基于流变学的岩沥青砂浆低温及疲劳自愈合行为研究

Currently, the physical and chemical characteristics of rock asphalt are still unclear, the influence of rock asphalt on low-temperature performance of mixture is controversial, and there are few researches on self-healing behavior of rock asphalt composites. The project takes four typical rock asphalts at home and broad, and their mortars as the objective of research, and applies the state-of-the-art methods to explore the physical properties and chemical composition of rock asphalt in both micro and macro scales, thus clarifying the physicochemical characteristics of rock asphalts. The project utilizes bending beam rheometer (BBR) and tension-compression dynamic mechanical analyzer (DMA) to conduct low temperature creep-recovery and flexural failure tests on rock asphalt mortar beam specimens, thus revealing their low-temperature anti-cracking properties, and propose evaluation methods for low-temperature anti-cracking performance of rock asphalt mixture based on the performance tests for asphalt mortar. Similarly, the project utilizes dynamic shear rheometer (DSR) to conduct fatigue cracking and self-healing test on rock asphalt mortar, and puts forward the self-healing evaluation index that reflects true material behavior. This study also devises a fatigue life prediction model based on viscoelastic continuum damage theory (VECD) that incorporates the effect of the fatigue damage and self-healing characteristics of rock asphalt mortar. The findings from this study will provide a theoretical basis for optimizing the performance of rock asphalt mixture and will advance the effective use of natural resources such as rock asphalts in civil engineering construction.

目前，不同产地岩沥青的物化特征尚不清晰，岩沥青对于混合料体系低温性能的影响评价还无统一结论，岩沥青砂浆自愈性的研究还近乎空白。本项目以国内外四种典型岩沥青及其沥青砂浆作为研究对象，综合联用多种现代测试手段，从宏观和微观等多尺度水平探究岩沥青的物理性质和化学结构组成，以明晰不同产地岩沥青的物化特征；借助弯曲梁流变仪和拉伸-压缩动态力学分析仪设备平台，采用砂浆小梁试件进行低温蠕变恢复试验和低温断裂试验，以全面揭示岩沥青砂浆的低温抗裂性能，并据此提出基于沥青砂浆性能试验的岩沥青混合料低温抗裂性能评价方法；采用动态剪切流变仪开展岩沥青砂浆疲劳试验和疲劳自愈合试验，根据粘弹连续损伤理论提出反映材料本质的自愈性评价指标，构建基于材料属性的考虑自愈合影响的岩沥青砂浆疲劳寿命预估模型，以深刻分析岩沥青砂浆的疲劳自愈合行为特征。项目研究成果可为岩沥青混合料性能优化提供理论依据，对于自然资源有效利用意义重大。

目前，不同产地岩沥青的物化特征尚不清晰，岩沥青对于混合体系低温性能的影响评价还无统一结论，岩沥青砂浆自愈性的研究还近乎空白。本项目以国内外三种典型岩沥青及其沥青砂浆作为研究对象，首先，综合利用多种现代测试手段对岩沥青的物化特征进行了研究，结果表明：岩沥青是一种无机矿物质与沥青物质组成的混合物，具有软化点高、分子量大、沥青质含量高等特点；基于岩沥青的分类标准，将UM岩沥青与QC岩沥青同归属于脆沥青岩，Buton岩沥青归属于油砂；结合岩沥青各自的特点及不同掺配工艺的要求，推荐前两者采用“湿法”工艺， 而后者采用“干法”工艺。然后，借助弯曲梁流变仪和拉伸-压缩动态力学分析仪，进行了砂浆小梁试件的低温蠕变恢复试验和低温断裂试验，据此全面分析了岩沥青砂浆的低温抗裂性能，结果表明：岩沥青的添加及掺量均对沥青砂浆的低温抗裂性能产生了一定程度的负面影响，但整体影响不大；当掺量相同时，三种岩沥青砂浆具有基本相当的低温性能；在此基础上，提出了基于沥青砂浆性能试验的岩沥青混合料低温抗裂性能评价方法。最后，采用动态剪切流变仪，针对砂浆小圆柱体试件开展了疲劳试验和疲劳～自愈合试验，根据粘弹连续损伤理论，提出了反映材料本质的岩沥青砂浆自愈性评价指标，建立了考虑自愈合影响的岩沥青砂浆疲劳寿命预估模型，在此基础上，全面揭示了岩沥青砂浆的疲劳特性和自愈合特性，结果表明：岩沥青具有显著增强沥青砂浆疲劳性能的能力；当掺量相同时，UM岩沥青和QC岩沥青砂浆具有基本相当的抗疲劳性能，且均优于Buton岩沥青；在间歇期比较长时，UM岩沥青和QC岩沥青均对沥青砂浆的自愈性具有一定程度的增强作用，而Buton岩沥青对其的影响则甚微；在间歇期延长和掺量增加的耦合作用下，Buton岩沥青对沥青砂浆的自愈性产生了一定的负面影响，但整体影响程度不大。项目研究成果可为岩沥青混合料组合设计及性能优化提供理论依据。同时，该项目对于自然资源有效利用和环境保护等方面具有重大应用价值。