自愈合材料的自愈机制与沥青材料的自愈机理研究综述

自愈合材料的自愈机制与沥青材料的自
愈机理研究综述
摘要：重复交通荷载引起的疲劳裂缝是沥青路面的主要病害。

开裂和疲劳的
路面需要大量的时间和精力来恢复其原来的性能，因此会造成额外的资源浪费，
并造成环境影响。

降低能耗，恢复路面的最佳性能是发展长寿命路面的迫切需要。

沥青材料的自愈研究对发展可持续道路具有重要意义。

了解沥青材料的自愈机理、影响因素、评价技术和改进方面，了解其自愈能力与疲劳寿命的关系，有助于提
高沥青路面的预防性养护和使用性能。

本文即概述了自愈合材料的自愈机制与沥
青材料的自愈机理，为沥青路面自愈合技术的发展提供了重要参考。

关键词：沥青、自愈合、自愈合材料、影响因素
0 引言
自愈合具有内在的层次性和独特的多尺度特性，因此这是一种很有前途的方法，可以在不破坏原始结构的情况下修复裂缝和恢复铺装性能，从而提高沥青路
面的耐久性。

与传统的养护技术相比，自我修复方法可以显著降低路面养护成本、二氧化碳排放和道路安全问题。

沥青是一种粘弹性流体，具有较强的表面润湿和扩散能力，具有自愈合能力，可以闭合微裂纹，从而恢复其刚度和强度。

沥青自愈可以改善沥青路面的疲劳开
裂性能。

裂缝可以在整个自愈过程完成后闭合；因此，沥青材料具有良好的自愈
能力。

沥青材料的自愈合性能有利于延长其使用寿命，本文从分子运动机理、沥青
性质等方面综合考虑了沥青运动扩散、沥青粘弹性、触变性等因素，详细分析了
其对沥青及沥青混合料自愈性能的影响。

本研究旨在为耐久路面施工的高性能自
愈合沥青材料提供理论参考。

1 自愈合机制
自愈合材料可以自行愈合，也可以在活化后愈合，最终恢复力学、光学、电学等多种性能。

自我修复原理已从化学领域扩展到工程领域。

自愈合高分子材料显示出良好的应用前景。

可逆聚合物在聚合和交联过程中具有共同的可逆性。

内在的自我修复是由大分子相互作用驱动的。

沥青被认为是一种复杂的聚合物，其自愈机理同样源于聚合物的自愈机理。

外部触发，如热效应、光化学效应和电效应，对于增强这一过程是重要的。

有效地、自主地恢复其功能是自修复功能材料面临的问题。

1.1.热可逆反应
根据时间/热可逆粘度的理论，在加热和外部刺激修复损伤时，粘度会急剧下降。

冷却后，局部性质(例如粘度)会恢复到初始值。

Chen等[1]通过自愈合的概念设计了具有热可逆性的可治愈聚合物。

以多呋喃和马来酰亚胺为原料，通过Diels-Alder(DA)反应合成了这些高度聚合的高分子材料。

单体键连接在120℃以上断开(对应于逆向DA反应)，然后在冷却时重新连接(即DA反应)。

这一完全可逆的过程显示出57%的断裂韧性恢复率。

这些聚合物具有与商用环氧树脂和不饱和聚酯相当的力学性能。

1.2光可逆反应
光可逆反应也可以实现聚合物的自愈。

光化学[2+2]和[2+4]环加成反应是用于聚合物光化学愈合的最常见的光二聚反应，因为环加成反应会导致C=C键的逆转，并且这种现象很容易在固态物中发生。

当裂纹形成和扩展时，环丁烷反会转到原来的肉桂酰基结构，裂纹愈合也可以通过肉桂酰基的再加成来完成。

其他可逆化学反应，如二硫键、活化硅、酯交换、动态C-C键交换和可逆C-ON键等也已有了进一步的研究。

这些具有可逆共价键的机制拓展了材料自我修复的领域，并为各种要求提供了额外的选择。

2 沥青的自愈机理
2.1分子互扩散
由于沥青的化学组成复杂，其自愈机理是一个多因素综合作用的过程。

沥青
结合料可以在荷载循环过程中自行修复或恢复轻微损坏。

沥青的化学性质，如长
链和支链，会影响其自愈性。

愈合机制之一是分子在裂缝界面上的自扩散。

分子动力学(MD)计算机模拟在物理定律的基础上考虑原子和分子的相互作用。

MD是由Wool等人提出的理论发展而来的广泛应用于沥青材料的一种理论。

其主
要作用为确定沥青结合料的自愈性。

根据该理论模拟出的扩散系数被用来评估沥
青粘结剂的愈合能力。

分子扩散在自愈过程中起着重要作用。

扩散系数越大沥青的自愈性能越强，
因此引入该参数来评价沥青结合料的自愈能力。

分子扩散速率对沥青的自愈能力
有很大影响。

根据MD模拟，当温度低于273K时，纯沥青的扩散系数大于SBS改
性沥青的扩散系数，在此温度下(玻璃态转变温度附近)，沥青胶结料的行为类似
于非牛顿流体。

在高于273K的模拟温度下，SBS改性沥青的扩散系数高于纯沥青
的扩散系数，这一结果表明SBS改性对沥青的愈合能力有很大的影响。

这一结果
是基于扩散系数给出的，且高温有利于沥青分子的自扩散，并为分子的快速运动
提供动能。

2.2毛细流动
当沥青中的新裂缝之间存在较大间隙时，毛细流动不会发生分子间扩散。

然而，如果经过一定时间的养护，并对沥青材料施加足够的能量，那么愈合可以继续，可见的裂缝将会消失。

考虑到基于分子扩散和可逆键形成的愈合理论不适用，提出了基于毛细流动
的愈合理论来解释沥青路面裂缝愈合。

当裂纹表面接触时，可以观察到接触点和
间隙。

如果粘结剂的行为类似于新托尼期流体，则可在接触点观察到压差，并可
作为沥青胶结料毛细流动的驱动力。

在合适的温度条件下，沥青裂缝中的毛细流
动将导致裂缝闭合。

毛细管现象可以通过修正简化的卢卡斯-沃什伯恩方程来研究。

如果沥青混凝土的温度足够高，使沥青表现为牛顿流体，毛细现象将从两条裂缝的接触点开始。

沥青将以毛细流动的形式流过任何裂缝，当温度高于温度阈值时沥青材料即会愈合。

因此，在一定时间内，将温度提高到牛顿转变温度以上是修复沥青混合料最合适的方法。

2.3触变
触变性是指由于二元相中的分子重排而表现出可逆结构变化的流体的趋势。

当沥青材料受到外部应力时，触变性和自愈性同时发生。

沥青触变性源于分子或大分子层面上相互作用(弱键)的演化。

触变性已经被用来描述沥青在高温下的非牛顿行为。

沥青触变性是指随着加载时间的增加，沥青粘度逐渐降低，当加载停止时，沥青粘度恢复。

粘度的降低和增加是由于微观结构的破坏和重组所致。

这种现象类似于沥青的疲劳和自愈，即微观结构的破坏和重组。

宏观上表现为模量、粘度等参数的降低和增加。

触变性会导致振荡循环期间的结构变化和长时间的瞬变，这可能会影响沥青胶结料在振荡载荷作用下的疲劳和愈合。

3 结论与展望
综述了沥青材料的自愈机理，从分子水平上探讨了沥青材料的自愈能力与沥青疲劳寿命之间的关系，以期改善沥青的路用性能。

讨论了影响沥青自愈率的因素，其中分子扩散在沥青的自愈过程中起着重要作用，扩散系数的增大加速了沥青的自愈性能。

毛细流动和触变性也对沥青材料的自愈性有较大的影响。

沥青材料的自愈研究对发展可持续道路具有重要意义。

了解沥青材料的自愈机理、影响因素、评价技术和改进方面，了解其自愈能力与疲劳寿命的关系，有助于提高沥青路面的预防性养护和使用性能。

本文为沥青路面自愈合技术的发展提供了重要参考。

[参考文献]
[1]Chen X., Wudl F. & Mal A. K. et al., "New Thermally Remendable Highly Cross-Linked Polymeric Materials," Macromolecules, Vol.36, No.6(2003), pp.1802-1807.。