沥青混凝土电磁感应加热梯度愈合行为研究*

叶 勇 李 斌 刘全涛

(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室 武汉 430070)

0 引 言

沥青路面在服役过程中由于众多因素而导致开裂、松散、坑槽等病害，降低行车舒适性及服役寿命[1].同时，沥青混凝土本身具有一定的自愈合性能，在荷载间歇期，其模量和强度会得到部分恢复，且愈合效率与温度密切相关.Kim等[2]研究发现，提高沥青混凝土温度对于裂纹愈合具有积极作用，能显著加速沥青混凝土的愈合效率，缩短愈合时间.因此，如何提高沥青混凝土温度以促进裂纹的愈合成为一个研究热点.Garcia等[3-4]提出的了一种通过感应加热诱导裂纹愈合的技术，其思路是将导电纤维或其他导电相材料加到沥青混凝土中使其可用于感应加热，在微裂纹产生后通过感应加热促使裂纹自动愈合.

Garcia等[5]通过电磁感应加热添加钢丝绒的密级配沥青混凝土，研究发现在感应加热温度为100 ℃时，沥青混凝土试件的强度恢复率能够达到60%，但该实验结果是基于样品整体的平均温度和整体强度恢复性能进行评价的，未考虑试件纵向不同位置的温度分布和强度恢复情况.何亮等[6]分析了电磁感应加热的温度分布特性，指出沿小梁试件厚度(高度)方向温度呈梯度变化，并计算了沿试件高度方向温度以0.95 ℃/mm的幅度降低，但他同样是基于小梁试样的整体强度恢复率评价试件的自愈合效果.Liu等[7]同样研究了马歇尔试样纵向不同位置在电磁感应加热下(30 mm加热距离)的升温速率，得出上中下部的升温速率分别为0.42，0.26，0.15 ℃/s，指出该温度梯度现象会导致不同位置的愈合效率不同，但对此并未做深入研究.

大量的室内试验证实了沥青混凝土电磁感应加热作用下的良好愈合效果，但针对电磁感应加热温度及愈合效果的研究均是基于样品整体的性能进行的，未对其温度分布梯度和梯度愈合特性进行深入研究[8].因此，本文针对沥青混凝土电磁感应加热的梯度特性设计试验，旨在揭示沥青混凝土电磁感应加热的温度分布梯度，并在此基础之上研究沥青混凝土电磁感应加热作用下梯度自愈合行为.

1 原材料与实验

1.1 原材料与试样制备

试验所用沥青为韩国SK-70#道路石油沥青，其性能检测见表1.集料为宜都地区的玄武岩，矿粉来源于湖北荆门的石灰岩矿粉，指标均满足规范要求.钢纤维来自某公司，当量直径为70～130 μm，平均长度为4.2 mm.

试验所用沥青混凝土级配为AC-13，级配通过率见表2.按照表2级配，采用6%(占沥青的体积比)的钢纤维掺量，通过马歇尔设计方法确定最佳油石比为5.0%，所制备的马歇尔试件的孔隙率为4.36%、矿料间隙率为14.3%、沥青饱和度为69.4%，均满足设计要求.

表1 70#道路石油沥青性能测试

表2 AC-13级配通过率

温度梯度测试所采用样品为由马歇尔切割而成的小梁试件，其尺寸为70 mm×15 mm×50 mm，利用电磁感应下加热后，分析不同深度处温度情况.梯度愈合试验所用样品为尺寸70 mm×15 mm×15 mm的小梁试件，三个小梁叠加在一起，形成三层小梁(厚度45 mm，模拟沥青上面层厚度)，通过在电磁感应下加热愈合，可以得到三层小梁各自的愈合效率.

1.2 温度梯度分布试验

本研究所用电磁感应设备功率为7.9 kW，频率为123 kHz，加热线圈为矩形,见图1.将样品置于电磁感应仪器下加热，样品表面与感应线圈之间的距离分别为10和20 mm，采用320 dpi×240 dpi像素红外热像仪记录试件加热过程中的温度变化情况.通过红外热像仪软件分析试件不同深度处(表面,1，2，3，4，5 cm)的平均温度，用以研究沥青混凝土电磁感应加热作用下的温度梯度分布现象以及加热时间和加热距离对其温度分布梯度的影响规律.

图1 三层小梁电磁感应加热及红外温度分析

1.3 梯度愈合试验

在研究沥青混凝土感应加热温度梯度分布的基础之上，进一步研究温度梯度所导致的沥青混凝土梯度愈合行为[9-10].采用UTM-25三点弯曲试验，在-10 ℃测试试件的初始断裂强度F1.将断裂面紧密贴合在一起，三个小梁叠加在一起(15 mm×3,总高度45 mm)置于感应加热线圈下加热，直到试件上表面温度达到目标温度(50，60，70，80，90，100 ℃)，待试件在室温下冷却后再次进行三点弯曲断裂试验，得到各小梁试件愈合后的断裂强度F2，将F2/F1定义为小梁的愈合效率，分别测试三层小梁的愈合率，并结合其温度分布情况，分析沥青混凝土的梯度愈合性能.本节研究了加热温度和加热次数对沥青混凝土感应加热梯度愈合的影响规律[11-12].

2 结果与讨论

2.1 沥青混凝土电磁感应加热下的温度梯度分布

样品距离感应加热线圈距离10 mm，不同时间下的侧向红外温度分布见图2a)～b)，总的加热时间为60 s.每一条横线代表一个深度，横线之间间隔为1 cm.在加热10 s后，样品纵向即表现出明显的温度梯度分布特性，随着时间的增加，纵向的温度分布特性并没有消失，这说明延长加热时间并不能消除温度梯度分布的结果，因为这是电磁感应加热的特性，与电磁场的纵向不均匀分布有关.经过60 s的加热，5 cm处的温度从25 ℃升高到44.1 ℃，而1 cm处温度从25 ℃升高到75.1 ℃，说明距离线圈越近，加热速率越快.采用此种温度分析方式，得到不同加热时间，不同深度处的温度结果见图2c)～d).

图2 电磁感应加热红外温度分析

60 s加热结束后，巨大的温度梯度分布将会存在热传递的过程，上部温度降低，下部温度升高.因此，记录了不同降温时间的红外分布图，降温2 min后，红外图可以看出，仍表现出一定温度梯度分布，但给予足够长时间的降温，20 min后，温度均匀分布，但此时平均温度较低，已经低于最佳自愈合温度，对下部的愈合效率提升效果微小.因此可以认为热传递过程并未对下部感应加热愈合效率存在较大的影响.

图3为沥青混凝土试件电磁感应加热作用下纵向不同深度处的升温速率，试验中感应加热设备线圈与样品表面的距离为10 mm.由图3可知，距离线圈越近，试件升温最快.加热60 s后，试件上表面平均温度达到80.1 ℃，而试件底部(5 cm处)温度仅为46.4 ℃，说明试件温度在纵向方向上存在明显的梯度.试件不同深度处的加热曲线均近似为线性，进行拟合求得不同深度出的升温速率见表3.由表3可知，随着纵向深度增加，加热速率逐渐降低，从表面的0.89 ℃/s降低到5 cm处的0.36 ℃/s，这主要与线圈周围的电磁场强度沿着纵向降低有关.由于温度是沥青混凝土裂纹自愈合的关键决定因素，该温度分布梯度将导致沥青混凝土试件不同深度产生不同的愈合效率.

图3 沥青混凝土电磁感应加热下纵向不同深度处的升温曲线

加热距离/mm以下深度(cm)的温升/(℃·s-1)表面12345100．890．830．720．560．430．36200．760．700．610．470．360．29

2.2 温度梯度分布的影响因素

由图3可知，加热10 s时，试件上表面和底部温差为12.6 ℃，而加热60 s时，温差达到33.7 ℃，说明随着加热时间的增加，试件的纵向温度梯度逐渐增大.定义温度梯度D=(上表面温度-底部温度)/5(℃/cm)表征试件上表面与底部温差的大小，D值越大，试件的温度梯度越大.不同加热时间下试件的温度梯度见表4，随着加热时间增加，温度梯度D值逐渐增大，说明试样上下温差增大，这主要是试件上下不同位置的升温速率不同导致的.但D值的增大趋势随加热试件增加逐渐降低，这主要与热传递有关：温差越大，热传递越快，导致温度梯度增大趋势逐渐降低.因此，加热时间是温度梯度分布的重要影响因素.

表4 纵向温度梯度

由上述的分析可知，样品表面与线圈之间的距离对电磁场的强度存在明显影响，加热距离增大，试件的升温速率和温度梯度均降低(见表3、表4)，这与样品深度增加电磁场强度降低有关，因此，对沥青路面进行电磁感应加热时宜采用较小的加热距离，以缩短加热时间，降低加热能耗，但同时应避免因过度加热而导致路面出现结构性破坏，因此，加热距离是另一个影响温度梯度分布的重要因素.

2.3 沥青混凝土电磁感应加热下的梯度愈合行为

三层小梁试件在电磁感应加热下的愈合效果见图4a)，温度分析结果见图4b).由图4a)可知，随着表面温度的升高，各层愈合率均表现出增加的趋势.在表面温度较低时(50和60 ℃)，三层愈合率差异并不大，温度低时，沥青流动性能差，愈合效果差.但随着表面温度的增加，愈合效率差异逐渐变大，表现出了明显的“梯度愈合”特性，愈合率纵向逐渐降低.由图4b)的各层平均温度可以解释这种梯度愈合现象，第1层温度最高，第2层次之，第3层温度最低，且差值随着表面温度的升高而加大，因此，可以从温度的梯度分布现象来解释沥青混凝土感应加热作用下的梯度愈合行为.

图4 不同温度下试件的愈合效率和温度

2.4 加热次数对梯度愈合行为影响

由愈合效率可知，愈合率均未达到100%，这与众多因素有关，其中断裂集料无法愈合是其主要原因，同时温度梯度也是重要原因，温度梯度导致深层裂纹难以愈合.何凡等对沥青砂浆热诱导自愈合性能的研究表明，愈合率与愈合时间呈正相关，延长愈合时间可提高愈合效率，因此，可考虑通过多次加热增加总的愈合时间，以提高愈合效率.在试验加热之后，待试件冷却至室温后再重复加热1～2次，使总的加热次数为2～3次，进而对比分析试件多次感应加热作用下的愈合效率.本部分愈合试验的加热温度90 ℃(试件表面温度)，每个愈合率为五次试验的平均值.

图5对比了小梁试样不同加热次数下的愈合效率.由图5可知，随着加热次数增加，各层愈合效率呈现出增加的趋势，但增长幅度有限.第一次加热后，第1层小梁的愈合率为54%，第二次和第三次加热之后该层小梁的愈合率分别为60%和65%，增幅仅为12%和20%，说明首次加热对于愈合率的提升作用明显，随着愈合时间的延长，相同温度下，愈合率增加速率减慢.此结论与何凡等人的研究结果一致，沥青砂浆存在最高自愈合率和最佳加热时间，必然会导致愈合率增加幅度随加热试件延长降低的趋势，随着加热次数增加，愈合率会趋于平衡.根据加热距离对温度梯度分布的影响结果可以得出，加热距离对梯度愈合效率也将产生重要影响，其内部联系有待进一步研究.

图5 多次加热对愈合效率影响(90 ℃)

3 结 论

1) 由于电磁场分布不均匀，电磁感应加热沥青混凝土存在明显的纵向温度梯度分布现象，且这种现象不会随着加热时间的延长而消失.感应加热后降温过程中的热传递对沥青混凝土试件上部温度影响较大，对试件下部温度分布产生的影响较小.

2) 电磁感应加热沥青混凝土存在明显的纵向温度梯度分布现象，且这种现象并不会随着加热时间的延长而消失，与电磁场的不均匀分布有关.

3) 随着深度增加，试件升温速率降低，随着加热时间的延长，温度梯度D值逐渐增大，但增加的趋势减弱.加热距离对升温速率和温度梯度分布存在影响，随着加热距离的增加，加热速率和温度梯度下降.

4) 电磁感应加热下沥青混凝土呈现梯度愈合行为，不同深度处，沥青混凝土的愈合效率不同，愈合效率随着深度加深降低，这主要与温度梯度分布有关.多次加热可以增加沥青混凝土不同深度处的愈合率，但其增幅有限，且随着加热次数的增加，愈合率增长幅度降低.同时，加热距离对愈合效率存在重要影响.

[1] 孙大权,张立文,梁果.沥青混凝土疲劳损伤自愈合行为研究进展：自愈合行为机理与表征方法[J].石油沥青,2011,25(5):7-11.

[2] KIM B, ROQUE R. Evaluation of healing property of asphalt mixtures[J]. Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board,2006(1):84-91.

[3] GARCIA A, SCHLANGEN E, MARTIN V D V. Two ways of closing cracks on asphalt concrete pavements: microcapsules and induction heating[J]. Key Engineering Materials,2010(3):573-576.

[4] 熊汉江,何亮,王大为,等.沥青混合料裂缝自愈合修复技术[J].公路,2015(11):16-21.

[5] GARCíA A, BUENO M, NORAMBUENA C J, et al. Induction healing of dense asphalt concrete[J]. Construction & Building Materials,2013,49:1-7.

[6] 何亮,赵龙,凌天清,等.密实型沥青混合料裂缝感应热自愈合性能研究[J].中国公路学报,2017,30(1):17-24.

[7] LIU Q, YU W, WU S, et al. A comparative study of the induction healing behaviors of hot and warm mix asphalt[J]. Construction & Building Materials,2017,144:663-670.

[8] 何凡,唐进,刘全涛.沥青砂浆的热诱导自愈合性能研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2016,40(4):700-704.

[9] 李超,陈宗武,谢君,等.钢渣沥青混凝土技术及其应用研究进展?[J].材料导报,2017,31(3):86-95,122.

[10] 田小革,韩海峰,李新伟，等.不同加载模式下沥青混凝土的断裂特性[J].建筑材料学报,2016,19(4):758-761.

[11] 吴金荣,马芹永.聚酯纤维对透水沥青混凝土冲击压缩性能的影响[J].爆炸与冲击,2016,36(2):279-284.

[12] 徐辰,何兆益,吴文军，等.沥青自愈合性能在不同影响因素下的评价[J].中外公路,2014,34(2):274-278.