瀝青混合料斷裂-微波自愈合影響因素分析

朱洪洲， 袁 海， 魏 巧， 劉玉峰， 范世平

(1.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，貴陽 550081)

在長期使用過程中，瀝青路面受溫度變化、日照及行車荷載交互作用，其力學(xué)性能不斷衰減，道路表面出現(xiàn)車轍、開裂、唧泥等各種病害。裂縫是瀝青路面的主要病害類型之一，其存在對路面的結(jié)構(gòu)性和功能性均會產(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，可通過一些方式來加速激發(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)，對開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]通過半圓彎曲試驗(yàn)評價(jià)了AC-13型瀝青混合料的低溫?cái)嗔研阅芗白杂闲阅?，其研究結(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，可通過電磁感應(yīng)加熱促進(jìn)瀝青混合料自愈合過程；何亮等[14]對不同類型、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)加熱是對混合料中的瀝青進(jìn)行加熱，鋼絲絨越長、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]通過在加拿大蒙特利爾市的現(xiàn)場應(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，加熱過程中不會出現(xiàn)路表過熱的情況；Gallego等[16]提出，通過微波對瀝青混合料裂縫進(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程；Norambuena-Contreras等[17-18]分析了微波和感應(yīng)加熱對密實(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提高瀝青混合料的微波吸收能力和自愈合能力。

開裂瀝青路面在自然環(huán)境中的自我修復(fù)過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，且對路面裂縫的愈合效率不如微波加熱?；谝陨险J(rèn)識，利用微波加熱方式，采用半圓彎曲(semi-circular bending, SCB)試驗(yàn)對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，對應(yīng)微波強(qiáng)度為210、350、560、700 W；測溫設(shè)備采用NEC InfRecR300紅外熱成像儀，溫度辨識度為0.05 ℃，精度為±1 ℃，測溫范圍為-40～500 ℃。

1.2 試件制備

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

表1 瀝青基本指標(biāo)

注：基質(zhì)瀝青測試15 ℃延度；SBS改性瀝青測試5 ℃延度。

表2 試驗(yàn)級配

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)作為觀測點(diǎn)，記錄溫度，將溫度平均值記為試件表面溫度；⑤對愈合后的試件進(jìn)行二次加載，記錄峰值壓力F2。試件制作及加載過程如圖1[21]，試件熱像圖如圖2所示。

1.4 自愈合評價(jià)指標(biāo)

以同一半圓試件愈合前后兩次加載測得的抗拉強(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程中的峰值荷載，N。

圖1 半圓試件制作及加載過程[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)級配的集料分別裝入瓷盤中在相同的微波條件下進(jìn)行加熱，并選取5個(gè)觀測點(diǎn)，記錄溫度，觀測結(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)瀝青類似。

由電磁場理論可知，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，粒子間的相互摩擦碰撞，實(shí)現(xiàn)分子水平的“攪拌”，此時(shí)電磁場能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)熱動能，從而加熱電介質(zhì)[22]。加熱過程中的場能損耗計(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為電場強(qiáng)度；ε′r為介質(zhì)相對介電常數(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，通過加熱集料和傳熱來實(shí)現(xiàn)對瀝青混合料的加熱，改變?yōu)r青種類對瀝青混合料微波自愈合行為無明顯影響；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，試件在微波場中持續(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。

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，在加熱過程和停止加熱后溫度降低至室溫的過程中，裂縫表面由于瀝青的流動潤濕和分子擴(kuò)散，表面閉合和強(qiáng)度恢復(fù)的過程在持續(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)較長時(shí)間加熱，也難以達(dá)到高溫度，且長時(shí)間加熱可能會導(dǎo)致瀝青老化，流動性變差，影響瀝青混合料的自愈合性能。因此，加熱時(shí)間對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青種類對混合料微波自愈合行為無明顯影響。

(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)間增長而提高。根據(jù)極差分析結(jié)果，微波強(qiáng)度對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，損傷程度對微波愈合性能的影響較弱。