感應(yīng)加熱超薄罩面瀝青混合料路用性能研究

蔡成雷，胡小弟，林麗蓉,2，萬九鳴，王 兵

(1.武漢工程大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.湖北省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢 430064)

0 引言

道路養(yǎng)護(hù)工作逐漸成為支撐我國公路系統(tǒng)高效運(yùn)行的重要支柱，超薄罩面作為常見預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施的一種[1]，有利于路面抗滑性能的恢復(fù)、瀝青路面或水泥混凝土路面的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)或輕微、中等病害的表面處理，常用于各級(jí)公路的養(yǎng)護(hù)工程和橋面鋪裝[2-3]。砂粒式AC-5超薄罩面具有經(jīng)濟(jì)性好、使用壽命長、施工易攤鋪壓實(shí)等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到廣泛關(guān)注[4]。

針對(duì)冬季道路結(jié)冰影響出行安全的問題，本文在普通AC-5混合料的基礎(chǔ)上加入鋼渣、鋼纖維兩種導(dǎo)電相材料，結(jié)合電磁感應(yīng)技術(shù)，得到一種可實(shí)現(xiàn)融雪化冰的“功能型超薄罩面”混合料[5-6]，不僅能解決鋼渣的利用問題，也能實(shí)現(xiàn)路面材料功能的多樣化。本文探究了鋼渣等體積替代、鋼纖維摻量對(duì)于其體積參數(shù)、路用性能的影響，探究了鋼渣、鋼纖維摻量對(duì)于感應(yīng)加熱融雪化冰速率和融冰效果的影響。該功能型超薄罩面各項(xiàng)性能優(yōu)良，且厚度薄、施工方便、融雪效率高，有助于道路養(yǎng)護(hù)材料的功能化應(yīng)用。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

瀝青為湖北國創(chuàng)生產(chǎn)的SBS改性瀝青，其基本性能指標(biāo)見表1。

表1 SBS改性瀝青的主要性能指標(biāo)Table 1 Main performance indicators of SBS modified bitumen試驗(yàn)項(xiàng)目針入度(25 ℃、100 g、5 s)/0.1 mm軟化點(diǎn)(環(huán)球法)/℃延度(5 cm/min、5 ℃)/cm試驗(yàn)結(jié)果6463.546.8技術(shù)要求60～80≥60≥20試驗(yàn)規(guī)程T0604-2011T0606-2011T0605-2011

鋼渣來自湖北咸寧嘉魚，鋼渣的外觀形貌見圖1。鋼纖維來自江蘇鹽城某金屬制品公司，鋼纖維外觀形貌見圖2。

鋼渣粗集料(2.36～4.75 mm)的性能測(cè)試結(jié)果如下：壓碎值13.4%，洛杉磯磨耗損失11.2%，表觀相對(duì)密度3.76，吸水率2.89%，浸水膨脹率1.23%，f-CaO含量2.1%．

石灰?guī)r集料(2.36～4.75 mm)的基本性能指標(biāo)如下：壓碎值24.8%，洛杉磯磨耗損失17.6%，

圖1 鋼渣Figure 1 Steel slag

圖2 鋼纖維Figure 2 Steel fiber

表觀相對(duì)密度2.811，含泥量5.7%．

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1AC-5超薄罩面混合料配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以普通AC-5超薄罩面混合料為基礎(chǔ)，鋼渣等體積替代2.36～4.75 mm粗集料，0%、1%、2%、3%(相對(duì)于石料質(zhì)量)4種鋼纖維摻量，獲得8種超薄罩面材料。AC-5混合料合成級(jí)配曲線見圖3。根據(jù)馬歇爾設(shè)計(jì)方法，在各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[7]要求的情況下[8]，確定普通AC-5超薄罩面材料的最佳油石比為6.4%，其它混合料均采用相同的油石比。

圖3 AC-5合成級(jí)配曲線圖Figure 3 Synthetic grading curve of AC-5

1.2.2層間剪切性能

層間剪切性能試驗(yàn)是檢驗(yàn)超薄罩面材料抗層間滑移能力的一項(xiàng)重要試驗(yàn)，本研究采用直接剪切試驗(yàn)。層間剪切式樣采用雙層試樣成型，首先成型高為50 mm的AC-13上面層，涂刷乳化瀝青，待乳化瀝青破乳后成型20 mm超薄罩面，成型過程如圖4所示。使用UTM-100萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行層間直接剪切試驗(yàn)，以層間剪切強(qiáng)度、層間剪切位移評(píng)價(jià)其層間剪切性能的好壞。

圖4 層間剪切試樣成型過程Figure 4 Interlaminar shear specimen forming process

1.2.3超薄罩面感應(yīng)加熱升溫速率試驗(yàn)

本研究采用25 kW高頻電磁感應(yīng)加熱設(shè)備對(duì)超薄罩面材料進(jìn)行感應(yīng)加熱，加熱頻率在30～80 kHZ間。感應(yīng)加熱試樣高度為50 mm，感應(yīng)線圈與試樣距離固定、加熱時(shí)間為60 s，以紅外熱成像儀獲取試件表面溫度，以感應(yīng)加熱前后試樣表面的溫度差和時(shí)間的比值來反映其升溫速率。感應(yīng)加熱升溫速率的快慢直接決定了超薄罩面材料的功能化是否合格。

2 鋼渣替代、鋼纖維摻量對(duì)于混合料體積參數(shù)的影響

本文鋼渣采用等體積替代的方式替換2.36～4.75 mm部分石料，而鋼纖維采用外摻的方式加入，以研究其對(duì)混合料性能的影響。8種混合料混合料體積參數(shù)的影響如圖5所示。

(a)空隙率

(b)礦料間隙率

研究結(jié)果表明：鋼纖維摻量增加會(huì)顯著增加混合料的空隙率和礦料間隙率；鋼渣組混合料相對(duì)于石料組具有更小的空隙率和礦料間隙率，即鋼渣等體積替代后的鋼渣混合料相比未替代組的巖石混合料更為密實(shí)。

3 超薄罩面瀝青混合料路用性能和功能化驗(yàn)證

本文對(duì)超薄罩面瀝青混合料路用性能探究包含：水穩(wěn)定性(凍融劈裂試驗(yàn)、 浸水馬歇爾試驗(yàn))、層間剪切性能、低溫抗裂性能。功能化驗(yàn)證包括：感應(yīng)加熱升溫速率、感應(yīng)加熱融冰效果。

3.1 水穩(wěn)定性

本研究采用凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)評(píng)價(jià)超薄罩面混合料水穩(wěn)定性。凍融劈裂試驗(yàn)的試件均采用雙面擊實(shí)50次，試驗(yàn)組試件經(jīng)25 ℃真空飽水、(-18±1)℃冷凍、 (60±1)℃保溫處理，然后進(jìn)行劈裂試驗(yàn)；對(duì)照組直接進(jìn)行劈裂試驗(yàn)得出劈裂強(qiáng)度。劈裂試驗(yàn)需首先對(duì)2組試樣泡水處理，時(shí)間2 h，溫度為(25±0.5)℃，然后測(cè)定劈裂強(qiáng)度。凍融劈裂試驗(yàn)以試驗(yàn)組與對(duì)照組的劈裂強(qiáng)度比來評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，其試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知：巖石組混合料與鋼渣組混合料均符合規(guī)范對(duì)于AC-5瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比不小于80%的要求。隨著鋼纖維摻量增加，鋼渣組與巖石組瀝青混合料劈裂強(qiáng)度值均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但鋼渣組更為緩慢，原因在于鋼渣組混合料更為密實(shí)，且鋼渣集料棱角性較好。

浸水馬歇爾試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，分2組進(jìn)行60 ℃水浴處理，一組水浴保溫30 min，另外一組水浴保溫48 h，然后測(cè)定2組試件的馬歇爾穩(wěn)定度，以2組試件的穩(wěn)定度比為殘留穩(wěn)定度。浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知：8組超薄罩面混合料殘留穩(wěn)定度結(jié)果均符合規(guī)范對(duì)于AC-5改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度不小于85%的要求。隨著鋼纖維摻量增加，鋼渣組和巖石組混合料馬歇爾穩(wěn)定度值均呈現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì)，說明鋼纖維的加筋作用與空隙率增加相互影響下，混合料高溫穩(wěn)定性存在最佳的鋼纖維摻量，集中于1%左右；鋼渣組混合料相較于巖石組混合料具有更高的馬歇爾穩(wěn)定度，原因在于鋼渣具有更好的棱角性，且鋼渣組混合料壓實(shí)性能更好；鋼渣組混合料穩(wěn)定度值衰減速度更快，且殘留穩(wěn)定度更小，說明鋼渣組超薄罩面混合料水穩(wěn)定性稍差于巖石組超薄罩面混合料；2組混合料殘留穩(wěn)定度值在90%以上，均呈現(xiàn)良好的水穩(wěn)定性效果。

(a) 巖石組混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

(b) 鋼渣組混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

(a) 巖石組混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

(b) 鋼渣組混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

3.2 層間剪切性能

超薄罩面由于其厚度薄，若層間黏結(jié)效果差，相較于傳統(tǒng)路面更易發(fā)生推移、擁包等病害，研究其層間剪切性能具有重要意義[9-11]。本研究采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)UTM-100進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，測(cè)定雙層試樣層間剪切強(qiáng)度、層間剪切位移，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

(a)剪切強(qiáng)度 (b)剪切位移

由圖8可知：隨著鋼纖維摻量增加，超薄罩面混合料層間剪切強(qiáng)度與層間剪切位移均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，2組混合料最大的層間剪切強(qiáng)度集中于摻量2%左右，而最大層間剪切位移集中于摻量1%左右；巖石組層間剪切強(qiáng)度、層間剪切位移變化范圍比鋼渣組更大，總體上呈現(xiàn)較好的層間剪切效果；鋼渣的加入并不會(huì)對(duì)層間抗剪性能有積極影響。

3.3 低溫抗裂性能(半圓彎曲法)

本研究采用半圓彎曲法研究超薄罩面混合料低溫性能，試樣采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)設(shè)備成型，直徑150 mm，高度50 mm，沿著圓形試樣直徑切割為2個(gè)半圓試樣，并進(jìn)行切縫處理，得到半圓劈裂試樣。將試樣在環(huán)境箱-10 ℃條件下冷凍5 h，然后將其在萬能材料試驗(yàn)機(jī)UTM-100進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，測(cè)定加載過程中位移與荷載間的關(guān)系，試驗(yàn)過程如圖9所示。

圖9 半圓彎曲試驗(yàn)過程圖Figure 9 Semicircular bending test process diagram

試驗(yàn)結(jié)果以斷裂強(qiáng)度和斷裂能評(píng)價(jià)其低溫性能優(yōu)劣，8種超薄罩面材料半圓彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

(a)斷裂強(qiáng)度

(b)斷裂能

由圖10可知：隨著鋼纖維摻量增加，鋼渣組混合料與巖石組混合料斷裂強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)；鋼纖維的增韌加筋與空隙率逐漸增加相互作用，導(dǎo)致其斷裂強(qiáng)度不是一個(gè)逐漸增加的過程，在鋼纖維摻量為1%時(shí)，混合料斷裂強(qiáng)度為最大值；巖石組在鋼纖維摻量達(dá)到2%～3%時(shí)，相較于鋼渣組，其斷裂強(qiáng)度下降速度更快，這是由于其空隙率下降速度比巖石組快，混合料更為不密實(shí)，鋼纖維加筋作用不明顯。

隨著鋼纖維摻量增加，巖石組與鋼渣組半圓劈裂斷裂能呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，并在鋼纖維摻量1%時(shí)達(dá)到最大值；鋼渣組平均斷裂能小于巖石組，說明鋼渣的加入并不能增加其抗低溫性能；AC-5作為密實(shí)型混合料，空隙率的減小對(duì)其性能的衰減影響較大，盡管鋼纖維起到加筋增韌的效果，但兩者綜合影響下，并不是性能逐漸變好的過程。

3.4 材料組成對(duì)感應(yīng)加熱升溫速率影響

感應(yīng)加熱試驗(yàn)采用電磁感應(yīng)加熱設(shè)備對(duì)試件進(jìn)行感應(yīng)加熱，本研究為減小其它因素干擾，僅探究鋼纖維摻量、鋼渣加入與感應(yīng)加熱速率間的關(guān)系，且對(duì)于鋼纖維0%摻量的混合料不做研究。試驗(yàn)過程中，感應(yīng)加熱線圈與試件的距離固定，加熱頻率固定，加熱1 min后記錄加熱前后的溫差，試驗(yàn)結(jié)果以℃/min計(jì)，圖11為試件感應(yīng)加熱后的紅外圖像。

圖11 感應(yīng)加熱試件紅外圖Figure 11 Infrared map of induction heated specimens

感應(yīng)加熱升溫速率快慢影響路面實(shí)際融冰的效果，圖12展示了1 min后不同混合料感應(yīng)加熱溫度增量。

圖12 鋼纖維、鋼渣對(duì)感應(yīng)加熱升溫速率的影響Figure 12 Effect of steel fibers and slag on the heating rate of induction heating

由圖12可知：巖石組、鋼渣組感應(yīng)加熱升溫速率均隨著鋼纖維摻量增加而增加；鋼渣組感應(yīng)加熱升溫速率明顯要高于巖石組，說明鋼渣對(duì)于感應(yīng)加熱效果有著一定的促進(jìn)作用；各組混合料均呈現(xiàn)較好的感應(yīng)加熱升溫效果。

3.5 感應(yīng)加熱融冰試驗(yàn)效果

為驗(yàn)證實(shí)際融雪化冰的效果，本研究設(shè)計(jì)了感應(yīng)加熱融冰試驗(yàn)。首先制備等厚度冰層，然后將試樣放置于冰層上，再在冰層上加適量水即可。冰層厚度約5 mm，經(jīng)感應(yīng)加熱設(shè)備加熱2～5 min，6組試樣均能融化冰層，呈現(xiàn)較好的感應(yīng)加熱融冰效果。圖13展示了感應(yīng)加熱試樣融化冰層過程中的紅外圖片。

圖13 融冰試驗(yàn)紅外圖Figure 13 Infrared map of ice melting test

4 結(jié)論

基于感應(yīng)加熱的AC-5超薄磨耗層材料，探究了鋼渣等體積替代、鋼纖維摻量對(duì)于體積參數(shù)、路用性能的影響，并結(jié)合電磁感應(yīng)技術(shù)對(duì)混合料感應(yīng)加熱升溫速率、融冰效果進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果分析，可以得到以下結(jié)論：

a.鋼纖維按集料質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%、2%、3%比例外摻會(huì)顯著增加混合料的空隙率、礦料間隙率；鋼渣等體積替代2.36～4.75 mm粗集料會(huì)減小AC-5混合料的空隙率和礦料間隙率。

b.鋼渣組混合料呈現(xiàn)較好的水穩(wěn)定性，空隙率對(duì)于水穩(wěn)定性的影響大于鋼纖維的加筋作用。鋼渣替代、鋼纖維外摻對(duì)于AC-5級(jí)配混合料層間剪切性能、低溫劈裂性能的影響不是線性增加或減小的過程；各組混合料均在1%～2%的鋼纖維摻量時(shí)表現(xiàn)出較好的路用性能，鋼渣組混合料相較于巖石組的力學(xué)性能更好，但低溫性能稍差。

c.隨著鋼纖維摻量增加，超薄罩面混合料升溫速率呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，鋼渣等體積替代粗集料對(duì)于混合料感應(yīng)加熱效果有促進(jìn)作用。6組可被感應(yīng)加熱的超薄罩面混合料均表現(xiàn)出良好的融冰效果。