電磁感應(yīng)加熱誘導(dǎo)瀝青路面自愈合技術(shù)

曾廷玉 孫曉鴻 莊勝意 鄭曉晴 黃競(jìng)?cè)?楊朋

（廣州航海學(xué)院航務(wù)工程系）

電磁感應(yīng)加熱誘導(dǎo)瀝青路面自愈合技術(shù)

曾廷玉 孫曉鴻 莊勝意 鄭曉晴 黃競(jìng)?cè)?楊朋

（廣州航海學(xué)院航務(wù)工程系）

瀝青路面自愈合技術(shù)是一項(xiàng)舉世矚目的新技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)外專家非常重視，筆者闡述了采用熱感應(yīng)方法實(shí)現(xiàn)瀝青路面自修復(fù)的相關(guān)背景，提出了利用電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)瀝青路面自修復(fù)的裝置示意圖。

瀝青路面；自愈合；電磁感應(yīng)；加熱誘導(dǎo)

1 前言

科技越來越發(fā)達(dá)，交通的快速發(fā)展使世界的距離在縮短，近幾年世界各地的公路建設(shè)事業(yè)不斷上新的臺(tái)階，從以前的水泥路面到如今具有消音、吸水、防水漂、改善路面可見度的瀝青路面，讓汽車的行駛越來越安全，也越來越舒服。但是有利必有弊，沒有任何的事物是完美的，在不斷的使用中，人們發(fā)現(xiàn)高速公路瀝青路面的破損問題，已經(jīng)成為公路健康發(fā)展的主要突出矛盾。瀝青路面由于具有表面平整無接縫、行車舒適和噪音小，以及施工便捷、養(yǎng)護(hù)時(shí)間短和易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，越來越被重視，日益成為國(guó)內(nèi)外高等級(jí)公路的主要路面形式，被廣泛用于修建高速公路、機(jī)場(chǎng)跑道和橋面鋪裝等路面上[1-2]。但是，瀝青路面在受長(zhǎng)期行車荷載、溫度應(yīng)力以及半剛性基層的反射裂縫等其他因素的作用，會(huì)產(chǎn)生裂縫、松散等病害。且現(xiàn)有的瀝青路面養(yǎng)護(hù)和修復(fù)聚合物材料如防水劑、瀝青再生劑等，會(huì)不同程度地影響路面的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用和使用性能。所以，利用瀝青本身的自愈合、溫度敏感性等性能，通過電磁感應(yīng)加熱摻導(dǎo)電材料的瀝青混凝土以提高其裂縫愈合性能是是現(xiàn)階段瀝青路面修復(fù)方法中可行且較先進(jìn)的技術(shù)。本研究項(xiàng)目擬設(shè)計(jì)并開發(fā)一種施工裝置可以利用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)，使摻有導(dǎo)電材料的瀝青路面裂縫自愈合以達(dá)到簡(jiǎn)化瀝青路面養(yǎng)護(hù)程序的目的，提高瀝青路面的服務(wù)壽命，大幅減少養(yǎng)護(hù)費(fèi)用和時(shí)間。另外，本裝置的電磁感應(yīng)加熱技術(shù)相比傳統(tǒng)加熱方法還具有能耗低、加熱速度快、加熱均勻、操作簡(jiǎn)單和對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)。本研究開發(fā)的密實(shí)型瀝青混凝土電磁感應(yīng)加熱自修復(fù)裝置具有創(chuàng)新性、方便性和實(shí)用性等優(yōu)點(diǎn)，具有很大的市場(chǎng)潛力，是新一代路面養(yǎng)護(hù)的領(lǐng)先技術(shù)。

2 加熱誘導(dǎo)瀝青路面自愈合課題研究背景

為了增加瀝青路面的使用壽命，瀝青公路的養(yǎng)護(hù)和維修是不可忽視的，養(yǎng)護(hù)工作一般分為：預(yù)防性養(yǎng)護(hù)和修復(fù)性養(yǎng)護(hù)。關(guān)于瀝青路面的維修包括根據(jù)維修設(shè)計(jì)進(jìn)行施工前的準(zhǔn)備工作、路面的銑刨、路面基層的施工、封層和黏層施工等幾個(gè)重要方面，可見瀝青的路面修復(fù)問題十分復(fù)雜。對(duì)復(fù)雜的施工工序和嚴(yán)重的瀝青路面養(yǎng)護(hù)問題，現(xiàn)在世界范圍也沒有特別完善和先進(jìn)的瀝青路面修復(fù)方案可以完美解決。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外學(xué)者從瀝青材料本身和瀝青混合料兩方面研究瀝青混凝土路面自愈合的先進(jìn)技術(shù)方法——聚合物材料愈合方法和感應(yīng)加熱愈合方法。這兩種方法均可以有效地增加瀝青混凝土的愈合率，修復(fù)瀝青混凝土路面的裂縫和松散等病害，提高瀝青混凝土路面的整體性和使用性能，從而解決瀝青混凝土路面現(xiàn)階段的修復(fù)問題，并為以后瀝青混凝土路面修復(fù)技術(shù)的研究提供技術(shù)基礎(chǔ)，因此有關(guān)瀝青混凝土自愈合技術(shù)的研究是必不可少的。

2.1 加熱誘導(dǎo)瀝青路面愈合技術(shù)國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外荷蘭代爾夫特理工大學(xué)、瑞典皇家理工學(xué)院、瑞士EMPA研究所、英國(guó)諾丁漢大學(xué)、美國(guó)密歇根科技大學(xué)等回研究機(jī)構(gòu)對(duì)自愈合瀝青混凝土這種智能自修復(fù)的材料開展了研究。Jun-Feng Su提出了瀝青混合料的自愈合特性[3]，其中對(duì)比室內(nèi)連續(xù)加載實(shí)驗(yàn)和室外實(shí)際使用中瀝青混凝土路面的疲勞壽命與加載時(shí)間關(guān)系以及對(duì)兩者間轉(zhuǎn)移系數(shù)進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，在一定的間歇期下，瀝青混凝土路而的性能會(huì)有所恢復(fù)，疲勞壽命有所延長(zhǎng)，這都表明瀝青材料具有自愈合性能，但其自愈合能力很弱，目前研究人員己提出兩種較創(chuàng)新的增強(qiáng)瀝青混合料愈合性能的方法：聚合物材料愈合方法和加熱誘導(dǎo)愈合方法。Q.T.Liu等通過建立簡(jiǎn)單模型評(píng)價(jià)摻導(dǎo)電材料的瀝青膠漿在電磁感應(yīng)加熱下的愈合性能[4-5]，研究了摻鋼纖維對(duì)密實(shí)型瀝青混凝土的加熱性能和力學(xué)性能的影響，以及瀝青混凝土在電磁感應(yīng)加熱誘導(dǎo)下的愈合效率，研究表明摻鋼纖維會(huì)提高密實(shí)型瀝青混凝土的加熱性，但對(duì)力學(xué)性能的影響不大且若鋼纖維分散不均會(huì)帶來負(fù)而影響，以及鋼纖維的含量和直徑對(duì)愈合效率影響很大，因此鋼纖維的選擇設(shè)計(jì)可以增強(qiáng)瀝青混凝土的愈合效率，以此證實(shí)瀝青材料可以通過感應(yīng)加熱愈合。

2.2 加熱誘導(dǎo)瀝青路面愈合技術(shù)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)加熱誘導(dǎo)瀝青路面自愈合主要研究機(jī)構(gòu)是武漢理工大學(xué)、重慶交通大學(xué)、東南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、長(zhǎng)安大學(xué)、鄭州大學(xué)等高校。劉全濤在荷蘭期間深入?yún)⑴c了荷蘭自愈合瀝青混凝土科學(xué)研究[4]，回國(guó)后在武漢理工大學(xué)又開展了卓有成效的研究,主要研究用電磁感應(yīng)對(duì)摻鋼絲絨的多孔的瀝青混凝土加熱，取得了顯著成功。研究成果主要有：摻加鋼絲絨可以增強(qiáng)瀝青路面，從而延緩裂紋和掉粒的產(chǎn)生。感應(yīng)加熱可以有效修復(fù)微裂紋，阻止其擴(kuò)展成宏觀裂縫等病害。上述兩個(gè)原因均能提高瀝青混凝土的耐久性和修復(fù)性?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)對(duì)自愈合混凝土技術(shù)的研究比較重視，已經(jīng)有多項(xiàng)國(guó)家基金資助此方向的研究。

3 電磁感應(yīng)加熱誘導(dǎo)瀝青路面自愈合機(jī)械裝置

裝置的關(guān)鍵問題是如何利用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)最大化地通過能量供給的方法利用瀝青的自愈合能力修復(fù)其力學(xué)性質(zhì)，消除瀝青路面的裂縫、松散等病害。為了達(dá)到效果最大化，我們需要解決如何用最簡(jiǎn)單有效的布置方案使裝置輕便高效，通過計(jì)算得到加熱瀝青所需要的熱量對(duì)應(yīng)的電磁感應(yīng)強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)的電源輸出電壓，以確保選擇可靠有效的電源（電磁感應(yīng)加熱原理見圖1）。最后，需要制定一個(gè)PLC控制電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)的方案，PLC控制器要具備嚴(yán)密的控制性能，能協(xié)調(diào)各部分工作，合理控制整個(gè)電磁感應(yīng)加熱裝置的運(yùn)行，按照設(shè)定的過程使裝置處于最佳工作狀態(tài)，使工作狀態(tài)可直觀展示，加強(qiáng)人機(jī)互動(dòng)。

圖1 裝置電磁感應(yīng)加熱原理示意圖

通過大量資料收集，本課題組設(shè)計(jì)并開發(fā)一種施工裝置可以利用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)（見圖2），使摻有導(dǎo)電材料的瀝青路面裂縫自愈合，以達(dá)到簡(jiǎn)化瀝青路面養(yǎng)護(hù)程序的目的，提高瀝青路面的服務(wù)壽命，大幅減少養(yǎng)護(hù)費(fèi)用和時(shí)間。另外，本裝置的電磁感應(yīng)加熱技術(shù)相比傳統(tǒng)加熱方法還具有能耗低、加熱速度快、加熱均勻、操作簡(jiǎn)單和對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)。本研究開發(fā)的密實(shí)型瀝青混凝土電磁感應(yīng)加熱自修復(fù)裝置具有創(chuàng)新性、方便性和實(shí)用性等優(yōu)點(diǎn)，具有很大的市場(chǎng)潛力，是新一代路面養(yǎng)護(hù)的領(lǐng)先技術(shù)。

圖2 裝置預(yù)想圖

4 結(jié)語(yǔ)

利用瀝青本身的自愈合、溫度敏感性等性能，通過電磁感應(yīng)加熱摻導(dǎo)電材料的瀝青混凝土，以提高其裂縫愈合性能，是現(xiàn)階段瀝青路面修復(fù)方法中可行且較先進(jìn)的技術(shù)。因此，設(shè)計(jì)并開發(fā)一種施工裝置可以利用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)，使摻有導(dǎo)電材料的瀝青路面裂縫自愈合，以達(dá)到簡(jiǎn)化瀝青路面養(yǎng)護(hù)程序的目的，提高瀝青路面的服務(wù)壽命，大幅減少養(yǎng)護(hù)費(fèi)用和時(shí)間。本裝置的電磁感應(yīng)加熱技術(shù)相比傳統(tǒng)加熱方法還具有能耗低、加熱速度快、加熱均勻、操作簡(jiǎn)單和對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)。本研究開發(fā)的密實(shí)型瀝青混凝土電磁感應(yīng)加熱自修復(fù)裝置具有創(chuàng)新性、方便性和實(shí)用性等優(yōu)點(diǎn)，具有很大的市場(chǎng)潛力，是新一代路面養(yǎng)護(hù)的領(lǐng)先技術(shù)?！?/p>

[1]汪海平,容敏智,章明秋.微膠囊填充型自修復(fù)聚合物及其復(fù)合材料［J］.化學(xué)進(jìn)展,2010,22:2397-2407.

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[3]Jun-Feng Su,Ying-Yuan Wang,Ning-Xu Han,Peng Yang, Shan Han.Experimental investigation and mechanism analysis of novel mulit-self-healing behaviors of bitumen using microcapsules containing rejuvenator.Construction and Building Materials,2016,106:317-329.

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廣州航海學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（D420821），廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金項(xiàng)目（GDDCE15-06）。