感应加热超薄罩面沥青混合料路用性能研究

蔡成雷，胡小弟，林丽蓉,2，万九鸣，王 兵

(1.武汉工程大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430074；2.湖北省建筑科学研究设计院股份有限公司，湖北 武汉 430064)

0 引言

道路养护工作逐渐成为支撑我国公路系统高效运行的重要支柱，超薄罩面作为常见预防性养护措施的一种[1]，有利于路面抗滑性能的恢复、沥青路面或水泥混凝土路面的预防性养护或轻微、中等病害的表面处理，常用于各级公路的养护工程和桥面铺装[2-3]。砂粒式AC-5超薄罩面具有经济性好、使用寿命长、施工易摊铺压实等优点，近年来得到广泛关注[4]。

针对冬季道路结冰影响出行安全的问题，本文在普通AC-5混合料的基础上加入钢渣、钢纤维两种导电相材料，结合电磁感应技术，得到一种可实现融雪化冰的“功能型超薄罩面”混合料[5-6]，不仅能解决钢渣的利用问题，也能实现路面材料功能的多样化。本文探究了钢渣等体积替代、钢纤维掺量对于其体积参数、路用性能的影响，探究了钢渣、钢纤维掺量对于感应加热融雪化冰速率和融冰效果的影响。该功能型超薄罩面各项性能优良，且厚度薄、施工方便、融雪效率高，有助于道路养护材料的功能化应用。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

沥青为湖北国创生产的SBS改性沥青，其基本性能指标见表1。

表1 SBS改性沥青的主要性能指标Table 1 Main performance indicators of SBS modified bitumen试验项目针入度(25 ℃、100 g、5 s)/0.1 mm软化点(环球法)/℃延度(5 cm/min、5 ℃)/cm试验结果6463.546.8技术要求60～80≥60≥20试验规程T0604-2011T0606-2011T0605-2011

钢渣来自湖北咸宁嘉鱼，钢渣的外观形貌见图1。钢纤维来自江苏盐城某金属制品公司，钢纤维外观形貌见图2。

钢渣粗集料(2.36～4.75 mm)的性能测试结果如下：压碎值13.4%，洛杉矶磨耗损失11.2%，表观相对密度3.76，吸水率2.89%，浸水膨胀率1.23%，f-CaO含量2.1%．

石灰岩集料(2.36～4.75 mm)的基本性能指标如下：压碎值24.8%，洛杉矶磨耗损失17.6%，

图1 钢渣Figure 1 Steel slag

图2 钢纤维Figure 2 Steel fiber

表观相对密度2.811，含泥量5.7%．

1.2 试验方法

1.2.1AC-5超薄罩面混合料配合比设计

试验以普通AC-5超薄罩面混合料为基础，钢渣等体积替代2.36～4.75 mm粗集料，0%、1%、2%、3%(相对于石料质量)4种钢纤维掺量，获得8种超薄罩面材料。AC-5混合料合成级配曲线见图3。根据马歇尔设计方法，在各项指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》[7]要求的情况下[8]，确定普通AC-5超薄罩面材料的最佳油石比为6.4%，其它混合料均采用相同的油石比。

图3 AC-5合成级配曲线图Figure 3 Synthetic grading curve of AC-5

1.2.2层间剪切性能

层间剪切性能试验是检验超薄罩面材料抗层间滑移能力的一项重要试验，本研究采用直接剪切试验。层间剪切式样采用双层试样成型，首先成型高为50 mm的AC-13上面层，涂刷乳化沥青，待乳化沥青破乳后成型20 mm超薄罩面，成型过程如图4所示。使用UTM-100万能材料试验机进行层间直接剪切试验，以层间剪切强度、层间剪切位移评价其层间剪切性能的好坏。

图4 层间剪切试样成型过程Figure 4 Interlaminar shear specimen forming process

1.2.3超薄罩面感应加热升温速率试验

本研究采用25 kW高频电磁感应加热设备对超薄罩面材料进行感应加热，加热频率在30～80 kHZ间。感应加热试样高度为50 mm，感应线圈与试样距离固定、加热时间为60 s，以红外热成像仪获取试件表面温度，以感应加热前后试样表面的温度差和时间的比值来反映其升温速率。感应加热升温速率的快慢直接决定了超薄罩面材料的功能化是否合格。

2 钢渣替代、钢纤维掺量对于混合料体积参数的影响

本文钢渣采用等体积替代的方式替换2.36～4.75 mm部分石料，而钢纤维采用外掺的方式加入，以研究其对混合料性能的影响。8种混合料混合料体积参数的影响如图5所示。

(a)空隙率

(b)矿料间隙率

研究结果表明：钢纤维掺量增加会显著增加混合料的空隙率和矿料间隙率；钢渣组混合料相对于石料组具有更小的空隙率和矿料间隙率，即钢渣等体积替代后的钢渣混合料相比未替代组的岩石混合料更为密实。

3 超薄罩面沥青混合料路用性能和功能化验证

本文对超薄罩面沥青混合料路用性能探究包含：水稳定性(冻融劈裂试验、 浸水马歇尔试验)、层间剪切性能、低温抗裂性能。功能化验证包括：感应加热升温速率、感应加热融冰效果。

3.1 水稳定性

本研究采用冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验评价超薄罩面混合料水稳定性。冻融劈裂试验的试件均采用双面击实50次，试验组试件经25 ℃真空饱水、(-18±1)℃冷冻、 (60±1)℃保温处理，然后进行劈裂试验；对照组直接进行劈裂试验得出劈裂强度。劈裂试验需首先对2组试样泡水处理，时间2 h，温度为(25±0.5)℃，然后测定劈裂强度。冻融劈裂试验以试验组与对照组的劈裂强度比来评价沥青混合料的水稳定性，其试验结果如图6所示。

由图6可知：岩石组混合料与钢渣组混合料均符合规范对于AC-5沥青混合料冻融劈裂强度比不小于80%的要求。随着钢纤维掺量增加，钢渣组与岩石组沥青混合料劈裂强度值均呈现下降趋势，但钢渣组更为缓慢，原因在于钢渣组混合料更为密实，且钢渣集料棱角性较好。

浸水马歇尔试验采用标准马歇尔试件，分2组进行60 ℃水浴处理，一组水浴保温30 min，另外一组水浴保温48 h，然后测定2组试件的马歇尔稳定度，以2组试件的稳定度比为残留稳定度。浸水马歇尔试验结果如图7所示。

由图7可知：8组超薄罩面混合料残留稳定度结果均符合规范对于AC-5改性沥青混合料残留稳定度不小于85%的要求。随着钢纤维掺量增加，钢渣组和岩石组混合料马歇尔稳定度值均呈现先增加后减小趋势，说明钢纤维的加筋作用与空隙率增加相互影响下，混合料高温稳定性存在最佳的钢纤维掺量，集中于1%左右；钢渣组混合料相较于岩石组混合料具有更高的马歇尔稳定度，原因在于钢渣具有更好的棱角性，且钢渣组混合料压实性能更好；钢渣组混合料稳定度值衰减速度更快，且残留稳定度更小，说明钢渣组超薄罩面混合料水稳定性稍差于岩石组超薄罩面混合料；2组混合料残留稳定度值在90%以上，均呈现良好的水稳定性效果。

(a) 岩石组混合料冻融劈裂试验结果

(b) 钢渣组混合料冻融劈裂试验结果

(a) 岩石组混合料浸水马歇尔试验结果

(b) 钢渣组混合料浸水马歇尔试验结果

3.2 层间剪切性能

超薄罩面由于其厚度薄，若层间黏结效果差，相较于传统路面更易发生推移、拥包等病害，研究其层间剪切性能具有重要意义[9-11]。本研究采用万能材料试验机UTM-100进行直接剪切试验，测定双层试样层间剪切强度、层间剪切位移，试验结果如图8所示。

(a)剪切强度 (b)剪切位移

由图8可知：随着钢纤维掺量增加，超薄罩面混合料层间剪切强度与层间剪切位移均呈现先增加后减小的趋势，2组混合料最大的层间剪切强度集中于掺量2%左右，而最大层间剪切位移集中于掺量1%左右；岩石组层间剪切强度、层间剪切位移变化范围比钢渣组更大，总体上呈现较好的层间剪切效果；钢渣的加入并不会对层间抗剪性能有积极影响。

3.3 低温抗裂性能(半圆弯曲法)

本研究采用半圆弯曲法研究超薄罩面混合料低温性能，试样采用旋转压实设备成型，直径150 mm，高度50 mm，沿着圆形试样直径切割为2个半圆试样，并进行切缝处理，得到半圆劈裂试样。将试样在环境箱-10 ℃条件下冷冻5 h，然后将其在万能材料试验机UTM-100进行劈裂试验，测定加载过程中位移与荷载间的关系，试验过程如图9所示。

图9 半圆弯曲试验过程图Figure 9 Semicircular bending test process diagram

试验结果以断裂强度和断裂能评价其低温性能优劣，8种超薄罩面材料半圆弯曲试验结果如图10所示。

(a)断裂强度

(b)断裂能

由图10可知：随着钢纤维掺量增加，钢渣组混合料与岩石组混合料断裂强度均呈现先增加后减小的趋势；钢纤维的增韧加筋与空隙率逐渐增加相互作用，导致其断裂强度不是一个逐渐增加的过程，在钢纤维掺量为1%时，混合料断裂强度为最大值；岩石组在钢纤维掺量达到2%～3%时，相较于钢渣组，其断裂强度下降速度更快，这是由于其空隙率下降速度比岩石组快，混合料更为不密实，钢纤维加筋作用不明显。

随着钢纤维掺量增加，岩石组与钢渣组半圆劈裂断裂能呈现先增加后减小的趋势，并在钢纤维掺量1%时达到最大值；钢渣组平均断裂能小于岩石组，说明钢渣的加入并不能增加其抗低温性能；AC-5作为密实型混合料，空隙率的减小对其性能的衰减影响较大，尽管钢纤维起到加筋增韧的效果，但两者综合影响下，并不是性能逐渐变好的过程。

3.4 材料组成对感应加热升温速率影响

感应加热试验采用电磁感应加热设备对试件进行感应加热，本研究为减小其它因素干扰，仅探究钢纤维掺量、钢渣加入与感应加热速率间的关系，且对于钢纤维0%掺量的混合料不做研究。试验过程中，感应加热线圈与试件的距离固定，加热频率固定，加热1 min后记录加热前后的温差，试验结果以℃/min计，图11为试件感应加热后的红外图像。

图11 感应加热试件红外图Figure 11 Infrared map of induction heated specimens

感应加热升温速率快慢影响路面实际融冰的效果，图12展示了1 min后不同混合料感应加热温度增量。

图12 钢纤维、钢渣对感应加热升温速率的影响Figure 12 Effect of steel fibers and slag on the heating rate of induction heating

由图12可知：岩石组、钢渣组感应加热升温速率均随着钢纤维掺量增加而增加；钢渣组感应加热升温速率明显要高于岩石组，说明钢渣对于感应加热效果有着一定的促进作用；各组混合料均呈现较好的感应加热升温效果。

3.5 感应加热融冰试验效果

为验证实际融雪化冰的效果，本研究设计了感应加热融冰试验。首先制备等厚度冰层，然后将试样放置于冰层上，再在冰层上加适量水即可。冰层厚度约5 mm，经感应加热设备加热2～5 min，6组试样均能融化冰层，呈现较好的感应加热融冰效果。图13展示了感应加热试样融化冰层过程中的红外图片。

图13 融冰试验红外图Figure 13 Infrared map of ice melting test

4 结论

基于感应加热的AC-5超薄磨耗层材料，探究了钢渣等体积替代、钢纤维掺量对于体积参数、路用性能的影响，并结合电磁感应技术对混合料感应加热升温速率、融冰效果进行了验证。试验结果分析，可以得到以下结论：

a.钢纤维按集料质量分数1%、2%、3%比例外掺会显著增加混合料的空隙率、矿料间隙率；钢渣等体积替代2.36～4.75 mm粗集料会减小AC-5混合料的空隙率和矿料间隙率。

b.钢渣组混合料呈现较好的水稳定性，空隙率对于水稳定性的影响大于钢纤维的加筋作用。钢渣替代、钢纤维外掺对于AC-5级配混合料层间剪切性能、低温劈裂性能的影响不是线性增加或减小的过程；各组混合料均在1%～2%的钢纤维掺量时表现出较好的路用性能，钢渣组混合料相较于岩石组的力学性能更好，但低温性能稍差。

c.随着钢纤维掺量增加，超薄罩面混合料升温速率呈现逐渐增加的趋势，钢渣等体积替代粗集料对于混合料感应加热效果有促进作用。6组可被感应加热的超薄罩面混合料均表现出良好的融冰效果。