摘 要

微胶囊在增强沥青自愈合性能、延长沥青路面使用寿命方面具有非常大的潜力。首先，利用红外光谱定量分析方法，评价了微胶囊在沥青混合料中的存活率。然后，利用沥青黏结强度试验对含有微胶囊的沥青进行拉拔测试，借助荧光显微镜观测拉拔断面中微胶囊的激活行为沥青网sinoasphalt.com。在此基础上，利用四点弯曲疲劳试验研究微胶囊对沥青混合料疲劳与自愈合性能的影响。研究结果表明，微胶囊在温拌沥青混合料的存活率可达69.87%，比在热拌沥青混合料中高9.64%。在常温条件下，微胶囊可以被沥青中的裂缝激活并释放再生剂。微胶囊对沥青混合料的初始抗疲劳性能有显著增强作用，主要因为微胶囊在施工期间和加栽过程中释放出的再生剂软化了沥青，降低了沥青混合料试件的内部应力并极大程度上加速裂纹愈合。适量的微胶囊能够显著增强沥青混合料的自愈合性能，而且随着“疲劳－愈合”次数的增加，微胶囊对沥青混合料自愈合性能增强作用逐渐凸显。

关键词

路面工程 | 沥青混合料 | 微胶囊 | 自愈合

沥青材料已成为世界范围内应用最广泛的路面材料之一。沥青路面出现的裂纹如不能及时闭合，将会发展成为宏观裂缝，路表水由此进入路面内部，将加速路面破坏。受到生物体伤口自愈合机制的启发，国内外学者通过各种手段增强沥青混合料的自愈合能力[1]以达到延长路面使用寿命的目的。

目前，主要利用感应加热[2]和添加含愈合剂的胶囊[3]、纳米颗粒[4]等手段增强沥青材料自愈合性能。其中，含愈合剂的胶襄具有初步的智能修复效果，即微胶囊可感知裂纹，自动释放愈合剂促进裂纹愈合，因此具有极大的应用前景。2008年，Garcia等提出了基于胶囊化技术增强沥青自愈合性能的构想[5]。之后，国内外学者研发了多种包裹愈合剂的胶痪，包括多孔砂胶囊[6]、海藻酸钙胶囊[7]、聚合物微胶囊[8-10]、聚合物纤维[11,12]等。重点研究了胶囊在沥青材料中的应用效果，发现胶囊能够均匀地分布在沥青中[13]，而且能够明显提高沥青的自愈合速率[14-16]。然而，目前的研究集中于微胶襄对沥青胶结料性能的影响，而微胶囊在沥青混合料中的应用效果研究相对较少。显然，微胶囊在沥青混合料中的存活与激活行为与其作用效果密切相关，而基于微胶囊的存活与激活行为可以更好地解释微胶囊对沥青混合料的疲劳与自愈合性能影响。

本试验在分析微胶囊在沥青混合料中的存活率和激活行为的基础上，研究了微胶囊对沥青混凝土疲劳与自愈合性能影响。

试验材料与方法

试验材料

本研究所用微胶囊的囊壁为三聚氰胺-尿素-甲醛(melamine-urea-formaldehyde,MUF)树脂，囊芯材料为沥青再生剂。如图1所示，微胶囊的外观为白色粉末，微观形态为规则球体，其平均粒径为24.43µm,载药量为75.41%。微胶囊的扫描电镜图像显示，微胶囊囊壁由致密内壁和粗糙外壁构成，此特点对微胶囊应用于沥青混合料是非常有利的。致密的内壁可以避免再生剂过早泄露，而粗糙外壁利于增强微胶囊与沥青的黏结强度。再生剂性质见表1。

沥青混合料类型为AC-13,其中胶结料为泰普克70号基质沥青，其主要技术指标测试结果见表2,完全满足规范[17]要求。另外，4.75mm及以上粒径集料为玄武岩，4.75mm以下粒径集料为石灰岩，矿粉由石灰岩磨细而得。沥青混合料的级配见表3，油石比为4.5%。本研究所用温拌剂为蜡质DXH温拌剂，其性质见表4。

试验方法

(1)微胶囊存活率测定方法

在沥青混合料的拌和与压实过程中，微胶囊应能够抵抗高温和机械搅拌作用。为了提高微胶囊在沥青施工过程中的存活性，降低微胶囊过早破裂对混合料性能影响，有必要准确测定微胶囊在沥青混合料中的存活率。

文献[18]将微胶囊存活率(SurvivalRate,SR)定义为，经历拌和、摊铺和辗压后保持形态完好的胶囊数最与初始微胶囊数量之比。通常，微胶囊的存活率以施工后微胶囊破裂后释放到沥青中的芯材量(m reloasedoil)与掺加的全部微胶囊的芯材量(m,lotal oil in capsules)之比表示，计算式见式(1)[2]。其中，难点在于准确测定在施工过程中微胶囊破裂后释放到沥青中的芯材量。文献[2,19]报道了沥青中芯材浓度与红外光谱吸收峰面积成线性关系，因此可以用芯材吸收峰面积定量分析沥青中芯材浓度。本研究基于傅里叶红外光谱定量分析法，测定微胶囊芯材的释放量，具体试验步骤见文献[2]。

(2)微胶囊激活行为评价方法

本研究采用黏结强度(bitumen bond strength,BBS)试验模拟沥青材料在拉应力作用下的开裂，研究沥青开裂时微胶囊的激活行为。按照AASHTO TP-91的规定，在20℃条件下进行BBS试验，然后利用荧光显微镜观测断面中微胶囊的形态，评价微胶囊在沥青开裂时的激活行为。

(3)四点弯曲疲劳试验

本研究确定采用四点弯曲疲劳试验，研究微胶囊对沥青混合料疲劳与自愈性能的影响。根据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中相关规定进行四点弯曲疲劳试验，试验温度为15℃，正弦波加载频率为10Hz,应变为550µe。以第50个循环得到的弯曲劲度模量为试件的初始劲度模量，当混合料劲度模量下降至初始模量的50％时中止试验，此时加载次数为疲劳寿命。将试件放在30℃恒温环境箱中保温愈合24h,待愈合时间结束后，在15℃条件下静置至少4h。以相同的应变和加载模式进行第2次疲劳试验-第2次愈合-第3次疲劳试验。试验结束后，各试件的自愈合指标按式(2)和(3)进行计算。

微胶囊在沥青混合料中的存活与释放行为

微胶囊的存活行为

掺加微胶囊的沥青混合料制备直径100mm的马歇尔试件，将试件置于110℃恒温箱中保温2h，待沥青软化后手工掰散。借助荧光显微镜观察微胶囊在集料表面的形貌，能够更直观地研究微胶囊在沥青混合料施工过程中的存活行为，如图2所示。虽然微胶囊被聚合物囊壁包裹，但由于微胶囊囊壁较薄，在紫外线照射下仍能发出荧光。黄绿色圆点是存活的微胶囊，暗绿色背景是沥青。与热拌沥青混合料相比，温拌沥青混合料中存活的微胶囊更多。

为了量化微胶囊在沥青混合料中的存活率，基于红外光谱定量分析方法，实测了不同施工温度条件下沥青混合料中微胶囊的存活率，结果如图3所示。在不同施工温度下，微胶囊存活率存在显著差异，温拌条件下微胶囊的存活率更高，与荧光显微镜的观测结果一致。当施工温度由165℃降低至135℃时，微胶囊的存活率提高了9.64%。可以从两方面解释此现象：一方面，温度升高导致微胶囊力学强度下降[20]，可能会降低微胶囊在搅拌过程中的存活率。另一方面，施工温度的升高导致微胶囊芯材的体积膨胀，由于囊壁的约束，微胶囊囊壁所承受的内力增大，微胶囊破裂的风险相应升高。总之，是多方面的原因共同导致施工温度升高时微胶囊在施工过程的存活率降低。在后续的研究中，以温拌沥青混合料为主要研究对象，评价微胶囊对沥青混合料的疲劳与自愈性能研究。

微胶囊的释放行为

掺加微胶囊的沥青经过BBS测试后，用荧光显微镜观测断面中微胶囊形态，如图4所示。可以清晰的看到微胶囊外圈存在一定厚度的暗环，是微胶囊囊壁断面，说明沥青材料断裂时微胶囊可被裂缝成功激活并释放再生剂。

沥青混合料疲劳性能

图5给出了温拌沥青混合料试件劲度模量随加载次数的变化曲线。与AC-13沥青混合料相比，掺加4％微胶囊的沥青混合料劲度模量更小。这是因为在沥青混合料施工过程，30.13%的微胶囊破裂释放再生剂，沥青材料被软化。与掺加微胶囊的沥青混合料相比，未掺加微胶囊沥青混合料的劲度模量衰减速率更大，说明微胶囊增强了沥青混合料的抗疲劳性能。

为了量化微胶囊对沥青混合料的疲劳性能的影响，以劲度模量衰减50％为疲劳破坏判定标准，不同微胶囊掺扯的温拌沥青混合料的疲劳寿命汇总于表5。图6给出了微胶囊掺量对温拌沥青混合料疲劳寿命延长率的影响曲线。结合表5可以看出，添加微胶囊能显著延长沥青混合料的疲劳寿命。其中可能原因可以从三方面来考虑：首先，微胶囊在施工过程释放出的少量再生剂软化了沥青，降低了混合料的劲度模量，在控制应变条件下，试件内应力更小，其疲劳寿命相应更长。其次，掺加微胶囊的沥青更软，沥青混合料裂纹愈合速度更快，间接利于延长混合料疲劳寿命。最后，在沥青混合料疲劳开裂时，微胶囊被激活释放出再生剂，促进了裂纹愈合，同样也助力于延长混合料的疲劳寿命。然而，值得注意的是，沥青混合料的疲劳寿命并不是随着微胶囊掺昼持续增长，图6显示当掺量超过4％时，沥青混合料疲劳寿命随掺量增长速率变缓。微胶囊掺量在4％以内时，每增加1％的微胶囊可以延长沥青混合料疲劳寿命约20%。

沥青混合料自愈合性能

不同微胶囊掺量的温拌沥青混合料自愈指标见表6。

为直观分析微胶囊对混合料的自愈合指标的影响，对混合料的愈合指标进行归一化处理，即以为未掺加微胶囊的沥青混合料为基准，将试验结果绘制成图7和图8。为了确定微胶囊的最佳掺量，利用二次多项式对沥青混合料愈合指标-微胶囊掺量进行线性拟合，拟合结果和最佳微胶囊掺量见表7。

图7给出了不同掺量微胶囊对温拌沥青混合料HJ1的提高率，结合表7可以看出：

(1)HI^1随微胶囊掺量呈现“先增后减”的现象。表7显示了沥青混合料的HI1与微胶囊掺量线性相关显著，拟合R^2均大于0.9,而且最佳微胶囊掺量均在3.29％范围。当微胶囊较少(小于3%)时，沥青混合料的HI^1显著提高，是因为微胶囊释放出再生剂软化沥青，增强了沥青自愈合能力，进而提高了沥青混合料的。然而，当微胶囊掺扯继续增加(大于3%）时，微胶囊释放的过量再生剂将降低沥青黏度，促进了微裂纹的愈合，但是由于微裂纹处的沥青比其他位置的沥青明显更软，这对于愈合后沥青混合料的抗疲劳是不利的，即不利于疲劳寿命的恢复。如果微胶囊掺量继续增大并超过6%，很可能会对沥青混合料的HI^1产生负面影响。因此，微胶囊掺量宜少不宜多，根据沥青混合料的“疲劳-愈合-疲劳”试验结果可以确定其最佳掺量。

(2)第一次愈合时，温拌沥青混合料的HI^1提高了2.63倍，而第二次愈合时，HI^1分提高了3.23倍。这一现象说明随着沥青混合料服役时间的延长，微胶囊对混合料愈合性能的增强作用逐步凸显。

HI^2综合考虑了沥青混合料的力学性质和疲劳性能恢复情况，可反映出沥青混合料的裂纹愈合能力。由图8可以看出，HI^2与HI^1的变化规律相似度极高，微胶囊的最佳蝉联为3%~4%。

结论

基于微胶囊在沥青混合料中的存活与激活行为，研究了微胶囊对沥青混合料疲劳与自愈合性能的影响，主要得到以下结论：

(1)施工温度显著影响微胶囊在沥青混合料中的存活率。施工温度由165℃降低至135℃时，微胶囊的存活率可提高9.64%。可通过降低沥青混合料的施工温度提高微胶囊的存活率。

(2)利用荧光显微镜观测到，20℃条件下沥青断裂时微胶囊能够顺利地被激活并释放再生剂。

(3)微胶囊可显著增强沥青混合料的初始抗疲劳性能，主要因为微胶囊在施工期间和加载过程中释放出的再生剂软化了沥青，降低了沥青混合料试件的内部应力并极大程度上加速裂纹愈合。微胶囊掺量在4％以内时，每增加1％的微胶囊可以延长沥青混合料疲劳寿命约20%。

(4)适量的微胶囊能够显著增强沥青混合料的自愈合性能。沥青混合料自愈合指标与微胶囊掺量呈二次线性关系，在30℃愈合温度下的最佳微胶囊掺量约为3%~4%。随着“疲劳-愈合＂循环次数的增加，微胶囊对沥青混合料自愈合性能增强作用逐渐凸显，含微胶囊沥青混合料的HI^1的增长率由263％增至323%。