朱洪洲, 劉玉峰, 袁 海, 范世平, 丁勇杰

(1.重慶交通大學(xué) 交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實驗室,重慶 400074; 2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400074; 3.中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081)

0 引 言

我國高等級路面普遍采用瀝青路面。道路使用過程中,在交通荷載與自然環(huán)境的反復(fù)影響下,瀝青混合料初始損傷演化為微裂縫,進(jìn)而由微裂縫逐漸擴(kuò)展為瀝青路面的宏觀裂縫。然而工程界也發(fā)現(xiàn)夏季高溫能夠促使瀝青路面裂縫封閉[1],也就是說溫度較高時瀝青混合料具有一定自愈合能力。近年來研究表明，給予一定間歇期或使其處于高溫狀態(tài)下,瀝青混合料的勁度模量和強度能夠得到一定程度的恢復(fù)[2]，這可利用文獻(xiàn)[3-5]提出的高分子擴(kuò)散理論解釋,溫度能夠促使瀝青混合料斷裂面瀝青潤濕進(jìn)而分子發(fā)生擴(kuò)散,最后完成結(jié)構(gòu)重組從而達(dá)到自愈。文獻(xiàn)[6]研究了瀝青膠結(jié)料自愈合機(jī)理,認(rèn)為瀝青分子在流動過程中即可使裂縫閉合,表面能促進(jìn)其進(jìn)一步關(guān)閉,分子的擴(kuò)散是提高力學(xué)性能的關(guān)鍵；文獻(xiàn)[7]研究了環(huán)境溫度與時間對瀝青混合料自愈合的性能影響,認(rèn)為環(huán)境溫度與時間對自愈合有促進(jìn)作用,但存在一個最佳值；文獻(xiàn)[8-9]研究感應(yīng)加熱對混合料的自愈合性能影響時發(fā)現(xiàn)，為得到較好的自修復(fù)效果,溫度至少應(yīng)達(dá)到50 ℃；文獻(xiàn)[10]提出在瀝青混合料中添加微膠囊愈合或電磁感應(yīng)加熱瀝青混合料提高其自愈合能力；文獻(xiàn)[11]通過研究微波對熱再生瀝青路面溫度分布的影響,建立了二維非線性熱電耦合模型；文獻(xiàn)[12]對比了2.45、5.8 GHz 2種微波頻率對加熱瀝青混合料的影響；文獻(xiàn)[13-15]在混合料中摻加鋼制材料進(jìn)行微波自愈合研究,結(jié)果表明鋼制材料能夠提高微波加熱溫度,通過微波加熱瀝青混合料使裂縫愈合是可能的；文獻(xiàn)[16]研究了微波加熱時間對混合料微波自愈合性能的影響,結(jié)果表明微波時間對自愈合水平有顯著影響。

利用環(huán)境溫度促使瀝青路面損傷自修復(fù)的效果有限、間歇時間長,且受地理與季節(jié)限制;而微膠囊、感應(yīng)傳熱技術(shù)等增強技術(shù)需提前在混合料中添加相應(yīng)增強材料,故這些技術(shù)尚無法解決我國大部分瀝青路面的裂縫問題。因此本文提出將微波加熱技術(shù)應(yīng)用于瀝青混合料,研究其升溫原理及規(guī)律,通過斷裂前后強度比,分析微波時間、微波強度、微波加熱后混合料溫度和圍壓對混合料自修復(fù)性能的影響,以期為我國瀝青路面的微波加熱自愈合技術(shù)提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料與試驗設(shè)備

1.1.1 原材料

試驗選用SK-70#基質(zhì)瀝青,基本參數(shù)見表1所列，表1中針入度是在25 ℃下，以規(guī)定質(zhì)量100 g的標(biāo)準(zhǔn)針，在10 s內(nèi)穿入瀝青試樣的深度;粗、細(xì)集料與礦粉均為重慶地區(qū)的石灰?guī)r,其各項技術(shù)指標(biāo)均滿足行業(yè)規(guī)范要求。

表1 70#瀝青試驗結(jié)果

1.1.2 試驗設(shè)備

三點加載設(shè)備采用ETM-204C萬能材料測試系統(tǒng),試驗量程20 t,溫度范圍-100～360 ℃；微波設(shè)備采用中國Midea Group生產(chǎn)的EG720FA4-NR,輸出功率700 W,工作頻率2.45 GHz,波長120 mm；紅外熱成像儀采用日本NEC公司生產(chǎn)的便攜式In-fRec R300,溫度分辨率達(dá)0.05 ℃,精度±1%,測試溫度范圍-40～500 ℃。

1.2 級配設(shè)計與試件制備

級配設(shè)計參考《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)選用密級配AC-13C,見表2所列。

表2 AC-13瀝青混合料設(shè)計級配

根據(jù)馬歇爾設(shè)計方法確定瀝青混合料最佳油石比為4.9%,將混合料旋轉(zhuǎn)壓實為12個圓柱體試件(直徑100 mm,高度140 mm)。為削弱試件兩端因為密度不均對試驗造成的影響,平行于兩底面將試件兩端各切除20 mm,測定相應(yīng)體積參數(shù)如下：空隙率為3.8%，礦料間隙率為13.8%,有效瀝青飽和度為71.5%，穩(wěn)定度為14.7 kN，流值為2.8 mm。

將每個旋轉(zhuǎn)壓實試件切成4個半圓體試件,總共48個半圓試件(直徑100 mm,高度50 mm,厚度50 mm),為控制試件加載時裂縫發(fā)展方向,在半圓試件直徑邊的中垂線方向進(jìn)行5 mm切縫預(yù)處理,帶預(yù)切口半圓形試件制作及加載過程如圖1所示。

圖1 帶預(yù)切口半圓形試件制作及加載過程

1.3 試驗條件與評價指標(biāo)

利用ETM-204C萬能材料測試系統(tǒng),對半圓彎曲(semi-circular bending,SCB)試件進(jìn)行3點加載試驗,試驗溫度為0 ℃,加載速率為-5 mm/min(負(fù)號表示壓頭方向向下),支點間距為0.8倍半圓試件直徑(80 mm),當(dāng)裂縫從試件5 mm預(yù)設(shè)切口處貫穿至加載初始點時,記錄臨界荷載值P1。使斷裂試件完全表干,進(jìn)行微波加熱自愈合,并用InfRec R300紅外熱像儀測試試件愈合后的溫度,再以相同加載條件進(jìn)行第2次加載,記錄臨界荷載值P2。以半圓試件愈合前后抗彎拉強度之比作為愈合指數(shù)(HI),表征瀝青混合料愈合能力大小,HI越大,愈合能力越強。同一試件的HI即臨界荷載比為：

HI=(P2/P1)×100%

(1)

其中，P1、P2分別為試件愈合前、后2次加載的臨界荷載值。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 微波時間、強度與試件表面溫度關(guān)系

首先確定試驗的微波時間與微波強度,微波時間決定試件加熱的最終溫度,影響自愈合性能,而微波強度決定加熱瀝青混合料的速率,進(jìn)而影響自愈合效率。

本文選用P30、P50、P80、P100共4檔微波強度。在P100檔位時全程工作,輸出功率700 W;在P80檔位時,微波設(shè)備采用間斷工作方式,有效工作時長為設(shè)備設(shè)定時長的80%,則輸出功率為560 W;同理,P50、P30輸出功率分別為350、210 W。每次加熱20 s,觀察試件的愈合情況,試件微波加熱溫度與表面狀況如圖2所示。

圖2 試件微波加熱溫度與表面狀況

從圖2a可以看出，用微波對試件進(jìn)行誘導(dǎo)加熱,試件表面溫度并不完全均勻,色調(diào)越暖表示其溫度越高,試件表面溫度分布規(guī)律性亦不明顯,其表面最高溫度可達(dá)87.9 ℃,其余部分溫度為55～67 ℃。因此本文研究中,在試件表面取9個觀測點(a～i)按3×3矩形陣列,相鄰點間距20 mm,矩陣中心與半圓試件中軸線中點重合,去除觀測點中溫度最大值與最小值后的平均溫度代表單個試件表面溫度。

為探究混合料微波加熱原理以及溫度分布不均勻產(chǎn)生的原因,利用紅外熱成像儀,記錄微波功率560 W時,加熱瀝青與集料60～120 s的溫度情況,如圖3所示，環(huán)境溫度為30 ℃。由圖3可知,集料升溫比瀝青快,溫度分布也更加不均勻。

圖3 瀝青和集料微波加熱溫度狀況

由電磁理論知,微波在物體內(nèi)發(fā)生損耗而轉(zhuǎn)為熱能,物體單位體積損耗的微波功率P[17]為:

P=0.556fεr′ tanδ·E2×10-12

(2)

其中，f為微波的工作頻率；εr′為物料的相對介電常數(shù)； tanδ為介質(zhì)的損耗角正切;E為電場的有效值。

由(2)式可知，在同種微波頻率下,微波加熱與介質(zhì)材料的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切有關(guān),文獻(xiàn)[18]的研究表明,集料的介質(zhì)損耗角正切遠(yuǎn)高于純?yōu)r青的,因此混合料的熱量主要來源于集料在微波中的介電損耗；集料溫度升高后再將熱量傳遞給瀝青,而集料微波加熱效率受粒徑大小的影響,粒徑越小吸收微波能力越強[19]。因此瀝青混合料破壞時,斷裂面集料損失情況決定著瀝青混合料自愈合水平。

從圖2b可以看出,當(dāng)試件進(jìn)行高微波強度長時間加熱時,表面平均溫度達(dá)100 ℃以上,瀝青混合料中大量的瀝青軟化,在輕微擾動下,試件立即松散。因此在微波條件下對試件的自愈合性能進(jìn)行研究時,應(yīng)探究微波強度、時間與加熱溫度的關(guān)系,對48組數(shù)據(jù)進(jìn)行主效應(yīng)與交互效應(yīng)檢驗,結(jié)果見表3所列。分析環(huán)境溫度為27～31 ℃時,試件表面溫度隨微波時間、強度變化趨勢,其中每種工況下試件表面溫度取其3組平行試驗的試件表面溫度的平均值,結(jié)果如圖4所示。

表3 主效應(yīng)與交互效應(yīng)檢驗

圖4 試件表面溫度隨微波加熱時間和功率變化

由表3可知,微波作用時間、微波強度的P值均小于0.05,因此微波作用時間、微波強度對試件表面溫度的影響顯著,但加熱時間*微波強度的P值大于0.05,不存在交互作用。從圖4可以看出，表面溫度分別隨微波作用時間、強度增長而增長。試驗最高溫度97.8 ℃對應(yīng)微波功率700 W與微波加熱時間120 s,最高溫度未超過100 ℃,滿足試驗要求。綜上所述,對圖4中數(shù)據(jù)采用多元回歸建立瀝青混合料表面溫度與微波功率、微波時間關(guān)系式為:

y=0.702 2+0.303 67x1+0.084 02x2,

R2=0.935 2

(3)

其中，y為試件的表面溫度;x1為微波作用時間;x2為微波功率。

2.2 微波強度、時間對瀝青混合料自愈合的影響

2.2.1 微波作用時間對自愈合的影響

自愈合指數(shù)HI隨微波加熱時間變化趨勢如圖5所示。從圖5可以看出,在進(jìn)行微波加熱后,瀝青混合料的HI最高能夠達(dá)到82%,各微波強度下,半圓試件的HI隨時間增長而增長,說明微波作用時間對瀝青混合料自愈合性能有一定促進(jìn)作用,且微波作用時間短,能夠在較短的間歇期內(nèi)完成瀝青路面的自愈合修復(fù)。

圖5 自愈合指數(shù)HI隨微波作用時間的變化趨勢

瀝青混合料自愈合指數(shù)在各微波功率下隨時間變化的趨勢并不一致,微波功率210 W時,瀝青混合料自愈合指數(shù)隨時間增長十分緩慢,愈合能力較差,其余各微波功率下,半圓試件自愈合指數(shù)隨時間變化的增長率均先增大后減小。微波功率350、560 W下,自愈合指數(shù)在100 s時有較大提高,分別達(dá)到42%、68%,與80 s時相比分別提高了103%和36%。120 s時,350、560 W微波功率下的半圓試件自愈合指數(shù)分別達(dá)到51%、72%,與100 s相比分別提高了23%和6%,表明350、560 W 2檔功率下的最佳愈合時間為100 s;而700 W時,瀝青混合料在60～80 s的自愈合指數(shù)增長率最高,故其最佳愈合時間為80 s。

由圖4a可知,各微波功率下的最佳愈合時間與瀝青混合料加熱后的溫度有關(guān)。微波功率210 W時,微波作用60～120 s試件對應(yīng)溫度為37.1、47.3 ℃,均未達(dá)到瀝青軟化點,故HI低且增長緩慢；當(dāng)微波功率為350 W時,瀝青混合料溫度超過瀝青軟化點,自愈合性能也得到很大提升；當(dāng)微波功率為350、560、700 W時,在各自最佳愈合時間下,瀝青混合料的溫度分別為64.9、79.8、81 ℃,均已超過瀝青軟化點,但560 W與700 W的HI比350 W分別高63%、69%,故最佳愈合溫度為80 ℃。由此可見,加熱后混合料溫度越高,自愈合指數(shù)越高,由于溫度越高降到軟化點以下所需時間越長,潤濕的瀝青分子在裂縫間的擴(kuò)散就越充分,則自愈合性能越好。

2.2.2 微波功率對瀝青混合料自愈合的影響

愈合指數(shù)HI隨微波功率變化如圖6所示。

圖6 自愈合指數(shù)HI隨微波功率的變化趨勢

由圖6可知,試件HI均隨微波功率增長而呈增大趨勢,與微波功率350 W相比,560 W在60、80、100、120 s的HI分別提高了118%、129%、63%、41%；與微波功率560 W相比,微波功率為700 W在微波時間60、80、100、120 s的HI分別提高了17%、41%、16%、14%,可見微波時間為60、100、120 s時,瀝青混合料自愈合性能從560 W到700 W的提高不多,考慮節(jié)約能源和避免溫度過高對瀝青混合料路用性能的影響,560 W應(yīng)為在微波時間為60、100、120 s時最佳微波功率。而微波時間為80 s時,瀝青混合料自愈合性能在700 W時仍有較大提高,且HI能夠達(dá)到71%,愈合效果較好,故700 W為80 s時的最佳微波功率。

由圖4b可知,60 s時,350 W的瀝青混合料溫度尚未達(dá)到瀝青軟化點,560 W時瀝青混合料溫度超過瀝青軟化點,由于微波作用60 s隨微波功率增加的加熱速率低,從560 W提高到700 W時,試件溫度提高不多,相應(yīng)的自愈合性能提升幅度也不大;在100、120 s時,350 W的瀝青混合料溫度分別為64.9、69 ℃,560 W的溫度分別為79.8、86.1 ℃,而80 s時,560、700 W的瀝青混合料溫度分別為70.6、81 ℃,可見70、80 ℃降至軟化點時長不同是導(dǎo)致愈合性能差異顯著的主要原因,而超過90 ℃后,這種差異有所下降。

綜上所述,考慮自愈合性能與能耗經(jīng)濟(jì)性,取(700 W,80 s)、(560 W,100 s)為2組最佳微波功率與最佳微波作用時間。

3 結(jié) 論

(1) 微波誘導(dǎo)加熱主要是通過集料在微波電場中發(fā)生介電損耗而產(chǎn)生熱量,微波加熱混合料熱量分布不完全均勻,且加熱溫度不宜超過100 ℃,微波作用時間、微波強度均對基質(zhì)瀝青混合料表面溫度影響顯著,但不存在交互作用,并在此基礎(chǔ)上通過回歸分析給出了微波作用時間、微波功率與混合料溫度的關(guān)系式。

(2) 考慮微波作用時間與微波功率對自愈合性能的影響,兩者均對混合料自愈合有促進(jìn)作用,但并非微波作用時間越長、微波功率越大越好,不同功率下的最佳微波時間有偏差,分析得出2組最佳微波功率與作用時間為(560、100 s)和(700 W,80 s),其愈合率分別能達(dá)到68%和71%。

(3) 微波對混合料進(jìn)行作用,主要是通過微波作用時間與微波火力共同確定的溫度來影響瀝青混合料的自愈合性能,經(jīng)加熱后的瀝青溫度恢復(fù)到軟化點以下的時長決定了混合料的功率修復(fù)率,分析得出2組最佳微波作用時間與最佳微波火力下混合料對應(yīng)溫度均為80 ℃左右,比溫度為64.9 ℃的HI高出69%,但溫度超過80 ℃后,修復(fù)效率不高。