瀝青混凝土電磁感應加熱梯度愈合行為研究*

葉 勇 李 斌 劉全濤

(武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室 武漢 430070)

0 引 言

瀝青路面在服役過程中由于眾多因素而導致開裂、松散、坑槽等病害，降低行車舒適性及服役壽命[1].同時，瀝青混凝土本身具有一定的自愈合性能，在荷載間歇期，其模量和強度會得到部分恢復，且愈合效率與溫度密切相關.Kim等[2]研究發現，提高瀝青混凝土溫度對于裂紋愈合具有積極作用，能顯著加速瀝青混凝土的愈合效率，縮短愈合時間.因此，如何提高瀝青混凝土溫度以促進裂紋的愈合成為一個研究熱點.Garcia等[3-4]提出的了一種通過感應加熱誘導裂紋愈合的技術，其思路是將導電纖維或其他導電相材料加到瀝青混凝土中使其可用于感應加熱，在微裂紋產生后通過感應加熱促使裂紋自動愈合.

Garcia等[5]通過電磁感應加熱添加鋼絲絨的密級配瀝青混凝土，研究發現在感應加熱溫度為100 ℃時，瀝青混凝土試件的強度恢復率能夠達到60%，但該實驗結果是基于樣品整體的平均溫度和整體強度恢復性能進行評價的，未考慮試件縱向不同位置的溫度分布和強度恢復情況.何亮等[6]分析了電磁感應加熱的溫度分布特性，指出沿小梁試件厚度(高度)方向溫度呈梯度變化，并計算了沿試件高度方向溫度以0.95 ℃/mm的幅度降低，但他同樣是基于小梁試樣的整體強度恢復率評價試件的自愈合效果.Liu等[7]同樣研究了馬歇爾試樣縱向不同位置在電磁感應加熱下(30 mm加熱距離)的升溫速率，得出上中下部的升溫速率分別為0.42，0.26，0.15 ℃/s，指出該溫度梯度現象會導致不同位置的愈合效率不同，但對此并未做深入研究.

大量的室內試驗證實了瀝青混凝土電磁感應加熱作用下的良好愈合效果，但針對電磁感應加熱溫度及愈合效果的研究均是基于樣品整體的性能進行的，未對其溫度分布梯度和梯度愈合特性進行深入研究[8].因此，本文針對瀝青混凝土電磁感應加熱的梯度特性設計試驗，旨在揭示瀝青混凝土電磁感應加熱的溫度分布梯度，并在此基礎之上研究瀝青混凝土電磁感應加熱作用下梯度自愈合行為.

1 原材料與實驗

1.1 原材料與試樣制備

試驗所用瀝青為韓國SK-70#道路石油瀝青，其性能檢測見表1.集料為宜都地區的玄武巖，礦粉來源于湖北荊門的石灰巖礦粉，指標均滿足規范要求.鋼纖維來自某公司，當量直徑為70～130 μm，平均長度為4.2 mm.

試驗所用瀝青混凝土級配為AC-13，級配通過率見表2.按照表2級配，采用6%(占瀝青的體積比)的鋼纖維摻量，通過馬歇爾設計方法確定最佳油石比為5.0%，所制備的馬歇爾試件的孔隙率為4.36%、礦料間隙率為14.3%、瀝青飽和度為69.4%，均滿足設計要求.

表1 70#道路石油瀝青性能測試

表2 AC-13級配通過率

溫度梯度測試所采用樣品為由馬歇爾切割而成的小梁試件，其尺寸為70 mm×15 mm×50 mm，利用電磁感應下加熱后，分析不同深度處溫度情況.梯度愈合試驗所用樣品為尺寸70 mm×15 mm×15 mm的小梁試件，三個小梁疊加在一起，形成三層小梁(厚度45 mm，模擬瀝青上面層厚度)，通過在電磁感應下加熱愈合，可以得到三層小梁各自的愈合效率.

1.2 溫度梯度分布試驗

本研究所用電磁感應設備功率為7.9 kW，頻率為123 kHz，加熱線圈為矩形,見圖1.將樣品置于電磁感應儀器下加熱，樣品表面與感應線圈之間的距離分別為10和20 mm，采用320 dpi×240 dpi像素紅外熱像儀記錄試件加熱過程中的溫度變化情況.通過紅外熱像儀軟件分析試件不同深度處(表面,1，2，3，4，5 cm)的平均溫度，用以研究瀝青混凝土電磁感應加熱作用下的溫度梯度分布現象以及加熱時間和加熱距離對其溫度分布梯度的影響規律.

圖1 三層小梁電磁感應加熱及紅外溫度分析

1.3 梯度愈合試驗

在研究瀝青混凝土感應加熱溫度梯度分布的基礎之上，進一步研究溫度梯度所導致的瀝青混凝土梯度愈合行為[9-10].采用UTM-25三點彎曲試驗，在-10 ℃測試試件的初始斷裂強度F1.將斷裂面緊密貼合在一起，三個小梁疊加在一起(15 mm×3,總高度45 mm)置于感應加熱線圈下加熱，直到試件上表面溫度達到目標溫度(50，60，70，80，90，100 ℃)，待試件在室溫下冷卻后再次進行三點彎曲斷裂試驗，得到各小梁試件愈合后的斷裂強度F2，將F2/F1定義為小梁的愈合效率，分別測試三層小梁的愈合率，并結合其溫度分布情況，分析瀝青混凝土的梯度愈合性能.本節研究了加熱溫度和加熱次數對瀝青混凝土感應加熱梯度愈合的影響規律[11-12].

2 結果與討論

2.1 瀝青混凝土電磁感應加熱下的溫度梯度分布

樣品距離感應加熱線圈距離10 mm，不同時間下的側向紅外溫度分布見圖2a)～b)，總的加熱時間為60 s.每一條橫線代表一個深度，橫線之間間隔為1 cm.在加熱10 s后，樣品縱向即表現出明顯的溫度梯度分布特性，隨著時間的增加，縱向的溫度分布特性并沒有消失，這說明延長加熱時間并不能消除溫度梯度分布的結果，因為這是電磁感應加熱的特性，與電磁場的縱向不均勻分布有關.經過60 s的加熱，5 cm處的溫度從25 ℃升高到44.1 ℃，而1 cm處溫度從25 ℃升高到75.1 ℃，說明距離線圈越近，加熱速率越快.采用此種溫度分析方式，得到不同加熱時間，不同深度處的溫度結果見圖2c)～d).

圖2 電磁感應加熱紅外溫度分析

60 s加熱結束后，巨大的溫度梯度分布將會存在熱傳遞的過程，上部溫度降低，下部溫度升高.因此，記錄了不同降溫時間的紅外分布圖，降溫2 min后，紅外圖可以看出，仍表現出一定溫度梯度分布，但給予足夠長時間的降溫，20 min后，溫度均勻分布，但此時平均溫度較低，已經低于最佳自愈合溫度，對下部的愈合效率提升效果微小.因此可以認為熱傳遞過程并未對下部感應加熱愈合效率存在較大的影響.

圖3為瀝青混凝土試件電磁感應加熱作用下縱向不同深度處的升溫速率，試驗中感應加熱設備線圈與樣品表面的距離為10 mm.由圖3可知，距離線圈越近，試件升溫最快.加熱60 s后，試件上表面平均溫度達到80.1 ℃，而試件底部(5 cm處)溫度僅為46.4 ℃，說明試件溫度在縱向方向上存在明顯的梯度.試件不同深度處的加熱曲線均近似為線性，進行擬合求得不同深度出的升溫速率見表3.由表3可知，隨著縱向深度增加，加熱速率逐漸降低，從表面的0.89 ℃/s降低到5 cm處的0.36 ℃/s，這主要與線圈周圍的電磁場強度沿著縱向降低有關.由于溫度是瀝青混凝土裂紋自愈合的關鍵決定因素，該溫度分布梯度將導致瀝青混凝土試件不同深度產生不同的愈合效率.

圖3 瀝青混凝土電磁感應加熱下縱向不同深度處的升溫曲線

加熱距離/mm以下深度(cm)的溫升/(℃·s-1)表面12345100．890．830．720．560．430．36200．760．700．610．470．360．29

2.2 溫度梯度分布的影響因素

由圖3可知，加熱10 s時，試件上表面和底部溫差為12.6 ℃，而加熱60 s時，溫差達到33.7 ℃，說明隨著加熱時間的增加，試件的縱向溫度梯度逐漸增大.定義溫度梯度D=(上表面溫度-底部溫度)/5(℃/cm)表征試件上表面與底部溫差的大小，D值越大，試件的溫度梯度越大.不同加熱時間下試件的溫度梯度見表4，隨著加熱時間增加，溫度梯度D值逐漸增大，說明試樣上下溫差增大，這主要是試件上下不同位置的升溫速率不同導致的.但D值的增大趨勢隨加熱試件增加逐漸降低，這主要與熱傳遞有關：溫差越大，熱傳遞越快，導致溫度梯度增大趨勢逐漸降低.因此，加熱時間是溫度梯度分布的重要影響因素.

表4 縱向溫度梯度

由上述的分析可知，樣品表面與線圈之間的距離對電磁場的強度存在明顯影響，加熱距離增大，試件的升溫速率和溫度梯度均降低(見表3、表4)，這與樣品深度增加電磁場強度降低有關，因此，對瀝青路面進行電磁感應加熱時宜采用較小的加熱距離，以縮短加熱時間，降低加熱能耗，但同時應避免因過度加熱而導致路面出現結構性破壞，因此，加熱距離是另一個影響溫度梯度分布的重要因素.

2.3 瀝青混凝土電磁感應加熱下的梯度愈合行為

三層小梁試件在電磁感應加熱下的愈合效果見圖4a)，溫度分析結果見圖4b).由圖4a)可知，隨著表面溫度的升高，各層愈合率均表現出增加的趨勢.在表面溫度較低時(50和60 ℃)，三層愈合率差異并不大，溫度低時，瀝青流動性能差，愈合效果差.但隨著表面溫度的增加，愈合效率差異逐漸變大，表現出了明顯的“梯度愈合”特性，愈合率縱向逐漸降低.由圖4b)的各層平均溫度可以解釋這種梯度愈合現象，第1層溫度最高，第2層次之，第3層溫度最低，且差值隨著表面溫度的升高而加大，因此，可以從溫度的梯度分布現象來解釋瀝青混凝土感應加熱作用下的梯度愈合行為.

圖4 不同溫度下試件的愈合效率和溫度

2.4 加熱次數對梯度愈合行為影響

由愈合效率可知，愈合率均未達到100%，這與眾多因素有關，其中斷裂集料無法愈合是其主要原因，同時溫度梯度也是重要原因，溫度梯度導致深層裂紋難以愈合.何凡等對瀝青砂漿熱誘導自愈合性能的研究表明，愈合率與愈合時間呈正相關，延長愈合時間可提高愈合效率，因此，可考慮通過多次加熱增加總的愈合時間，以提高愈合效率.在試驗加熱之后，待試件冷卻至室溫后再重復加熱1～2次，使總的加熱次數為2～3次，進而對比分析試件多次感應加熱作用下的愈合效率.本部分愈合試驗的加熱溫度90 ℃(試件表面溫度)，每個愈合率為五次試驗的平均值.

圖5對比了小梁試樣不同加熱次數下的愈合效率.由圖5可知，隨著加熱次數增加，各層愈合效率呈現出增加的趨勢，但增長幅度有限.第一次加熱后，第1層小梁的愈合率為54%，第二次和第三次加熱之后該層小梁的愈合率分別為60%和65%，增幅僅為12%和20%，說明首次加熱對于愈合率的提升作用明顯，隨著愈合時間的延長，相同溫度下，愈合率增加速率減慢.此結論與何凡等人的研究結果一致，瀝青砂漿存在最高自愈合率和最佳加熱時間，必然會導致愈合率增加幅度隨加熱試件延長降低的趨勢，隨著加熱次數增加，愈合率會趨于平衡.根據加熱距離對溫度梯度分布的影響結果可以得出，加熱距離對梯度愈合效率也將產生重要影響，其內部聯系有待進一步研究.

圖5 多次加熱對愈合效率影響(90 ℃)

3 結 論

1) 由于電磁場分布不均勻，電磁感應加熱瀝青混凝土存在明顯的縱向溫度梯度分布現象，且這種現象不會隨著加熱時間的延長而消失.感應加熱后降溫過程中的熱傳遞對瀝青混凝土試件上部溫度影響較大，對試件下部溫度分布產生的影響較小.

2) 電磁感應加熱瀝青混凝土存在明顯的縱向溫度梯度分布現象，且這種現象并不會隨著加熱時間的延長而消失，與電磁場的不均勻分布有關.

3) 隨著深度增加，試件升溫速率降低，隨著加熱時間的延長，溫度梯度D值逐漸增大，但增加的趨勢減弱.加熱距離對升溫速率和溫度梯度分布存在影響，隨著加熱距離的增加，加熱速率和溫度梯度下降.

4) 電磁感應加熱下瀝青混凝土呈現梯度愈合行為，不同深度處，瀝青混凝土的愈合效率不同，愈合效率隨著深度加深降低，這主要與溫度梯度分布有關.多次加熱可以增加瀝青混凝土不同深度處的愈合率，但其增幅有限，且隨著加熱次數的增加，愈合率增長幅度降低.同時，加熱距離對愈合效率存在重要影響.

[1] 孫大權,張立文,梁果.瀝青混凝土疲勞損傷自愈合行為研究進展：自愈合行為機理與表征方法[J].石油瀝青,2011,25(5):7-11.

[2] KIM B, ROQUE R. Evaluation of healing property of asphalt mixtures[J]. Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board,2006(1):84-91.

[3] GARCIA A, SCHLANGEN E, MARTIN V D V. Two ways of closing cracks on asphalt concrete pavements: microcapsules and induction heating[J]. Key Engineering Materials,2010(3):573-576.

[4] 熊漢江,何亮,王大為,等.瀝青混合料裂縫自愈合修復技術[J].公路,2015(11):16-21.

[5] GARCíA A, BUENO M, NORAMBUENA C J, et al. Induction healing of dense asphalt concrete[J]. Construction & Building Materials,2013,49:1-7.

[6] 何亮,趙龍,凌天清,等.密實型瀝青混合料裂縫感應熱自愈合性能研究[J].中國公路學報,2017,30(1):17-24.

[7] LIU Q, YU W, WU S, et al. A comparative study of the induction healing behaviors of hot and warm mix asphalt[J]. Construction & Building Materials,2017,144:663-670.

[8] 何凡,唐進,劉全濤.瀝青砂漿的熱誘導自愈合性能研究[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2016,40(4):700-704.

[9] 李超,陳宗武,謝君,等.鋼渣瀝青混凝土技術及其應用研究進展?[J].材料導報,2017,31(3):86-95,122.

[10] 田小革,韓海峰,李新偉，等.不同加載模式下瀝青混凝土的斷裂特性[J].建筑材料學報,2016,19(4):758-761.

[11] 吳金榮,馬芹永.聚酯纖維對透水瀝青混凝土沖擊壓縮性能的影響[J].爆炸與沖擊,2016,36(2):279-284.

[12] 徐辰,何兆益,吳文軍，等.瀝青自愈合性能在不同影響因素下的評價[J].中外公路,2014,34(2):274-278.