微波與感應加熱對瀝青混合料自愈特性影響研究

彭文舉，張瑤瑤 編譯

(1.湖北工程學院 土木工程學院, 湖北 孝感 432000；2.湖北工程學院 化學與材料科學學院)

1 引言

隨著瀝青路面里程的飛速增長，交通量與汽車荷載的不斷增大導致瀝青路面破壞日趨嚴重，大中修工作已經(jīng)刻不容緩。傳統(tǒng)的改擴建方案不僅會浪費大量的石油瀝青資源，也會對環(huán)境造成較大污染，因此如何提前在預養(yǎng)護階段即開始對瀝青路面進行修復顯得尤為必要。作為瀝青路面養(yǎng)護與修復的創(chuàng)新性方法，自愈技術正得到越來越廣泛的關注。

對瀝青混合料自愈特性的工程認知，最早始于1939年阿爾及利亞瀝青混凝土漏水斜墻壩在未經(jīng)特別處理的情況下自我修復并停止漏水的現(xiàn)象。瀝青作為典型的溫度敏感性材料，各性能具有較強溫度依賴性。溫度升高，瀝青發(fā)生流動并填充裂縫，使得混合料呈現(xiàn)出自愈合特性。

近年來國內(nèi)外學者就瀝青混合料自愈機理、表征及增強技術進行了一定研究，目前常用的瀝青混合料自愈技術有：加熱愈合技術與微膠囊技術。微波加熱、感應加熱作為加熱愈合技術的典型代表，不同于傳統(tǒng)輻射加熱，可以在較大深度范圍內(nèi)對混合料整體進行加熱，可有效避免傳統(tǒng)加熱方式在不同深度范圍內(nèi)受熱不均的弊端。研究表明：微波與感應加熱機理存在一定差異，微波加熱可對瀝青等極性分子產(chǎn)生作用，造成分子相互摩擦運動進而引起混合料溫度升高，摻入金屬材料可促進加熱的進行；而感應加熱由于交變磁場產(chǎn)生電流需導電介質(zhì)傳播，因此必需在混合料中摻入金屬材料進行誘導加熱。在加熱技術方面，對感應加熱與微膠囊技術對比研究表明，前者在技術要求及施工等方面具有易實現(xiàn)且可使混合料重復愈合的優(yōu)點，可作為下階段瀝青路面養(yǎng)護與修復的創(chuàng)新性方法。Breixo對比了紅外和感應加熱對混合料的自愈性能，探討了級配和空隙率對愈合特性的影響，并基于能量與愈合率等相關參數(shù)提出了一種新的自愈模型，同時表明相同能量下感應加熱效果顯著優(yōu)于紅外加熱。但上述研究分別采用試件空隙率過大，與實際使用過程中混合料存在較大差異，且未考慮空隙率差異對混合料性能的影響。在自愈性能測試及評價方法方面，有研究者采用瀝青混合料四點彎曲疲勞試驗，也有研究者采用DSR對再生或老化瀝青進行疲勞性能測試，并借助原子力顯微鏡(AFM)進行微觀掃描分析，以評價瀝青自愈特性及影響因素。也有采用瀝青砂漿為研究對象，采用斷裂韌性Jc作為愈合評價指標。以上研究對瀝青及混合料自愈性能進行了深入研究，但總體而言，在瀝青混合料自愈機理、愈合測試方法及評價指標等方面并未形成較為統(tǒng)一的認識。新的評價模型與測試、評價方法不斷提出，導致自愈增強技術評價存在一定差異，且相關理論仍需進行深入驗證。這表明現(xiàn)有自愈機理并不成熟且自愈增強技術研究并不完善，有必要進行深入系統(tǒng)的研究，形成一套符合應用實際的、較為完整的混合料自愈特性研究體系。

該文旨在全面分析微波與感應加熱對混合料自愈特性的影響，主要研究內(nèi)容為：① 鋼棉在混合料中分布狀態(tài)及對其物理與力學性能的影響；② 不同條件、不同裂-愈循環(huán)下自愈性能的變化規(guī)律；③ 基于微觀分析手段及其他試驗方法的感應與微波加熱對試件理化性質(zhì)的影響。

2 原材料與試驗設計

2.1 原材料

粗集料(粒徑5～12.5 mm，密度2.779 g/cm3)、細集料(粒徑0.08～5 mm，密度2.721 g/cm3)與填料組成如表1所示。瀝青選用CA24瀝青，密度為1.039 g/cm3，25 ℃針入度為56(0.1 mm)，以上各指標均采用智利技術標準。

表1 混合料各材料組成

注：瀝青質(zhì)量(350 g)，占混合料質(zhì)量比5.3%。

加熱誘導材料鋼棉由密度為7.180 g/cm3低碳鋼制成，平均粒徑0.157 mm、平均長徑比30，長度為2～8 mm。取4種不同摻量(占瀝青體積比2%、4%、6%、8%)鋼棉制備鋼棉瀝青混合料試件，添加順序為：瀝青→鋼棉→粗、細集料→填料。制備完成后將試件切割成4個半圓形試樣，并在試樣中心切割出寬×深為4 mm×10 mm缺口，保證缺口方向與半圓彎曲試驗作用力加載方向一致(圖1)。

2.2 試驗設計

該文主要對微波加熱與感應加熱兩種加熱方式對瀝青混合料自愈性能的影響進行研究，首先探討鋼棉對瀝青混合料物理力學性能的影響；然后建立愈合率評價指標，并對不同裂-愈循環(huán)下混合料的愈合特性進行研究；最后采用微觀檢測評價兩種加熱方式對混合料理化特性的影響。具體試驗設計如下。

圖1 半圓彎曲試驗加載裝置

2.2.1 物理力學性能測試

測試不同摻量鋼棉馬歇爾試件毛體積密度，計算求取混合料理論最大密度與空隙率，對不同摻量試件進行對比分析。采用肯塔堡飛散試驗評價不同摻量試件抗松散性能，試驗參數(shù)為30 r/min、旋轉(zhuǎn)300轉(zhuǎn)，飛散損失計算公式為：

(1)

式中：PL為飛散損失(%)；Wi、Wf分別為試驗前、后試件質(zhì)量(kg)。

試件強度采用半圓彎曲試驗進行測算(裝置參數(shù)如圖1所示)，試驗溫度-20 ℃、加載速度0.5 mm/min，且需將試件在-20 ℃條件下預處理24 h。加載完成后將試件置于20 ℃室溫下靜置2 h，保證表面冷凝水完全去除后備用。

2.2.2 愈合率表征

試件愈合率表征步驟：① 進行半圓彎曲試驗直至試件破壞；② 將破裂試件在室溫下放置2 h待試件水分去除后，使用兩種加熱方式分別對試樣加熱愈合；③ 再次進行半圓彎曲試驗直至破環(huán)，如此形成一個完整的裂-愈循環(huán)周期。各循環(huán)下愈合率Sh定義為該循環(huán)下破壞強度Fa與試樣初始破壞強度F0之比(圖2)：

Sh=Fa/F0

(2)

圖2 4%摻量試樣加熱前后力-位移曲線

微波加熱使用現(xiàn)有研究常用的參數(shù)組合：700 W、2.45 GHz；感應加熱為：700 W(保證兩種加熱方式功率相同)、350 kHz。與傳統(tǒng)輻射加熱原理不同，由于微波與感應加熱可對試件全厚度同時進行加熱，因此可用試件表面溫度作代表值，采用320×240像素紅外相機對試件溫度進行記錄。

2.2.3 理化特性分析

為了觀察不同加熱方式對試件微觀結構的影響，取4%摻量半圓形試件切割成50 mm×20 mm×15 mm小梁(圖5)，固定于可旋轉(zhuǎn)工作臺，采用X射線CT技術對加熱前后試樣進行觀察，試驗參數(shù)為：80 kV、120 μA。試件距射線源11.8 mm，射線源與檢測器間距1 155 mm，以保證集斑大小為2 μm，從而獲取4 μm的空間分辨率。掃描完成后使用ImageJ軟件利用圖像閾值分割法對集料、鋼棉、瀝青和空隙進行圖像處理與分割計算。

為了解瀝青熱分解特性，對瀝青進行熱重試驗分析，試驗參數(shù)為：氮氣氣氛、升溫速率20 ℃/min、升溫區(qū)間為0～600 ℃。同時為了研究不同加熱方式對瀝青的分解作用，對試樣裂-愈循環(huán)前后質(zhì)量進行記錄。

3 結果與分析

3.1 物理力學性能

圖3(a)為不同摻量鋼棉瀝青混合料試件毛體積密度與空隙率關系，由圖3(a)可知：① 等摻量下毛體積密度與空隙率線性相關，這是由于空隙率是通過毛體積密度與最大理論密度計算得到，等摻量下各散點連線斜率絕對值實際為理論最大密度值；② 摻鋼棉后空隙率和毛體積密度較無鋼棉試樣變小，這是由于摻鋼棉后混合料各組成材料總體積增加，試件將不易壓實、空隙增加，導致空隙率隨著鋼棉含量的增加而增大(摻鋼棉試樣平均空隙率隨摻量增加依次為：7.92%、8.67%、8.96%、10.54%)，相應由空隙率計算原理可知此時毛體積密度減小。特別地，當摻量過高達到8%時試件出現(xiàn)較為明顯的難以壓實現(xiàn)象，使用甲苯將成型試件中瀝青溶解并提取出鋼棉，通過掃描電鏡微觀檢測發(fā)現(xiàn)鋼棉出現(xiàn)纏繞現(xiàn)象，這與相關文獻研究結論一致。表明過高的鋼棉摻量將使鋼棉在瀝青中的分布達到“飽和”，因此過高摻量將不利于鋼棉性能的發(fā)揮。

由圖3(b)肯塔堡飛散試驗結果可知：① 等摻量下質(zhì)量損失隨空隙率增加呈指數(shù)增長，這是由于空隙率增大，混合料內(nèi)部有效黏結面積減小，進而導致抗松散性能下降；② 等空隙率下鋼棉摻量的增加減少了試樣飛散質(zhì)量損失，即鋼棉增強了混合料的抗松散性能。因此在進行摻鋼棉混合料配合比設計時有必要考慮鋼棉對混合料體積參數(shù)的影響，通過調(diào)整級配組成等方式使試樣空隙率接近無鋼棉試樣目標空隙率。

圖3 鋼棉摻量對混合料物理力學性能的影響

3.2 微波和感應加熱特性

圖4為兩種加熱方式下不同加熱時間的試樣溫度變化。

由圖4(a)可知:無鋼棉試樣在加熱120 s后溫度達80 ℃左右，這是由于瀝青作為一種含極性化合物的混合物，微波對其具有較好的加熱效果，在無鋼棉反射作用下即可對瀝青進行有效加熱。同時由于鋼棉等金屬的反射作用可提升微波加熱效果，因此鋼棉摻量越高升溫速率越大。由圖4(b)可看到:鋼棉摻量越高試樣升溫速率越大，但無鋼棉試樣溫度基本未發(fā)生改變。這是由感應加熱的加熱機理所致：交變磁場只能使導電的鋼棉內(nèi)部形成電流進而產(chǎn)生熱量并傳導至瀝青與集料，而無鋼棉試樣則無法滿足這一條件。對比兩種加熱方式，可看到試樣升溫基本符合線性規(guī)律，但等摻量試樣微波加熱溫度顯著高于感應加熱，微波加熱最大升溫速率接近1 ℃/s，而感應加熱最大升溫速率僅為0.7 ℃/s。

由于兩種方式加熱機理存在一定差異，二者受熱源分別為瀝青與鋼棉，又因二者在混合料中含量差別較大，測試溫度并不能完全表征混合料內(nèi)部瀝青、集料等各單體的實際溫度，因此還需對各單體實際溫度作進一步探討。

圖4 試樣溫度隨加熱時間的變化

單位時間內(nèi)，忽略少量傳導至集料與散失到空氣中的熱量，大部分仍存留于瀝青或鋼棉中。由于鋼棉粒徑小散熱快，可將瀝青與鋼棉看作單一的受熱源(下稱瀝青結合料)，則提高混合料、結合料溫度所需能量(Easph、Ebin)簡化計算分別為：

Easph=Casph*Masph*ΔTasph

(3)

Ebin=Cbin*Mbin*ΔTbin

(4)

式中：C、M、ΔT分別為比熱容[J/(kg·K)]、質(zhì)量(kg)和溫度增量(K)，asph、bin分別為混合料和瀝青結合料。

由于加熱過程中結合料吸收熱量與混合料吸收熱量相等，由油石比為5.3%可計算出單位時間結合料升高溫度為：

(5)

式中：%fibres為鋼棉摻量。

一段時間后結合料終止溫度為混合料初始溫度與單位時間內(nèi)升高溫度之和：

Tbin=Tasph+ΔTbin

(6)

為便于計算不同時間結合料加熱溫度，查閱文獻取混合料、瀝青、鋼棉比熱容分別為964、1 900、482 J/(kg·K)。計算得到2%、4%、6%與8%鋼棉摻量下結合料比熱容分別為1 511、1 290、1 147、1 047 J/(kg·K)。利用圖4中試驗數(shù)據(jù)，取時間間隔ΔT為20 s進行計算，結合料溫度計算結果如圖5所示。

圖5 結合料溫度與加熱時間的關系

由圖5可知：

(1)微波加熱下結合料在部分時間段內(nèi)溫度可達到200 ℃以上，最高達到270 ℃，接近或超過瀝青閃點溫度。結合結合料熱重曲線(圖6)可知：270 ℃時樣品質(zhì)量損失達到5%，表明此溫度下一定程度上會損傷瀝青內(nèi)部結構，進而對瀝青及混合料物理力學性能造成影響，同時分解產(chǎn)物也會對試驗人員健康造成危害。而感應加熱溫度整體保持在160 ℃以下，并未達到瀝青初始分解溫度，不會對瀝青性能造成較大影響。

圖6 試樣熱重曲線

(2)微波加熱下結合料溫度呈現(xiàn)不規(guī)律變化，表明部分時間段內(nèi)結合料吸收熱量小于傳導至集料的熱量。由于此次計算時間間隔選取為20 s，可推斷當計算時間間隔足夠小時，在微波加熱過程中結合料實際溫度也將呈現(xiàn)一定的不規(guī)則變化。感應加熱與微波加熱類似，結合料溫度溫升主要集中在前20 s內(nèi)，不同的是感應加熱下溫升較微波加熱小，且之后溫度呈現(xiàn)小幅持續(xù)增長。相較微波加熱，感應加熱可以較好地對加熱溫度進行控制，更容易使試樣在目標溫度范圍內(nèi)進行工作。

為了直觀對比兩種加熱方式對試樣外觀結構的影響，取4%摻量試樣進行兩種加熱方式下等效加熱試驗(由圖4可知4%摻量試樣在微波加熱40 s與感應加熱60 s后試樣表面溫度基本一致，可認為此時二者加熱效果等效)，加熱后試樣如圖7所示。由圖7可看到微波加熱下試樣出現(xiàn)明顯損傷，而感應加熱試樣則較為完整，表明微波加熱下瀝青溫度過高，不利于試樣的自愈過程，這與圖5計算結果較為一致。

圖7 4%摻量下加熱效果

3.3 裂-愈循環(huán)下自愈特性

圖8為不同摻量多組試樣在兩種方式下加熱40 s后的愈合率平均值隨裂-愈周期的變化，其中誤差線表示標準差。

由圖8可知：① 愈合率隨裂-愈周期的增長而降低，這是由于試樣在加熱自愈過程中瀝青不可避免受到老化損傷的影響，與集料的黏附性能及整體結構性能降低，導致力學性能下降而出現(xiàn)愈合率降低；② 微波加熱試樣愈合率顯著高于感應加熱，這是由于微波加熱具有較感應加熱更高的作用溫度，高溫促進瀝青分解產(chǎn)生氣體，在內(nèi)部壓力作用下加速瀝青向裂縫流動進行自愈；③ 總體而言，微波加熱下試樣愈合率隨鋼棉摻量增加呈現(xiàn)降低趨勢，這是由于鋼棉對微波加熱具有促進作用，但高摻量的鋼棉致使加熱溫度過高破壞了瀝青結構。而感應加熱則呈現(xiàn)不規(guī)律的變化趨勢，這可能與鋼棉在試樣內(nèi)的分布狀態(tài)以及摻加鋼棉后試樣自身力學性能改變等綜合作用有關，也顯示愈合率與試驗溫度并非唯一相關。

圖9為4%摻量試樣在不同加熱時間下愈合率平均值與標準差隨裂-愈循環(huán)周期的變化。

圖8 不同鋼棉摻量試樣在重復愈合循環(huán)下愈合率

圖9 4%摻量試樣在不同自愈循環(huán)下愈合率

由圖9(a)可知：微波加熱40 s與100 s時愈合率最高，但試驗過程顯示此時試件均產(chǎn)生了濃密黑煙，表明瀝青已受到損壞。感應加熱下愈合率均小于0.72，但愈合率隨著加熱時間的增加而增強，且使用感應加熱時無煙產(chǎn)生。因此混合料自愈水平并不能簡單比較愈合率的高低，應結合加熱對瀝青的損傷程度進行綜合評價。

圖10 X-CT掃描試樣

為量化表征加熱對試樣內(nèi)部結構的影響，采用CT掃描與圖像分析軟件測算4%摻量下圖10所示A-A′斷面在加熱前后空隙分布及空隙率(圖11、12)。

圖11 4%摻量空隙分布

由圖11、12可知：① 微波加熱后空隙發(fā)生重分布，混合料自愈使得平均空隙率由9.95%減小至8.82%，此時各斷面位置空隙率變化幅度較大，同時刻槽位置也發(fā)生一定偏移?？障缎螤罡淖儾⑾虿牧蟽?nèi)部移動發(fā)生重組，自愈過程中也改變了原有試件的致密結構，導致了混合料在每次裂-愈循環(huán)后愈合率的降低；② 感應加熱前后試樣平均空隙率分別為7.13%、7.16%，未發(fā)生較大變化，但圖11(c)、(d)顯示試樣空隙仍發(fā)生改變，這是每次裂-愈循環(huán)后愈合率降低的內(nèi)在原因。

為表征不同加熱方式對瀝青分解的影響，對每次裂-愈循環(huán)后試樣質(zhì)量記錄結果如圖13所示。

由圖13可知：① 微波加熱下試樣質(zhì)量損失明顯，4%摻量試樣第10次循環(huán)后質(zhì)量損失達到0.76%，表明此時瀝青質(zhì)量損失已達14%。因此利用微波加熱提高瀝青混合料自愈性能的同時，也存在造成瀝青嚴重損傷的風險；② 相較微波加熱，感應加熱下質(zhì)量損失相對較小，最大損失量不及微波加熱的1/3，表明感應加熱不會對瀝青造成較大損傷。

圖12 4%摻量試樣空隙率

圖13 不同裂-愈循環(huán)次數(shù)質(zhì)量損失

4 結論

(1)鋼棉可以提高瀝青混合料抗松散性能，摻量越高抗松散性能越好，但摻量過高會導致鋼棉出現(xiàn)相互“纏繞”現(xiàn)象，影響鋼棉性能的發(fā)揮；鋼棉瀝青混合料配合比設計時應考慮鋼棉使混合料空隙率增大進而引起體積指標、力學性能變化的影響。

(2)微波加熱可以直接對瀝青進行加熱，而感應加熱則需摻入鋼棉進行誘導加熱。相同功率下微波加熱具有較感應加熱更高的加熱速率，在使混合料達到相同溫度條件下，微波加熱具有較感應加熱更高的愈合率。

(3)瀝青混合料內(nèi)部空隙發(fā)生重組是混合料自愈的內(nèi)在機理，同時空隙的改變會導致混合料力學性能的降低，這也是導致愈合率隨裂-愈循環(huán)次數(shù)增加而下降的原因。

(4)微波加熱時間過長使得瀝青溫度高于閃點溫度，導致瀝青分解，進而引起瀝青理化性質(zhì)的改變，建議微波加熱時間小于40 s。考慮微波加熱溫度不易控制，容易引起瀝青損傷，從瀝青路面耐久性考慮建議優(yōu)先使用感應加熱技術。

——編譯自：Norambuena-Contreras J., Garcia A.Self-Healing of Asphalt Mixture by Microwave and Induction Heating[J].Materials & Design, 2016, 106: 404-414.