瀝青混凝土電磁感應(yīng)加熱梯度愈合行為研究*

葉 勇 李 斌 劉全濤

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070)

0 引 言

瀝青路面在服役過(guò)程中由于眾多因素而導(dǎo)致開(kāi)裂、松散、坑槽等病害，降低行車舒適性及服役壽命[1].同時(shí)，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(qiáng)度會(huì)得到部分恢復(fù)，且愈合效率與溫度密切相關(guān).Kim等[2]研究發(fā)現(xiàn)，提高瀝青混凝土溫度對(duì)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(shí)間.因此，如何提高瀝青混凝土溫度以促進(jìn)裂紋的愈合成為一個(gè)研究熱點(diǎn).Garcia等[3-4]提出的了一種通過(guò)感應(yīng)加熱誘導(dǎo)裂紋愈合的技術(shù)，其思路是將導(dǎo)電纖維或其他導(dǎo)電相材料加到瀝青混凝土中使其可用于感應(yīng)加熱，在微裂紋產(chǎn)生后通過(guò)感應(yīng)加熱促使裂紋自動(dòng)愈合.

Garcia等[5]通過(guò)電磁感應(yīng)加熱添加鋼絲絨的密級(jí)配瀝青混凝土，研究發(fā)現(xiàn)在感應(yīng)加熱溫度為100 ℃時(shí)，瀝青混凝土試件的強(qiáng)度恢復(fù)率能夠達(dá)到60%，但該實(shí)驗(yàn)結(jié)果是基于樣品整體的平均溫度和整體強(qiáng)度恢復(fù)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的，未考慮試件縱向不同位置的溫度分布和強(qiáng)度恢復(fù)情況.何亮等[6]分析了電磁感應(yīng)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(jì)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(qiáng)度恢復(fù)率評(píng)價(jià)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(yīng)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(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致不同位置的愈合效率不同，但對(duì)此并未做深入研究.

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

1 原材料與實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料與試樣制備

試驗(yàn)所用瀝青為韓國(guó)SK-70#道路石油瀝青，其性能檢測(cè)見(jiàn)表1.集料為宜都地區(qū)的玄武巖，礦粉來(lái)源于湖北荊門的石灰?guī)r礦粉，指標(biāo)均滿足規(guī)范要求.鋼纖維來(lái)自某公司，當(dāng)量直徑為70～130 μm，平均長(zhǎng)度為4.2 mm.

試驗(yàn)所用瀝青混凝土級(jí)配為AC-13，級(jí)配通過(guò)率見(jiàn)表2.按照表2級(jí)配，采用6%(占瀝青的體積比)的鋼纖維摻量，通過(guò)馬歇爾設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求.

表1 70#道路石油瀝青性能測(cè)試

表2 AC-13級(jí)配通過(guò)率

溫度梯度測(cè)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(yīng)下加熱后，分析不同深度處溫度情況.梯度愈合試驗(yàn)所用樣品為尺寸70 mm×15 mm×15 mm的小梁試件，三個(gè)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(guò)在電磁感應(yīng)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(yàn)

本研究所用電磁感應(yīng)設(shè)備功率為7.9 kW，頻率為123 kHz，加熱線圈為矩形,見(jiàn)圖1.將樣品置于電磁感應(yīng)儀器下加熱，樣品表面與感應(yīng)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(guò)程中的溫度變化情況.通過(guò)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(yīng)加熱作用下的溫度梯度分布現(xiàn)象以及加熱時(shí)間和加熱距離對(duì)其溫度分布梯度的影響規(guī)律.

圖1 三層小梁電磁感應(yīng)加熱及紅外溫度分析

1.3 梯度愈合試驗(yàn)

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

2 結(jié)果與討論

2.1 瀝青混凝土電磁感應(yīng)加熱下的溫度梯度分布

樣品距離感應(yīng)加熱線圈距離10 mm，不同時(shí)間下的側(cè)向紅外溫度分布見(jiàn)圖2a)～b)，總的加熱時(shí)間為60 s.每一條橫線代表一個(gè)深度，橫線之間間隔為1 cm.在加熱10 s后，樣品縱向即表現(xiàn)出明顯的溫度梯度分布特性，隨著時(shí)間的增加，縱向的溫度分布特性并沒(méi)有消失，這說(shuō)明延長(zhǎng)加熱時(shí)間并不能消除溫度梯度分布的結(jié)果，因?yàn)檫@是電磁感應(yīng)加熱的特性，與電磁場(chǎng)的縱向不均勻分布有關(guān).經(jīng)過(guò)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(shuō)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(shí)間，不同深度處的溫度結(jié)果見(jiàn)圖2c)～d).

圖2 電磁感應(yīng)加熱紅外溫度分析

60 s加熱結(jié)束后，巨大的溫度梯度分布將會(huì)存在熱傳遞的過(guò)程，上部溫度降低，下部溫度升高.因此，記錄了不同降溫時(shí)間的紅外分布圖，降溫2 min后，紅外圖可以看出，仍表現(xiàn)出一定溫度梯度分布，但給予足夠長(zhǎng)時(shí)間的降溫，20 min后，溫度均勻分布，但此時(shí)平均溫度較低，已經(jīng)低于最佳自愈合溫度，對(duì)下部的愈合效率提升效果微小.因此可以認(rèn)為熱傳遞過(guò)程并未對(duì)下部感應(yīng)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(yīng)加熱作用下縱向不同深度處的升溫速率，試驗(yàn)中感應(yīng)加熱設(shè)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(dá)到80.1 ℃，而試件底部(5 cm處)溫度僅為46.4 ℃，說(shuō)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(jìn)行擬合求得不同深度出的升溫速率見(jiàn)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(chǎng)強(qiáng)度沿著縱向降低有關(guān).由于溫度是瀝青混凝土裂紋自愈合的關(guān)鍵決定因素，該溫度分布梯度將導(dǎo)致瀝青混凝土試件不同深度產(chǎn)生不同的愈合效率.

圖3 瀝青混凝土電磁感應(yīng)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(shí)，試件上表面和底部溫差為12.6 ℃，而加熱60 s時(shí)，溫差達(dá)到33.7 ℃，說(shuō)明隨著加熱時(shí)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(shí)間下試件的溫度梯度見(jiàn)表4，隨著加熱時(shí)間增加，溫度梯度D值逐漸增大，說(shuō)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(dǎo)致的.但D值的增大趨勢(shì)隨加熱試件增加逐漸降低，這主要與熱傳遞有關(guān)：溫差越大，熱傳遞越快，導(dǎo)致溫度梯度增大趨勢(shì)逐漸降低.因此，加熱時(shí)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(duì)電磁場(chǎng)的強(qiáng)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(jiàn)表3、表4)，這與樣品深度增加電磁場(chǎng)強(qiáng)度降低有關(guān)，因此，對(duì)瀝青路面進(jìn)行電磁感應(yīng)加熱時(shí)宜采用較小的加熱距離，以縮短加熱時(shí)間，降低加熱能耗，但同時(shí)應(yīng)避免因過(guò)度加熱而導(dǎo)致路面出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞，因此，加熱距離是另一個(gè)影響溫度梯度分布的重要因素.

2.3 瀝青混凝土電磁感應(yīng)加熱下的梯度愈合行為

三層小梁試件在電磁感應(yīng)加熱下的愈合效果見(jiàn)圖4a)，溫度分析結(jié)果見(jiàn)圖4b).由圖4a)可知，隨著表面溫度的升高，各層愈合率均表現(xiàn)出增加的趨勢(shì).在表面溫度較低時(shí)(50和60 ℃)，三層愈合率差異并不大，溫度低時(shí)，瀝青流動(dòng)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)象來(lái)解釋瀝青混凝土感應(yīng)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(shù)對(duì)梯度愈合行為影響

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

圖5對(duì)比了小梁試樣不同加熱次數(shù)下的愈合效率.由圖5可知，隨著加熱次數(shù)增加，各層愈合效率呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，但增長(zhǎng)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(shuō)明首次加熱對(duì)于愈合率的提升作用明顯，隨著愈合時(shí)間的延長(zhǎng)，相同溫度下，愈合率增加速率減慢.此結(jié)論與何凡等人的研究結(jié)果一致，瀝青砂漿存在最高自愈合率和最佳加熱時(shí)間，必然會(huì)導(dǎo)致愈合率增加幅度隨加熱試件延長(zhǎng)降低的趨勢(shì)，隨著加熱次數(shù)增加，愈合率會(huì)趨于平衡.根據(jù)加熱距離對(duì)溫度梯度分布的影響結(jié)果可以得出，加熱距離對(duì)梯度愈合效率也將產(chǎn)生重要影響，其內(nèi)部聯(lián)系有待進(jìn)一步研究.

圖5 多次加熱對(duì)愈合效率影響(90 ℃)

3 結(jié) 論

1) 由于電磁場(chǎng)分布不均勻，電磁感應(yīng)加熱瀝青混凝土存在明顯的縱向溫度梯度分布現(xiàn)象，且這種現(xiàn)象不會(huì)隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)而消失.感應(yīng)加熱后降溫過(guò)程中的熱傳遞對(duì)瀝青混凝土試件上部溫度影響較大，對(duì)試件下部溫度分布產(chǎn)生的影響較小.

2) 電磁感應(yīng)加熱瀝青混凝土存在明顯的縱向溫度梯度分布現(xiàn)象，且這種現(xiàn)象并不會(huì)隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)而消失，與電磁場(chǎng)的不均勻分布有關(guān).

3) 隨著深度增加，試件升溫速率降低，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，溫度梯度D值逐漸增大，但增加的趨勢(shì)減弱.加熱距離對(duì)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(yīng)加熱下瀝青混凝土呈現(xiàn)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(guān).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(shù)的增加，愈合率增長(zhǎng)幅度降低.同時(shí)，加熱距離對(duì)愈合效率存在重要影響.

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