基質(zhì)瀝青混合料宏觀斷裂微波自愈合性能

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(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.中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)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(shí)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(qiáng)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(dòng)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(shí)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(shí)間對自愈合有促進(jìn)作用,但存在一個(gè)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(shí)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(shí)間對混合料微波自愈合性能的影響,結(jié)果表明微波時(shí)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(shí)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(qiáng)技術(shù)需提前在混合料中添加相應(yīng)增強(qiáng)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(qiáng)度比,分析微波時(shí)間、微波強(qiáng)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(yàn)材料與方法

1.1 原材料與試驗(yàn)設(shè)備

1.1.1 原材料

試驗(yàn)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(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足行業(yè)規(guī)范要求。

表1 70#瀝青試驗(yàn)結(jié)果

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

三點(diǎn)加載設(shè)備采用ETM-204C萬能材料測試系統(tǒng),試驗(yàn)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(jì)與試件制備

級配設(shè)計(jì)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(jì)級配

根據(jù)馬歇爾設(shè)計(jì)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(shí)為12個(gè)圓柱體試件(直徑100 mm,高度140 mm)。為削弱試件兩端因?yàn)槊芏炔痪鶎υ囼?yàn)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(gè)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件切成4個(gè)半圓體試件,總共48個(gè)半圓試件(直徑100 mm,高度50 mm,厚度50 mm),為控制試件加載時(shí)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(yàn)條件與評價(jià)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(diǎn)加載試驗(yàn),試驗(yàn)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(diǎn)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(diǎn)時(shí),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(qiáng)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(qiáng)。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(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微波時(shí)間、強(qiáng)度與試件表面溫度關(guān)系

首先確定試驗(yàn)的微波時(shí)間與微波強(qiáng)度,微波時(shí)間決定試件加熱的最終溫度,影響自愈合性能,而微波強(qiáng)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(qiáng)度。在P100檔位時(shí)全程工作,輸出功率700 W;在P80檔位時(shí),微波設(shè)備采用間斷工作方式,有效工作時(shí)長為設(shè)備設(shè)定時(shí)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(gè)觀測點(diǎn)(a～i)按3×3矩形陣列,相鄰點(diǎn)間距20 mm,矩陣中心與半圓試件中軸線中點(diǎn)重合,去除觀測點(diǎn)中溫度最大值與最小值后的平均溫度代表單個(gè)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(shí),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(qiáng)[19]。因此瀝青混合料破壞時(shí),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(qiáng)度長時(shí)間加熱時(shí),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(dòng)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(shí),應(yīng)探究微波強(qiáng)度、時(shí)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(yàn),結(jié)果見表3所列。分析環(huán)境溫度為27～31 ℃時(shí),試件表面溫度隨微波時(shí)間、強(qiáng)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(yàn)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(yàn)

圖4 試件表面溫度隨微波加熱時(shí)間和功率變化

由表3可知,微波作用時(shí)間、微波強(qiáng)度的P值均小于0.05,因此微波作用時(shí)間、微波強(qiáng)度對試件表面溫度的影響顯著,但加熱時(shí)間*微波強(qiáng)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(shí)間、強(qiáng)度增長而增長。試驗(yàn)最高溫度97.8 ℃對應(yīng)微波功率700 W與微波加熱時(shí)間120 s,最高溫度未超過100 ℃,滿足試驗(yàn)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(shí)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(shí)間;x2為微波功率。

2.2 微波強(qiáng)度、時(shí)間對瀝青混合料自愈合的影響

2.2.1 微波作用時(shí)間對自愈合的影響

自愈合指數(shù)HI隨微波加熱時(shí)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(qiáng)度下,半圓試件的HI隨時(shí)間增長而增長,說明微波作用時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間變化的趨勢并不一致,微波功率210 W時(shí),瀝青混合料自愈合指數(shù)隨時(shí)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(shí)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(shí)有較大提高,分別達(dá)到42%、68%,與80 s時(shí)相比分別提高了103%和36%。120 s時(shí),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(shí)間為100 s;而700 W時(shí),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(shí)間為80 s。

由圖4a可知,各微波功率下的最佳愈合時(shí)間與瀝青混合料加熱后的溫度有關(guān)。微波功率210 W時(shí),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(diǎn),故HI低且增長緩慢；當(dāng)微波功率為350 W時(shí),瀝青混合料溫度超過瀝青軟化點(diǎn),自愈合性能也得到很大提升；當(dāng)微波功率為350、560、700 W時(shí),在各自最佳愈合時(shí)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(diǎn),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(diǎn)以下所需時(shí)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(shí)間60、80、100、120 s的HI分別提高了17%、41%、16%、14%,可見微波時(shí)間為60、100、120 s時(shí),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(shí)間為60、100、120 s時(shí)最佳微波功率。而微波時(shí)間為80 s時(shí),瀝青混合料自愈合性能在700 W時(shí)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(shí)的最佳微波功率。

由圖4b可知,60 s時(shí),350 W的瀝青混合料溫度尚未達(dá)到瀝青軟化點(diǎn),560 W時(shí)瀝青混合料溫度超過瀝青軟化點(diǎn),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(shí),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(shí),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(shí),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(diǎn)時(shí)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(shí)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(shí)間、微波強(qiáng)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(shí)間、微波功率與混合料溫度的關(guān)系式。

(2) 考慮微波作用時(shí)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(shí)間越長、微波功率越大越好,不同功率下的最佳微波時(shí)間有偏差,分析得出2組最佳微波功率與作用時(shí)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(shí)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(diǎn)以下的時(shí)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(shí)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。