沥青混合料断裂-微波自愈合影响因素分析

朱洪洲， 袁 海， 魏 巧， 刘玉峰， 范世平

(1.交通土建工程材料国家地方联合工程实验室，重庆 400074；2.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074；3.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳 550081)

在长期使用过程中，沥青路面受温度变化、日照及行车荷载交互作用，其力学性能不断衰减，道路表面出现车辙、开裂、唧泥等各种病害。裂缝是沥青路面的主要病害类型之一，其存在对路面的结构性和功能性均会产生不利影响。研究表明[1-2]，当沥青混凝土出现裂缝时，给予其一定的温度和荷载间歇时间，由沥青的流动能够引起微裂纹的闭合，沥青材料表现出自愈合特性。

沥青材料虽具有自愈合特性，但其自愈合行为发展得过于缓慢，仅靠沥青材料在自然环境中的自我愈合难以达到路面裂缝修复的目的。因此，可通过一些方式来加速激发沥青材料的自愈合特性，包括物质补充(微胶囊愈合[3-5])和诱导加热(感应加热[6-8]、微波加热[9-11])。

科研成果证实，对开裂的沥青混合料试件进行诱导加热可促进其自愈合。Fan等[12]通过半圆弯曲试验评价了AC-13型沥青混合料的低温断裂性能及自愈合性能，其研究结果表明，在60 ℃环境中加热8 h后，断裂的半圆试件达到最佳的愈合率；Garcia等[13]提出，在沥青混合料中掺入导电材料后，可通过电磁感应加热促进沥青混合料自愈合过程；何亮等[14]对不同类型、不同掺量钢丝绒的AC-13混合料小梁试件进行电磁感应加热试验、疲劳-愈合试验及路用性能试验，其结果表明，电磁感应加热是对混合料中的沥青进行加热，钢丝绒越长、掺量越高，试件加热速率越高，该试验中涉及的2#钢丝绒(3.5 mm)掺量为4%的混合料小梁试件在加热到75 ℃时兼具理想的愈合率与路用性能；Bosisio等[15]通过在加拿大蒙特利尔市的现场应用，首次证实了微波加热可以用于修补沥青路面裂缝，其现场应用结果表明，频率2.45 GHz的微波作用于沥青路面时，其有效渗透深度达到12 cm，加热过程中不会出现路表过热的情况；Gallego等[16]提出，通过微波对沥青混合料裂缝进行加热愈合是可行的，掺入少量导热纤维(0.2%)能够显著加速其愈合过程；Norambuena-Contreras等[17-18]分析了微波和感应加热对密实型沥青混合料自愈合行为的影响，提出微波能够更有效地促进沥青混合料裂缝自愈合，微波加热时间对自愈合行为的影响最为显著；此外，还有一些学者采用一些微波吸收能力较好的材料如钢渣[19]、铁氧体粉末[20]等代替粗集料或矿粉来提高沥青混合料的微波吸收能力和自愈合能力。

开裂沥青路面在自然环境中的自我修复过程十分缓慢且愈合效果很差；电磁感应加热技术的实施需要在沥青混合料中掺加导电材料，且对路面裂缝的愈合效率不如微波加热。基于以上认识，利用微波加热方式，采用半圆弯曲(semi-circular bending, SCB)试验对2种不同沥青制备的AC-13型沥青混合料试件进行断裂-愈合-断裂试验，研究沥青混合料微波加热行为，分析不同损伤程度、微波强度和加热时间条件下的沥青混合料愈合行为，为沥青路面微波加热自愈合技术提供一定参考。

1 试验概况

1.1 试验材料及设备

1.1.1 原材料

试验采用重交70#基质沥青、壳牌SBS改性沥青，基本指标如表1所示。集料、矿粉为重庆地区石灰岩，各项技术指标符合规范要求。

1.1.2 试验设备

加载设备采用ETM-204C万能试验机，加热设备采用美的家用微波炉，额定功率为700 W，微波频率为2.45 GHz，共4个档位，对应微波强度为210、350、560、700 W；测温设备采用NEC InfRecR300红外热成像仪，温度辨识度为0.05 ℃，精度为±1 ℃，测温范围为-40～500 ℃。

1.2 试件制备

选用AC-13密级配沥青混合料，试验级配如表2所示。通过马歇尔试验确定最佳油石比为4.9%。

表1 沥青基本指标

注：基质沥青测试15 ℃延度；SBS改性沥青测试5 ℃延度。

表2 试验级配

半圆试件由旋转压实试件(直径100 mm，高130 mm)切割而成。为降低密度不均带来的影响，切除旋转压实试件两端各15 mm沥青混合料，然后对圆柱体试件沿侧面进行十字切割，得到4个直径100 mm，高50 mm的半圆试件，为在试验中模拟实际路面损伤程度，沿半圆试件底面垂直直径方向中线切割5、7、10 mm等深度的预留缝。

1.3 试验方案

①试验温度为0 ℃，以10 mm/min的加载速率进行加载至试件完全断裂，记录峰值压力F1；②为确保断裂面闭合，使用3根橡皮筋(弹性模量约0.078 4 MPa)固定断裂试件，模拟施加围压对断裂面的影响，每根橡皮筋的径向拉力约10 N；③将拼接好的断裂试件置于微波炉中进行加热愈合；④利用红外热成像仪拍摄加热后试件表面热像图，选取试件表面中线上的中点、中点两端2 cm处的a～c等3个点以及a～c左右两边2 cm处的d～i等6个点，以这9个点作为观测点，记录温度，将温度平均值记为试件表面温度；⑤对愈合后的试件进行二次加载，记录峰值压力F2。试件制作及加载过程如图1[21]，试件热像图如图2所示。

1.4 自愈合评价指标

以同一半圆试件愈合前后两次加载测得的抗拉强度比作为愈合指数(H)，理论上H的值小于1.0，当愈合指数达到1.0时，说明半圆试件的强度完全恢复。

(1)

式(1)中：σ1、σ2分别为愈合前后的抗拉强度，Pa；F1、F2分别为愈合前后加载过程中的峰值荷载，N。

图1 半圆试件制作及加载过程[21]Fig.1 Semi-circular specimen production and loading process[21]

图2 半圆试件热像图Fig.2 Infrared thermogram of semi-circular specimen

1.5 正交试验设计

半圆试件断裂-愈合试验影响因素及水平如表3所示。

表3 正交试验因素及水平

2 试验结果

2.1 微波加热规律

在观察断裂试件经微波加热愈合后的红外热成像图片时发现，两种沥青混合料试件表面温度均分布不均，且无明显规律。为分析这一现象，在室温条件(20 ℃)下，将70#基质沥青按设计级配的集料分别装入瓷盘中在相同的微波条件下进行加热，并选取5个观测点，记录温度，观测结果如图3所示。

图3 材料表面温度Fig.3 Surface temperature of materials

由图3看出，沥青升温效果不佳，观测点温度范围在33.3～37.0 ℃，温度分布均匀，集料升温效果显著，观测点温度范围在62.0～79.8 ℃，温度分布不均。SBS改性沥青加热情况与70#基质沥青类似。

由电磁场理论可知，电介质经微波作用产生瞬时极化并以一定速度作高频摆动，粒子间的相互摩擦碰撞，实现分子水平的“搅拌”，此时电磁场能转化为介质热动能，从而加热电介质[22]。加热过程中的场能损耗计算式为

P=0.556fE2ε′rtanδ×10-12

(2)

式(2)中：P为材料吸收微波功率，W/cm；f为微波工作频率；E为电场强度；ε′r为介质相对介电常数；tanδ为损耗因子。

当微波工作频率相同时，微波功率损耗主要与介质材料的介电常数和损耗因子有关。微波能量消耗具有选择性，主要被吸收能力强的物质吸收[23]。沥青是一种典型的绝缘材料，其介电常数和损耗因子很小，不能有效吸收微波能量，而矿质集料的介电常数和损耗因子远大于沥青。因此，微波加热沥青混合料的过程主要是由矿质集料吸收微波能量。此外，由于微波能量消耗的选择性和沥青混合料的不均匀性，经微波加热，试件表面温度分布不均。

2.2 沥青混合料断裂-愈合性能分析

试验采用三因素三水平正交试验表，各因素水平如表3所示。相同试验条件下进行4次平行试验，去除误差值最大的1组数据，以剩余3组数据的平均值作为该试验条件下的愈合指数H，采用极差分析法对结果进行分析。

由图4可知：①两种沥青混合料在同一因素水平下的愈合指数H大致相似，证实了微波主要作用于集料颗粒，通过加热集料和传热来实现对沥青混合料的加热，改变沥青种类对沥青混合料微波自愈合行为无明显影响；②随试件预切缝深度增加，两种沥青混合料的愈合指数H均逐渐降低，但降幅较小，由于断裂试件均采用橡皮筋进行捆绑，其断裂面闭合情况良好，加之微波属于一种高效加热方式，微波炉中的微波辐射深度大于试验中设计的试件尺寸，因此损伤程度对断裂试件的愈合性能虽有影响，但影响程度不大；③随微波强度、加热时间的增长，试件在微波场中持续升温，因此两种沥青混合料的愈合指数H均呈不同程度的增大趋势。

图4 不同因素下的愈合指数Fig.4 Healing index under different factors

表4 基质沥青混合料试验结果分析

表5 SBS改性沥青混合料试验结果分析

根据表4、表5中的极差值R得到不同因素对沥青混合料损伤愈合行为的影响程度，如图5所示。

由图5可知，对两种沥青混合料自愈合行为影响最大的是微波强度，其次是加热时间，损伤程度对沥青混合料自愈合行为影响不显著。

图5 极差分析Fig.5 Range analysis

温度是影响沥青混合料自愈合行为的关键因素之一，断裂试件在高微波强度下经较短时间加热后，即可达到较高温度，在加热过程和停止加热后温度降低至室温的过程中，裂缝表面由于沥青的流动润湿和分子扩散，表面闭合和强度恢复的过程在持续进行，因此微波强度是影响沥青混合料微波自愈合的关键因素。试验中发现，低微波强度如350 W下，断裂试件即使经较长时间加热，也难以达到高温度，且长时间加热可能会导致沥青老化，流动性变差，影响沥青混合料的自愈合性能。因此，加热时间对沥青混合料自愈合行为的影响不如微波强度显著。试验中，由于试验条件设置的原因，损伤程度对沥青混合料自愈合行为的影响程度较弱，结合实际工程应用，微波养护车同样能够对沥青路面15 cm深度范围实现均匀加热，可见损伤程度不是影响微波愈合的主要因素。

3 结论

(1)发生宏观断裂的沥青混合料可通过微波加热实现愈合。微波加热主要作用于矿质集料，属于一种“内加热”方式，改变沥青种类对混合料微波自愈合行为无明显影响。

(2)两种沥青混合料的微波愈合性能均随试件损伤程度的增大而逐渐下降，随微波强度、加热时间增长而提高。根据极差分析结果，微波强度对沥青混合料微波愈合性能的影响最为显著，相比微波强度350 W、700 W作用下，两种沥青混合料的愈合指数分别提高了36.00%、46.33%。其次是微波加热时间，损伤程度对微波愈合性能的影响较弱。