朱洪洲， 袁 海， 魏 巧， 劉玉峰， 范世平

(1.交通土建工程材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)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(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng) 550081)

在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，瀝青路面受溫度變化、日照及行車(chē)荷載交互作用，其力學(xué)性能不斷衰減，道路表面出現(xiàn)車(chē)轍、開(kāi)裂、唧泥等各種病害。裂縫是瀝青路面的主要病害類(lèi)型之一，其存在對(duì)路面的結(jié)構(gòu)性和功能性均會(huì)產(chǎn)生不利影響。研究表明[1-2]，當(dāng)瀝青混凝土出現(xiàn)裂縫時(shí)，給予其一定的溫度和荷載間歇時(shí)間，由瀝青的流動(dòng)能夠引起微裂紋的閉合，瀝青材料表現(xiàn)出自愈合特性。

瀝青材料雖具有自愈合特性，但其自愈合行為發(fā)展得過(guò)于緩慢，僅靠瀝青材料在自然環(huán)境中的自我愈合難以達(dá)到路面裂縫修復(fù)的目的。因此，可通過(guò)一些方式來(lái)加速激發(fā)瀝青材料的自愈合特性，包括物質(zhì)補(bǔ)充(微膠囊愈合[3-5])和誘導(dǎo)加熱(感應(yīng)加熱[6-8]、微波加熱[9-11])。

科研成果證實(shí)，對(duì)開(kāi)裂的瀝青混合料試件進(jìn)行誘導(dǎo)加熱可促進(jìn)其自愈合。Fan等[12]通過(guò)半圓彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)了AC-13型瀝青混合料的低溫?cái)嗔研阅芗白杂闲阅埽溲芯拷Y(jié)果表明，在60 ℃環(huán)境中加熱8 h后，斷裂的半圓試件達(dá)到最佳的愈合率；Garcia等[13]提出，在瀝青混合料中摻入導(dǎo)電材料后，可通過(guò)電磁感應(yīng)加熱促進(jìn)瀝青混合料自愈合過(guò)程；何亮等[14]對(duì)不同類(lèi)型、不同摻量鋼絲絨的AC-13混合料小梁試件進(jìn)行電磁感應(yīng)加熱試驗(yàn)、疲勞-愈合試驗(yàn)及路用性能試驗(yàn)，其結(jié)果表明，電磁感應(yīng)加熱是對(duì)混合料中的瀝青進(jìn)行加熱，鋼絲絨越長(zhǎng)、摻量越高，試件加熱速率越高，該試驗(yàn)中涉及的2#鋼絲絨(3.5 mm)摻量為4%的混合料小梁試件在加熱到75 ℃時(shí)兼具理想的愈合率與路用性能；Bosisio等[15]通過(guò)在加拿大蒙特利爾市的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，首次證實(shí)了微波加熱可以用于修補(bǔ)瀝青路面裂縫，其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，頻率2.45 GHz的微波作用于瀝青路面時(shí)，其有效滲透深度達(dá)到12 cm，加熱過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)路表過(guò)熱的情況；Gallego等[16]提出，通過(guò)微波對(duì)瀝青混合料裂縫進(jìn)行加熱愈合是可行的，摻入少量導(dǎo)熱纖維(0.2%)能夠顯著加速其愈合過(guò)程；Norambuena-Contreras等[17-18]分析了微波和感應(yīng)加熱對(duì)密實(shí)型瀝青混合料自愈合行為的影響，提出微波能夠更有效地促進(jìn)瀝青混合料裂縫自愈合，微波加熱時(shí)間對(duì)自愈合行為的影響最為顯著；此外，還有一些學(xué)者采用一些微波吸收能力較好的材料如鋼渣[19]、鐵氧體粉末[20]等代替粗集料或礦粉來(lái)提高瀝青混合料的微波吸收能力和自愈合能力。

開(kāi)裂瀝青路面在自然環(huán)境中的自我修復(fù)過(guò)程十分緩慢且愈合效果很差；電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的實(shí)施需要在瀝青混合料中摻加導(dǎo)電材料，且對(duì)路面裂縫的愈合效率不如微波加熱?；谝陨险J(rèn)識(shí)，利用微波加熱方式，采用半圓彎曲(semi-circular bending, SCB)試驗(yàn)對(duì)2種不同瀝青制備的AC-13型瀝青混合料試件進(jìn)行斷裂-愈合-斷裂試驗(yàn)，研究瀝青混合料微波加熱行為，分析不同損傷程度、微波強(qiáng)度和加熱時(shí)間條件下的瀝青混合料愈合行為，為瀝青路面微波加熱自愈合技術(shù)提供一定參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

1.1.1 原材料

試驗(yàn)采用重交70#基質(zhì)瀝青、殼牌SBS改性瀝青，基本指標(biāo)如表1所示。集料、礦粉為重慶地區(qū)石灰?guī)r，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合規(guī)范要求。

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

加載設(shè)備采用ETM-204C萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，加熱設(shè)備采用美的家用微波爐，額定功率為700 W，微波頻率為2.45 GHz，共4個(gè)檔位，對(duì)應(yīng)微波強(qiáng)度為210、350、560、700 W；測(cè)溫設(shè)備采用NEC InfRecR300紅外熱成像儀，溫度辨識(shí)度為0.05 ℃，精度為±1 ℃，測(cè)溫范圍為-40～500 ℃。

1.2 試件制備

選用AC-13密級(jí)配瀝青混合料，試驗(yàn)級(jí)配如表2所示。通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)確定最佳油石比為4.9%。

表1 瀝青基本指標(biāo)

注：基質(zhì)瀝青測(cè)試15 ℃延度；SBS改性瀝青測(cè)試5 ℃延度。

表2 試驗(yàn)級(jí)配

半圓試件由旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件(直徑100 mm，高130 mm)切割而成。為降低密度不均帶來(lái)的影響，切除旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件兩端各15 mm瀝青混合料，然后對(duì)圓柱體試件沿側(cè)面進(jìn)行十字切割，得到4個(gè)直徑100 mm，高50 mm的半圓試件，為在試驗(yàn)中模擬實(shí)際路面損傷程度，沿半圓試件底面垂直直徑方向中線(xiàn)切割5、7、10 mm等深度的預(yù)留縫。

1.3 試驗(yàn)方案

①試驗(yàn)溫度為0 ℃，以10 mm/min的加載速率進(jìn)行加載至試件完全斷裂，記錄峰值壓力F1；②為確保斷裂面閉合，使用3根橡皮筋(彈性模量約0.078 4 MPa)固定斷裂試件，模擬施加圍壓對(duì)斷裂面的影響，每根橡皮筋的徑向拉力約10 N；③將拼接好的斷裂試件置于微波爐中進(jìn)行加熱愈合；④利用紅外熱成像儀拍攝加熱后試件表面熱像圖，選取試件表面中線(xiàn)上的中點(diǎn)、中點(diǎn)兩端2 cm處的a～c等3個(gè)點(diǎn)以及a～c左右兩邊2 cm處的d～i等6個(gè)點(diǎn)，以這9個(gè)點(diǎn)作為觀測(cè)點(diǎn)，記錄溫度，將溫度平均值記為試件表面溫度；⑤對(duì)愈合后的試件進(jìn)行二次加載，記錄峰值壓力F2。試件制作及加載過(guò)程如圖1[21]，試件熱像圖如圖2所示。

1.4 自愈合評(píng)價(jià)指標(biāo)

以同一半圓試件愈合前后兩次加載測(cè)得的抗拉強(qiáng)度比作為愈合指數(shù)(H)，理論上H的值小于1.0，當(dāng)愈合指數(shù)達(dá)到1.0時(shí)，說(shuō)明半圓試件的強(qiáng)度完全恢復(fù)。

(1)

式(1)中：σ1、σ2分別為愈合前后的抗拉強(qiáng)度，Pa；F1、F2分別為愈合前后加載過(guò)程中的峰值荷載，N。

圖1 半圓試件制作及加載過(guò)程[21]Fig.1 Semi-circular specimen production and loading process[21]

圖2 半圓試件熱像圖Fig.2 Infrared thermogram of semi-circular specimen

1.5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

半圓試件斷裂-愈合試驗(yàn)影響因素及水平如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)因素及水平

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 微波加熱規(guī)律

在觀察斷裂試件經(jīng)微波加熱愈合后的紅外熱成像圖片時(shí)發(fā)現(xiàn)，兩種瀝青混合料試件表面溫度均分布不均，且無(wú)明顯規(guī)律。為分析這一現(xiàn)象，在室溫條件(20 ℃)下，將70#基質(zhì)瀝青按設(shè)計(jì)級(jí)配的集料分別裝入瓷盤(pán)中在相同的微波條件下進(jìn)行加熱，并選取5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，記錄溫度，觀測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 材料表面溫度Fig.3 Surface temperature of materials

由圖3看出，瀝青升溫效果不佳，觀測(cè)點(diǎn)溫度范圍在33.3～37.0 ℃，溫度分布均勻，集料升溫效果顯著，觀測(cè)點(diǎn)溫度范圍在62.0～79.8 ℃，溫度分布不均。SBS改性瀝青加熱情況與70#基質(zhì)瀝青類(lèi)似。

由電磁場(chǎng)理論可知，電介質(zhì)經(jīng)微波作用產(chǎn)生瞬時(shí)極化并以一定速度作高頻擺動(dòng)，粒子間的相互摩擦碰撞，實(shí)現(xiàn)分子水平的“攪拌”，此時(shí)電磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)熱動(dòng)能，從而加熱電介質(zhì)[22]。加熱過(guò)程中的場(chǎng)能損耗計(jì)算式為

P=0.556fE2ε′rtanδ×10-12

(2)

式(2)中：P為材料吸收微波功率，W/cm；f為微波工作頻率；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；ε′r為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)；tanδ為損耗因子。

當(dāng)微波工作頻率相同時(shí)，微波功率損耗主要與介質(zhì)材料的介電常數(shù)和損耗因子有關(guān)。微波能量消耗具有選擇性，主要被吸收能力強(qiáng)的物質(zhì)吸收[23]。瀝青是一種典型的絕緣材料，其介電常數(shù)和損耗因子很小，不能有效吸收微波能量，而礦質(zhì)集料的介電常數(shù)和損耗因子遠(yuǎn)大于瀝青。因此，微波加熱瀝青混合料的過(guò)程主要是由礦質(zhì)集料吸收微波能量。此外，由于微波能量消耗的選擇性和瀝青混合料的不均勻性，經(jīng)微波加熱，試件表面溫度分布不均。

2.2 瀝青混合料斷裂-愈合性能分析

試驗(yàn)采用三因素三水平正交試驗(yàn)表，各因素水平如表3所示。相同試驗(yàn)條件下進(jìn)行4次平行試驗(yàn)，去除誤差值最大的1組數(shù)據(jù)，以剩余3組數(shù)據(jù)的平均值作為該試驗(yàn)條件下的愈合指數(shù)H，采用極差分析法對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

由圖4可知：①兩種瀝青混合料在同一因素水平下的愈合指數(shù)H大致相似，證實(shí)了微波主要作用于集料顆粒，通過(guò)加熱集料和傳熱來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)瀝青混合料的加熱，改變?yōu)r青種類(lèi)對(duì)瀝青混合料微波自愈合行為無(wú)明顯影響；②隨試件預(yù)切縫深度增加，兩種瀝青混合料的愈合指數(shù)H均逐漸降低，但降幅較小，由于斷裂試件均采用橡皮筋進(jìn)行捆綁，其斷裂面閉合情況良好，加之微波屬于一種高效加熱方式，微波爐中的微波輻射深度大于試驗(yàn)中設(shè)計(jì)的試件尺寸，因此損傷程度對(duì)斷裂試件的愈合性能雖有影響，但影響程度不大；③隨微波強(qiáng)度、加熱時(shí)間的增長(zhǎng)，試件在微波場(chǎng)中持續(xù)升溫，因此兩種瀝青混合料的愈合指數(shù)H均呈不同程度的增大趨勢(shì)。

圖4 不同因素下的愈合指數(shù)Fig.4 Healing index under different factors

表4 基質(zhì)瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果分析

表5 SBS改性瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表4、表5中的極差值R得到不同因素對(duì)瀝青混合料損傷愈合行為的影響程度，如圖5所示。

由圖5可知，對(duì)兩種瀝青混合料自愈合行為影響最大的是微波強(qiáng)度，其次是加熱時(shí)間，損傷程度對(duì)瀝青混合料自愈合行為影響不顯著。

圖5 極差分析Fig.5 Range analysis

溫度是影響瀝青混合料自愈合行為的關(guān)鍵因素之一，斷裂試件在高微波強(qiáng)度下經(jīng)較短時(shí)間加熱后，即可達(dá)到較高溫度，在加熱過(guò)程和停止加熱后溫度降低至室溫的過(guò)程中，裂縫表面由于瀝青的流動(dòng)潤(rùn)濕和分子擴(kuò)散，表面閉合和強(qiáng)度恢復(fù)的過(guò)程在持續(xù)進(jìn)行，因此微波強(qiáng)度是影響瀝青混合料微波自愈合的關(guān)鍵因素。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，低微波強(qiáng)度如350 W下，斷裂試件即使經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間加熱，也難以達(dá)到高溫度，且長(zhǎng)時(shí)間加熱可能會(huì)導(dǎo)致瀝青老化，流動(dòng)性變差，影響瀝青混合料的自愈合性能。因此，加熱時(shí)間對(duì)瀝青混合料自愈合行為的影響不如微波強(qiáng)度顯著。試驗(yàn)中，由于試驗(yàn)條件設(shè)置的原因，損傷程度對(duì)瀝青混合料自愈合行為的影響程度較弱，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，微波養(yǎng)護(hù)車(chē)同樣能夠?qū)r青路面15 cm深度范圍實(shí)現(xiàn)均勻加熱，可見(jiàn)損傷程度不是影響微波愈合的主要因素。

3 結(jié)論

(1)發(fā)生宏觀斷裂的瀝青混合料可通過(guò)微波加熱實(shí)現(xiàn)愈合。微波加熱主要作用于礦質(zhì)集料，屬于一種“內(nèi)加熱”方式，改變?yōu)r青種類(lèi)對(duì)混合料微波自愈合行為無(wú)明顯影響。

(2)兩種瀝青混合料的微波愈合性能均隨試件損傷程度的增大而逐漸下降，隨微波強(qiáng)度、加熱時(shí)間增長(zhǎng)而提高。根據(jù)極差分析結(jié)果，微波強(qiáng)度對(duì)瀝青混合料微波愈合性能的影響最為顯著，相比微波強(qiáng)度350 W、700 W作用下，兩種瀝青混合料的愈合指數(shù)分別提高了36.00%、46.33%。其次是微波加熱時(shí)間，損傷程度對(duì)微波愈合性能的影響較弱。