加速老化和3M室外自然老化的老化时间与自愈合的关系。

通过本试验表明：7d紫外加速老化和3M室外自然紫外老化的沥青70^#、30/45、40/60、70/100、160/220型号的沥青，在70℃～90℃之间都具有自愈合能力(流动因子n≥0.9，且在10℃～90℃时)n随着温度的升高而升高；而在7d紫外加速老化中老化指数AI表现为，随着沥青中重质组分的增加而减少。

关键词：沥青胶浆；紫外老化；自愈合；愈合因子

Abstract

along with the use quantity of the vehicle continues is growing，the traffic load quantity increases, and the road surface pressure is getting higher. Considering the limited performance of asphalt pavement and asphalt service life, it is very important to design a sustainable asphalt pavement. high temperature conditions in summer are conducive to the asphalt pavement self healing for sustainable asphalt pavement related data acquisition and the actual construction which work for. because the asphalt material has self-healing ability, which can prolong the service life of the pavement. In order to achieve this goal, it is very important to study the self-healing ability and inner mechanism of asphalt materials and to take various measures to improve their self healing ability.

The selection of dynamic shear rheometer (DSR), a series of dynamic shear rheological test asphalt mortar is the 70#, 90#, 30 / 45, 40 / 60, 70 / 100, 160/220 types, including： frequency sweep and temperature sweep test, the introduction of self-healing factor and flow factor, discussing from the complex viscosity of the composite modulus and phase angle and the relationship between temperature and scanning frequency and discussed the relationship between different aging. By the relevant data, with the increase of temperature, the composite modulusdecreases, the phase angle increases with the increasing of the temperature. Then the flow factor n and self healing factor AI were introduced to characterize the relationship between the aging time and self healing of 7 days UV accelerated aging and 3 months outdoor natural aging.

Keywords： asphalt mortar;UV aging; self-healing; healing factor

第1章 绪论

1.1研究的背景与意义

1.1.1 研究的背景

我国的高速公路事业高从1984年始建到1988年底通车的第一条沪嘉高速公路开始到2013年，总共拥有总里程8.62万公里，较2012年增加了1.13万公里，增长率达12.1%。全国高速公路车道里程碑42.46万公里，增加了4.87万公里。预计到2020年我国高速公路建设总路程将超过10万公里^[1-2]。

我国高速公路一般采用沥青混凝土路面及水泥混凝土路面俩种，由于沥青路面相比于混凝土路面有较多的优点及适用性。例如：对车辆和飞机的振动影响很小、表面的平整光滑性较好、行车和飞机滑行过程平花舒适、无扬尘、无接缝等，而且路面质量好、施工的机械化程度很高、施工进度快、维护简单，因此，沥青混凝土得到越来越广泛的应用，在国内高速公路建设所使用的主要路面类型中占据主要地位。目前，在我国高速公路建设中，沥青路面使用比例高达以95%以上道路事业的蓬勃发展对道路建设材料提出的更高的要求，例如：增加沥青的抗老化性能，需要沥青有更高的强度和平整度，以及有更好的高温稳定性和低温抗裂性，同时还要求沥青具有较高的自愈合性能较长的使用寿命。

虽然近年来我国的高速公路道路建设取得了飞速发展，但是从更深一层来看，我国高速公路的建设质量以及环境效益和发达国家相比仍有所欠缺，这也是制约我国高速公路建设和发展的首要问题。首先，在温室效应日趋严重的今天，我们的温室排放量仍然未得到有效控制。其次，我国道路汽车的主要特点是交通量较大，且超载行为较为严重，再加上我国高速公路建设规模较大，在材料质量检测以及施工工艺监督方面存在着诸多不足，需要加以改进。从目前情况来说，我国沥青路面的早期设计年限较短，且地势复杂，部分道路遭遇灾害较为频繁，所以需要不断的进行监管和养护，这不仅浪费了许多人力物力，更是对道路质量有严重的损害，对车辆及司机乘客有较为严重的安全威胁，易引发交通事故。因此，如何提高沥青材料在使用过程中疲劳问题和强度问题在当下显得十分迫切。

在沥青长期的使用过程中，沥青路面会受周围复杂环境的影响，容易造成老化及内部微裂纹和局部损伤。对于路面损害较轻者会出现沥青路面使用寿命下降，严重的话将会危及整个路面结构从而造成较为严重的路面交通事故。因此，如何延缓服役路面沥青的老化行为以及增强沥青路面早实际使用中的的自愈合能力在当下的研究显得尤为重要。然而，在实际的沥青研究试验中存在着许多局限性，想要探测到沥青路面内部的微小裂纹几乎是不切实际的。但是，如果沥青路面内部的裂纹得不到修复，可能会造成更严重的事故，为此，我们迫切需要研究沥青老化与时间和自愈合的关系，更主动地对沥青路面内部出现裂纹的地方进行修复，这不仅可以节约成本，同时可以延长沥青的使用安全性能和使用寿命。

1.1.2 研究的意义

沥青路面在实际使用中最常见的危害包括老化、疲劳破坏、永久变形等。近几十年来得到了怪内外的广泛关注与研究。沥青老化是指沥青在拌之，存贮，运输及路面使用过程中由于长时间暴露在空气中，和阳光的紫外照射下，加上其他环境环境因素的作用，发生的挥发、氧化、聚合、缔解、硬化等物理化学作用的行为，导致沥青内部分子网络结构和化学组分含量以及官能团发生变化，进而促使沥青物理化学性质发生变质过程^[3]。沥青老化和愈合问题一直是国内外学者研究的重点，众多学者对沥青老化进行了多方面的研究。沥青另外两种危害：疲劳破坏、永久变形是指在不同交通载荷作用引起的疲劳和不同温度周期作用下引起的疲劳，以及在不同温度和不同交通载荷周期作用时引起的路面变形。影响疲劳和变形的因素非常多，研究人员们正致力于设计一种可持续使用的路面，使得路面的结构和材料具有较强的自愈合能力从而能延长服役沥青路面的使用寿命。

自愈合材料是指在沥青在服役使用期间能自我修复部分损伤的一种粘弹性材料。同时材料随着服役时间的延长，沥青材料的各种性能会发生裂化：微观结果会发生内部结构被破坏，组分改变，从而导致裂缝的增加，最后造成不可愈性损坏。

与其他高分子道路材料相同的是，当沥青材料出现损坏产生疲劳时，它的硬度会增加，强度会减小。很多研究者都已经发现，沥青在循环载荷过程中，它会有微裂纹的产生—微裂纹的增长—形成表观裂纹这几个阶段。二十世纪七十年代时，沥青材料的自愈合行为首次被被检测到了—在疲劳测试中，引入间歇期会使沥青发生模量恢复。对沥青胶合料来说，愈合就是材料性能自我恢复以及材料内部裂缝的闭合。更进一层来说，有物理化学说和力学性能俩种解释，前一种是指随着沥青分子和网络结构的修复其微观疲劳的损伤速率也减小了，这与沥青胶浆的化学和物理性能有关。对于第二种说法就是，沥青材料的愈合行为被视为材料在间歇期发生的自身力学性能部分复原，沥青机体在间歇期能恢复其部分强度^[4]。 通过定义可以知道，自愈合能力的大小和它的愈合因子有关，而愈合因子则可以通过DSR的温度频率扫描测出复数模量和相位角计算得出。学者们指出，虽然模量和强度都是在间歇期内发生恢复，但是其所需的时间不同。

多项研究表明，沥青在引入在间歇期以及环境温度较高时，沥青材料能发生我愈合行为，从而自动延长路面的使用寿命，减少其疲劳损伤。

以下为较为突出的三个研究试验：

Kim通过研究高分子扩散模型，认为沥青材料的自愈合大致分为5步：

a.表面重组b..表面接触c..润湿d..扩散e.随机化。

Phillips在Kim的基础上研究扩散模型，更进一步的解释了沥青自愈的行为。他认为沥青的自愈合过程分三步：

a在高温时由于沥青转为粘流性及外加应力的存在而使得微裂纹关闭。

b表面能的存在适合沥青表面的微裂纹发生闭合。

c由沥青内部网络结构和分子结构发生改变到时其性能发生恢复。

在这些过程中，粘流性和应力的存在使得裂纹关闭这一步是相对与其他俩步发生速度较快，且作用时间较长，但是都能使沥青的模量和强度得到恢复，这表明：沥青的自愈合能力与其本身的粘流性关系较为密切，因此，通过DSR研究其粘流性的方法得到了有利支撑^[5]。

学者邱健在前两位学者研究的基础上做出了更为完善的解释，他指出：沥青的自愈合过程中的恢复过程为3步：

a.流动性和弹性虽然表示不同方面，但是都可以反映出裂缝的关闭。具体说就是，流动在高温主导恢复大裂缝；弹性在低温主导恢复小裂缝。

b.湿润对裂缝恢复是有利的，因为可以通过其表面能计算愈合指数。

c.沥青内部的扩散运动也是十分重要的，这直接关系到了最后强度的恢复程度。

服役沥青路面内部微裂纹的从出现到发展的过程中，老化的速度越快裂纹发展的速度就越快，从而导致沥青的使用寿命减少，因此，解决沥青的老化和裂纹的问题是增强沥青自愈合能力从而增加沥青使用寿命的一个主要障碍。

1.2国内外研究现状

1.2.1沥青老化的国内外研究现状

老化是所有高分子材料都会遇到的问题，沥青老化会导致沥青的性质发生劣化，从而导致服役沥青使用寿命的减少，不仅影响了沥青的结构，更是增加了养护成本。沥青老化的原因是十分复杂的。主要包括沥青材料中轻组分的挥发或减少、氧化和分子间发生结合从而导致大分子量的增加、硬化等等，沥青老化主要分为以下几种形式：

1. 轻组分挥发

沥青是由饱和分、芳香分、沥青质、胶质及甲苯不溶物等大分子物质组成的，它随着温度的升高，轻质油分会不断挥发或向重组分转化，从而导致沥青原来的组分发生变化，使沥青硬度和脆性增加，粘结性减低，关于这种老化是大家一致认可的。

1. 氧化作用

空气中的氧气是一种活泼性气体，他能和沥青材料中的部分化学成分反应，破坏其结构并改变其各组分含量，从而导致沥青的性质发生变化。氧气的存在和高温是导致时沥青老化的主要因素，因为这会使沥青中的某些组分的不饱和官能团在高温下与氧结合，生成极性羟基、羰基、或分子量更大的物质，增加了沥青的脆性和硬度，金鸣林通过观测老化后沥青某些特征官能团变化，发现沥青分子中的部分活性官能团和氧反应，生成了含羰基的极性分子。这是老化前后官能团中最明显的变化。

1. 光老化

自然光中的紫外线能量比较高，通过照射可以切断高分子物质的分子链或是引发光化学反应，造成沥青沥青分子结构发生改变。同时自然光的红外线也可被沥青材料吸收并转化为热能，这加速了沥青的老化速度。

1. 气温的变化

大气温度在不同时间不同地区的冷热交替，特别是气温骤变，由于沥青内部的轻组分对温度的敏感性较强，在温度发生变化同时，沥青内部的轻组分也发生了变化。

1.2.2沥青自愈合的国内外研究现状