感應加熱瀝青混合料融雪化冰性能研究進展

紀括，熊銳,2，李科宏，馮寶珠，李松，蔣汶玉，宗有杰，李闖

(1.長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710061；2.長安大學 交通鋪面材料教育部工程研究中心， 陜西 西安 710061；3.武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063)

冬季路面積雪結(jié)冰一直是影響寒冷地區(qū)交通安全的主要因素。冰雪覆蓋路面會導致路面宏細觀紋理不足，抗滑性能大幅下降，行車制動困難，引發(fā)大量交通安全事故[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，寒冷天氣35%以上的交通事故由路面積雪結(jié)冰造成[3]。傳統(tǒng)除冰雪方法依賴融雪劑及機械除冰，隨著除冰雪技術的不斷進步，自應力彈性鋪裝法、低冰點法、熱力法等新方法不斷應用到路面除冰雪作業(yè)中。然而，實踐證明這些方法或多或少存在一定缺陷，如與環(huán)境不友好、路用性能劣化、技術難度高、效率低下、經(jīng)濟性差等。因此，有必要引入新的除冰雪理念和技術解決上述問題，提高冬季冰雪天氣路面行車安全。

近些年來，研究者們將目光轉(zhuǎn)向感應加熱技術。研究表明，瀝青能夠自行愈合，且其自愈合性能隨溫度提升顯著提高。感應加熱技術通過加熱瀝青材料內(nèi)部的導電材料(鋼絲絨纖維等)并將熱量傳遞給瀝青從而加速瀝青材料的自愈合進程。該技術無需與路面進行接觸，且加熱效率高，將其應用于道路養(yǎng)護中，不僅可在路面損傷修復方面發(fā)揮重要作用，在融雪化冰方面亦大有可為。但截至目前，感應加熱技術在瀝青路面融雪化冰方面的研究及應用尚處于探索階段。鑒于此，本文首先對路面除冰雪技術研究現(xiàn)狀及感應加熱融雪化冰機理進行概述，然后梳理國內(nèi)外感應加熱瀝青混合料加熱特性、路用性能、融雪化冰性能研究成果，最后指出該領域存在的問題并提出下一步研究重點及方向，以期推動感應加熱融雪化冰技術的發(fā)展。

1 路面除冰雪技術研究現(xiàn)狀

目前，常用的路面除冰雪方法主要分為“被動式”與“主動式”兩大類。“被動式”除冰雪方法主要有機械法與化學法，“主動式”除冰雪方法主要有自應力彈性鋪裝法、低冰點法、熱力法等。

以機械法和化學法為主的“被動式”除冰雪方法目前仍在國內(nèi)外除冰雪作業(yè)中占據(jù)主導地位。機械法除冰雪效率高，但設備及維護費用高昂，并且可能對路表結(jié)構(gòu)及附屬設施造成破損?；瘜W法除冰雪效果同樣顯著，但該方法容易造成環(huán)境污染[4-5]，而且除冰鹽會侵入瀝青混合料內(nèi)部，損傷瀝青路面[6-7]。

“主動式”除冰雪方法是通過改變路面的組成材料與結(jié)構(gòu)類型，使路面具有特殊性能，在不依靠外部作用的情況下主動完成除冰雪作業(yè)。自應力彈性鋪裝法是指在瀝青混合料中添加一定量的彈性材料，其高變形特性使得路面冰雪層在承受行車荷載時由于受力不均勻而破碎、融化。該方法可以顯著提高冰雪覆蓋路面的行車安全，但彈性材料會導致瀝青混合料難以壓實。低冰點法是指在瀝青混合料中摻加低冰點材料，低冰點材料可以在瀝青混合料內(nèi)部長期緩慢釋放，從而達到融雪化冰的目的。熱力法是指在路面內(nèi)部埋設導熱管線或?qū)狍w，通過加熱導熱管線或?qū)狍w，將熱量逐步傳遞到路表，從而達到融雪化冰的目的，但該方法成本較高。不同“主動式”除冰雪方法特點見表1[8]。

表1 不同“主動式”除冰化雪方法特點Table 1 Characteristics of different“active”deicing and snow melting methods

2 感應加熱融雪化冰機理

法拉第電磁感應定律與焦耳定律是感應加熱融雪化冰機理的理論基礎。根據(jù)法拉第電磁感應定律，當感應加熱設備的電磁線圈有交變電流通過時會產(chǎn)生交變磁場，瀝青混合料中的導電材料(鋼絲絨纖維)處在交變磁場中切割磁感線從而在其內(nèi)部產(chǎn)生感應電流以及感應電動勢，感應電動勢的大小與磁場強度成正比，二者關系式如下：

ε=ωBA=2πμfHA

(1)

式中ε——感應電動勢，V；

ω——磁場的角頻率，rad/s；

B——磁通量，Wb；

A——鋼絲絨纖維回路圍成的面積，m2；

μ——磁通量系數(shù)；

f——磁場頻率，Hz；

H——磁場強度，T。

根據(jù)焦耳定律，感應電流通過導電材料時會產(chǎn)生熱量，導電材料產(chǎn)生的熱量如下式：

(2)

式中P——單位時間產(chǎn)生的熱量，J；

R——導電材料電阻，Ω；

I——恒定電流，A；

t——與磁場接觸的時間，s。

交變電流產(chǎn)生的熱量傳遞給瀝青混合料，當瀝青混合料表面溫度升高后，便可起到融雪化冰的作用，其原理見圖1[9]。需要注意的是，融雪與化冰過程并不相同。融雪過程中需要將積雪全部融化，而化冰過程中，當冰層在熱量作用下失去與瀝青混合料表層的粘結(jié)力后，便可在機械或人工作用下輕松除去，從而提高除冰效率。

圖1 鋼絲絨纖維瀝青混合料感應加熱除冰示意圖Fig.1 Sketch diagram of induction heating deicing of steel wool fiber asphalt mixture

3 感應加熱瀝青混合料加熱特性研究

瀝青混合料的感應加熱特性與融雪化冰性能密切相關，具備良好的升溫性能是實現(xiàn)融雪化冰的基礎。目前，仍鮮見利用感應加熱技術進行路面融雪化冰方面的研究，但在瀝青混合料感應加熱特性及自愈合方面的研究較為豐富，且取得一定成果。

García等采用鋼絲絨纖維與石墨復合制備瀝青砂漿，并對瀝青砂漿的感應加熱性能進行了測試。研究發(fā)現(xiàn)鋼絲絨纖維摻量越高，升溫速率越快，但鋼絲絨纖維摻量過高會發(fā)生團簇現(xiàn)象，見圖2[10]。石墨的摻入能夠提高升溫速率，但會對砂漿的力學性能造成負面影響，應控制其合理用量[11]。之后，García等提出了一種簡單定義瀝青膠漿感應加熱的模型，并進行了實驗驗證。研究發(fā)現(xiàn)，影響感應加熱升溫速率的主要因素是鋼絲絨纖維的發(fā)熱與傳導，以及瀝青材料的熱輻射、熱傳導與空氣對流。根據(jù)模型推導出鋼絲絨纖維的加熱效果主要取決于其半徑，而非摻量，并且交變磁場的強度與頻率對加熱效果也有很大影響[12]。這一結(jié)論亦在密級配瀝青混合料感應加熱性能的研究中得到驗證[13]。García等還指出鋼絲絨纖維的缺點在于容易團簇，升溫速率略低，未來鋼絲絨纖維應被更易混合與加熱的金屬聚集體取代[14]。

Liu Q等發(fā)現(xiàn)持續(xù)加熱會導致瀝青混合料試件膨脹，發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞[15]，加熱溫度應控制在合理范圍內(nèi)，并且混合料的升溫速率隨著試件表面與感應加熱線圈間距離的減小而增大[16]，另外，與鋼渣相比，鋼絲絨纖維的導電性能更優(yōu)[17]。

趙龍[18]研究了不同類型(210#3.5 mm,2#6.5 mm,4#3.5 mm)、不同摻量(2%,4%,6%)鋼絲絨纖維瀝青混合料的感應加熱性能，發(fā)現(xiàn)：摻量相同時，瀝青混合料的感應加熱升溫速率隨纖維長度增加而增大；3種類型鋼絲絨纖維瀝青混合料的感應加熱升溫速率由大至小依次為：2#6.5 mm,2#3.5 mm,4#3.5 mm；纖維的半徑對感應加熱升溫速率影響顯著，亦印證了García[12]的研究結(jié)論。

熊漢江[19]將鋼砂作為導電材料應用于SBS改性瀝青混合料中，研究其感應加熱性能。發(fā)現(xiàn)鋼砂能夠被感應加熱，且升溫迅速；SBS改性瀝青混合料的感應加熱升溫速率隨鋼砂摻量與粒徑增加而增大，但粒徑較大的鋼砂會導致SBS改性瀝青混合料溫度分布不均勻；鋼絲絨纖維SBS改性瀝青混合料的感應加熱升溫速率及自修復性能稍遜于鋼砂SBS改性瀝青混合料，即鋼砂較鋼絲絨纖維更適宜作為導電材料。

Apostolidis等[20]用鐵粉代替填料，探究其與鋼絲絨纖維復合使用對瀝青混合料感應加熱性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)鐵粉與鋼絲絨纖維復合使用能夠進一步提高瀝青混合料的感應加熱升溫性能。

Sun等[21]研究了瀝青混合料中水分對感應加熱性能的影響。發(fā)現(xiàn)瀝青混合料中的水分能夠提高感應加熱升溫速率，其中含水率0與100%的試件在一個加熱周期后的上表面溫度分別達到44 ℃與81 ℃，但水分會滯留在裂縫界面之間，阻礙裂縫界面愈合，造成瀝青混合料加熱愈合性能下降。

劉子銘[22]對比研究了不同摻量、不同長度鋼絲絨纖維對瀝青混合料感應加熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)增加鋼絲絨纖維摻量與長度能夠有效提高瀝青混合料的感應加熱升溫速率，且鋼絲絨纖維摻量對瀝青混合料感應加熱升溫速率的影響較其長度更為顯著。

李斌[23]將4.75～9.5 mm及9.5～13.2 mm兩檔玄武巖集料用鋼渣代替，研究鋼渣與鋼絲絨纖維復合使用時瀝青混合料感應加熱性能的變化。研究認為，鋼渣能夠提高鋼絲絨纖維瀝青混合料的感應加熱升溫速率，其摻量為58%時升溫速率提升了34%。此外，感應加熱線圈移動速度越快，瀝青混合料升溫速率越慢，如線圈移動速度為0.02 m/s時的混合料升溫速率較0.01 m/s時下降了40%。

曾俊惟[24]對比了不同導電材料(鋼絲絨纖維+石墨、鋼絲絨纖維、鋼砂)瀝青混合料的感應加熱性能。研究發(fā)現(xiàn)石墨能夠促進鋼絲絨纖維瀝青混合料的感應加熱升溫速率；鋼砂表現(xiàn)出與鋼絲絨纖維相差無幾的感應加熱升溫性能；3種導電材料的加熱均勻性由大至小依次為：鋼砂、鋼絲絨纖維、鋼絲絨纖維+石墨。

綜上，瀝青混合料感應加熱升溫性能受到多方面因素制約。導電材料(鋼絲絨纖維)的摻量與幾何尺寸是感應加熱升溫性能最主要的影響因素；鋼絲絨纖維與其他導電材料復合使用可進一步提高感應加熱升溫性能。

4 感應加熱瀝青混合料路用性能研究

良好的路用性能是瀝青混合料實現(xiàn)附加功能的前提。導電材料作為新的材料相加入瀝青混合料中勢必會對瀝青混合料的路用性能造成影響，國內(nèi)外學者對此展開大量研究，相關研究成果見表2。

表2 導電材料對瀝青混合料路用性能的影響Table 2 Influence of conductive materials on pavement performance of asphalt mixture

Liu Q等[16]研究了多孔瀝青混合料加入鋼絲絨纖維后其間接抗拉強度的變化。研究發(fā)現(xiàn)鋼絲絨纖維能夠抑制微裂縫的產(chǎn)生，從而提高了瀝青混合料的間接抗拉強度與抗疲勞性能，但過多的纖維會使瀝青膜厚度變薄，導致集料與瀝青間黏結(jié)強度下降。

Schlangen等[25]的研究表明，鋼絲絨纖維能夠提高多孔瀝青混合料的水穩(wěn)定性、抗顆粒損失性能及間接抗拉強度。當鋼絲絨纖維摻量為8%時，間接抗拉強度由2.06 MPa提至3.02 MPa，顆粒損失由14.84%降至8.01%，ITSR由82%升至86%。

García等[26]在水損傷、鹽損傷及老化條件下對鋼絲絨纖維密級配瀝青混合料的抗顆粒損失性能進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)鋼絲絨纖維能夠提高瀝青混合料的抗顆粒損失性能，但對抗水損傷、鹽損傷及老化性能沒有提升作用；纖維摻量及長度超過最佳值時易發(fā)生團簇現(xiàn)象，造成瀝青混合料空隙率上升，抗顆粒損失性能隨之下降，故應使用直徑較大、長度較短的鋼絲絨纖維，以減少其對空隙率的影響。

何亮等[27]研究了密級配瀝青混合料加入鋼絲絨纖維后路用性能的變化，認為瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性與抗顆粒損失性能隨鋼絲絨纖維的摻入均有不同程度提升，但鋼絲絨纖維降低了瀝青混合料的低溫抗裂性能，同時增大了瀝青混合料的空隙率。

李冠男等[28]采用SBS改性瀝青混合料，研究了鋼砂對其路用性能的影響。結(jié)果表明,鋼砂SBS改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性良好(DS為6 813次/mm)，水穩(wěn)定性優(yōu)良(TSR為93.18%)。

李斌[23]在密級配瀝青混合料中同時摻入鋼絲絨纖維與鋼渣，并對其路用性能進行了研究。發(fā)現(xiàn)鋼絲絨纖維能夠提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性與抗顆粒損失性能，而鋼渣對瀝青混合料的水穩(wěn)定性能沒有提升作用，兩者復合使用可減少瀝青混合料21.8%的車轍深度。

總體而言，在合理控制鋼絲絨纖維、鋼砂、鋼渣等導電材料摻量條件下，瀝青混合料路用性能甚至有一定程度的提升。如何更好兼顧瀝青混合料路用性能并優(yōu)化提升其融雪化冰速率是下一階段亟待解決的問題。

5 感應加熱瀝青混合料融雪化冰性能研究

Sun等[29]以融化冰層質(zhì)量與冰層在自重作用下與馬歇爾試件分離時所用時間的比值作為融冰評價指標，以雪層質(zhì)量與雪層全部融化時所用時間的比值作為融雪評價指標，對比研究了微波加熱與感應加熱條件對自愈合瀝青混合料融雪化冰性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)無論微波加熱還是感應加熱，鋼絲絨纖維均表現(xiàn)出良好的感應加熱升溫特性，而鋼渣僅在微波加熱時表現(xiàn)良好，且遠不及鋼絲絨纖維的使用效果。此外，自愈合瀝青混合料具有遠超埋管瀝青混合料的融雪化冰性能，但需注意的是：自愈合瀝青混合料加熱時的融化水會阻礙裂縫的熱愈合進程，建議在冰雪融化后再進行一次加熱。

Fang等[30]以冰層在自重作用下與馬歇爾試件分離時所用時間作為融冰評價指標對5種鋼絲絨纖維摻量(2%,4%,6%,8%,10%)瀝青混合料的感應加熱性能進行了研究。結(jié)果表明,普通瀝青混合料不能被感應加熱，試件上表面溫度隨鋼絲絨纖維摻量與加熱時間的增加而升高。對4種冰層厚度(2,3,4.5,5.5 mm)下鋼絲絨纖維瀝青混合料(6%摻量)的融冰性能進行了對比，發(fā)現(xiàn)冰層厚度對感應加熱融冰性能的影響不大，不同冰層厚度試樣的升溫速率基本相同，且1.6 ℃是冰層與瀝青混合料表面的粘結(jié)失效溫度。

Wan等[31]以馬歇爾試件上方冰層(雪層)全部融化所用時間作為融冰(化雪)評價指標，研究了鋼渣用于超薄摩擦層時對感應加熱融雪化冰性能的增強效果。研究發(fā)現(xiàn)鋼渣會提高瀝青混合料的比熱容，但會降低導熱系數(shù)與熱擴散系數(shù)，而鋼絲絨纖維恰好與之相反；同時，瀝青混合料的ITI(馬歇爾試件上表面感應加熱30 s后的總感應加熱溫度增量)隨鋼渣與鋼絲絨纖維摻量的增大而增加，鋼渣對升溫性能的貢獻遠大于其對熱常數(shù)的負面影響；感應加熱有效加熱深度為20～28 mm，為達到良好的感應加熱穿透效果，建議超薄摩擦層的厚度為20～25 mm。 在進行了融冰與化雪測試后發(fā)現(xiàn)隨著加熱時間與冰層厚度的增加，鋼渣對融雪化冰性能的增強作用逐漸凸顯，且鋼渣摻量更高的SMA-S-5(56.6%)較鋼渣摻量較低的AC-S-5(34.2%)融雪化冰性能更好，表明鋼渣與鋼絲絨纖維復合使用能夠進一步提高感應加熱融雪化冰性能。

Yang等[9,32]采用電磁感應加熱設備，合理設置實驗參數(shù)，分析感應加熱條件下鋼絲絨纖維長度及摻量、冰層厚度、輸出電流、環(huán)境溫度等因素對瀝青混合料除冰性能的影響，發(fā)現(xiàn)4%摻量的5 mm鋼絲絨纖維瀝青混合料路用性能達到最佳，鋼絲絨纖維瀝青混合料電磁感應加熱除冰效果顯著；以冰層表面溫度由環(huán)境溫度降至0 ℃時的溫度差與加熱時間的比值作為融冰評價指標，表明鋼絲絨纖維長度及摻量、環(huán)境溫度、輸出電流與感應加熱平均融冰速率呈正相關趨勢，冰層厚度與平均融冰速率呈負相關趨勢；5種影響因素對瀝青混合料平均融冰速率的影響程度大小依次為：纖維摻量、纖維長度、輸出功率、環(huán)境溫度、冰層厚度。

6 結(jié)論與展望

鋼絲絨纖維瀝青混合料具有良好的感應加熱融雪化冰速率，且鋼絲絨纖維與鋼渣復合能夠進一步提高融雪化冰性能，但亦存在鋼絲絨纖維在瀝青混合料中極易團簇的現(xiàn)象。現(xiàn)有研究多集中于鋼絲絨纖維摻量及幾何尺寸等對感應加熱融雪化冰速率的影響；且目前感應加熱融雪化冰性能測試方法及評價指標主觀性較強，尚缺乏與路面實際工況的聯(lián)系。鑒于此，建議今后針對以下3方面展開探究：

(1)進一步加強鋼絲絨纖維與其他導電材料(導電集料、纖維、固廢鋼渣等)的復合應用，取長補短；在保證瀝青混合料路用性能的基礎上，實現(xiàn)融雪化冰效率最大化是感應加熱瀝青混合料追求的功能目標。

(2)從工程應用角度出發(fā)，基于冰層-路表粘結(jié)失效溫度、實際除冰受力狀態(tài)等，提出更為適用的感應加熱融雪化冰性能測試方法與評價指標十分重要；此外，機動性強、安裝與操作簡單、加熱效率高的車載感應加熱設備的研發(fā)亦必要且亟需。

(3)感應加熱瀝青混合料的融雪化冰效果與導電材料的摻量、幾何尺寸、瀝青的種類與用量、瀝青混合料級配類型、空隙率、外界環(huán)境溫度及感應加熱設備參數(shù)等密切相關。目前研究多集中于導電材料方面，后續(xù)研究應從各方面統(tǒng)籌考慮，結(jié)合路面實際工況(瀝青路面剛度變化、路面坡度變化、路面破損狀況等)進行深入系統(tǒng)研究，以期推動感應加熱瀝青混合料融雪化冰技術的實用化、智能化。