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诱导修复多孔沥青混凝土试验段材料的表征

摘要 一个感应加热方法来提高多孔沥青磨耗层使用寿命。钢纤维在沥青混合料中混合，然后将感应加热应用到预期损坏的掺有钢羊毛纤维的沥青混合料中，由于感应加热的结果，多孔沥青里面可能的裂缝和损坏是可以治愈的。本文的目的是表征从一个感应愈合多孔沥青试验与实验室实验获得的材料。首先用红外热像仪测量了该领域芯的加热速度。结果发现，这些钢纤维的内芯可以被感应能量所加热。然后，对芯的颗粒损耗值，间接拉伸强度，水的敏感性和纳米压痕模进行了研究。结果表明，钢纤维的加入提高了多孔沥青混凝土芯的颗粒损耗和延性。钢纤维在多孔沥青芯中的砂浆相中比在普通的核心中表现出较高的压痕模量。这些发现显示，钢纤维可以增强脱散性多孔沥青混凝土。最后，在四点弯曲试验的疲劳寿命延长参数施加有和没有感应加热来调查该多孔沥青混合料的愈合的潜力。感应加热可以大大延长梁的疲劳寿命。同时发现，加热老年梁，感应加热比与自然愈合可以愈合快得多。基于这些结果，可以预期的是，多孔沥青路面的耐久性将通过加固钢纤维和感应加热来提高。

关键词 多孔沥青混凝土，感应加热，愈合，钢纤维，四点弯曲试验

1 简介

多孔沥青混合料非常广泛用作荷载高速公路的表面磨耗层，以减少交通噪音。松散，这是路面石头的损失，是报道的多孔沥青磨耗层的主要缺陷[1–3]. 磨损是主要缺陷的开始，像坑洼，因为一旦一块石头发生位移，周围的石头就会缺少至少一个方向的支持[4]. 松散导致了频繁的道路维修，从而减少道路网络的荷载能力[5]。为了提高多孔沥青的使用寿命，应防止松散。

为了防止脱散，一种感应愈合方法（即通过感应加热活化沥青混凝土的愈合过程）在Delft 理工大学的Micromechanics实验室开发。这种方法是基于沥青混凝土的双特性：沥青混凝土是一种能通过自身自行愈合的材料[6–8]; 在更高的温度下，它的愈合能力要好得多[9, 10]. 在很短的时间，测试温度导致较快的恢复响应的增加[10]。正如沥青混凝土在休息期间，在较高温度下已经表现出较好的自愈率，诱导愈合的方法是非常有前途的。

作者遵循的诱导治疗方法的假设是，显著和愈合快，是因为沥青在一定温度下作为牛顿流体开始扩散和流动[11, 12]: 如果该粘合剂表现为牛顿流体，则在裂纹面上的接触点会出现压力差，这将是一个毛细管流动的粘合剂，作为关闭裂缝的驱动力。使这种方法工作，钢纤维加入到多孔沥青混合料使其导电性和电感应加热适用。在多孔沥青的微观裂纹形成时，将诱导加热应用于局部提高多孔沥青混合料的温度。微裂纹可以通过高温的沥青愈合（扩散和流动）。微裂纹的闭合防止宏观裂纹的形成和最终松散[13–15]。它已被证明，这种新开发的多孔沥青与正常的多孔沥青相比具有2个优点。第一个是钢纤维增强效应，另一种是通过感应加热增强多孔沥青混凝土的愈合能力和速度[13–19]。可以预期的是，这种诱导愈合多孔沥青由于钢纤维加固和通过诱导愈合过程获得的进一步阻力而具有优异的机械性能。因此，路面的耐久性将会得到改善。

为了进行这种诱导愈合的实际应用的方法，感应愈合多孔沥青试验段于2010年12月在荷兰Vlissingen附近的A58高速公路进行了铺设[20]。这种特殊的多孔沥青混合物中含有多孔沥青PA0/ 16和1.5％的00型钢纤维（总混合物的质量含量）。渗透级沥青70/100（未修饰）使用在混合物中，并且沥青的含量是石，沙子和填料总重量的5.2％。钢纤维长度为10mm直径范围从8.89到12.79um。木材削片机用于分开混合前的钢纤维，使用一种优化的混合过程来生产沥青厂的混合物：钢纤维，沥青和填料首先混合在一起100秒。通过增加石头和沙子和混合200秒，一个没有集群的很好的混合物产生。多孔沥青试验段被Breijn-Heijmans构造和建造试验段有大约17.2％的空隙率的容量。试验部分在2010-2011、2011-2012的寒冷冬天中幸存下来，通过专家的检查可以观察到无损伤甚至小裂缝。要预测本试验段的性能，大量的核心（100毫米），从本试验段穿过。为了比较的目的，没有钢纤维的平原核心也从参考部分穿过。此外，在实验室中通过Breijn-Heijmans采用相同的材料作为试验段梁(50* 50 * 400 mm³)的制备。在本文中，调查研究这些标本的加热，机械和愈合性能。

2 实验方法

试验段的核心可以用感应能量加热是可以预期的。钢纤维也会加强核心。为了证明这两个预期，实验研究了感应加热速度和核心领域的力学性能。观察和用纳米CT扫描器扫描核心中的一小块部分，以看看在样品中的钢纤维分布。最后，用被用来发生感应愈合的梁的疲劳寿命的扩展来表示测试轨道的愈合潜力。在间接拉伸疲劳和修复试验中，该领域的核心将受到永久变形，所以它们不适合用于愈合试验。

2.1感应加热试验

图1加热场核心的红外热像图

感应加热试验的目的是测量核心的加热速度。给定感应加热速度，加热所需的时间，以获得一个可以计算的特定的温度下的测试轨道。感应加热实验通过使用50千瓦容量的感应加热系统，并在70千赫兹的频率下执行。这种加热设备（加热效率）的有用功率是依赖于加热的样品的电导率和大小。感应加热机的线圈是500毫米times;150毫米的矩形形状。从30到20毫米和10毫米的线圈到样品的上表面之间的距离是变化的，以研究其对样品的加热速度的影响。核心中加热3分钟，并用一个320 * 240像素，全彩色红外摄像机测量核芯的温度变化。得到一个感应加热是如何研究的想法，多孔沥青混凝土芯的感应加热的图像示于图1。

2.2磨耗试验

对于耐久性的目的，多孔沥青磨耗层本身应具有良好的颗粒损失（松散）。为了比较试验段和正常多孔沥青路面的行驶阻力，在肯塔堡飞散试验测定用钢纤维和滑动核芯的粒子损失值。试验是在21.5摄氏度下在没有钢球的洛杉矶磨耗机内根据欧洲标准EN 12697-17完成。每个试样最初称重（W 1），并分别放入洛杉矶鼓。此后，将各试样后在300转后再次称重（W2），以确定称量在测试过程中的重量损失。为了检验这两种混合物的重复性，试验重复了五次。粒子损失值表示为相对于初始重量损失百分比（1—W2/W1）。这种重量损失是混合物的行驶阻力的指示。较低的重量损失意味着更好的衔接和更好的脱散性。

2.3间接拉伸强度和水敏试验

间接拉伸强度是一个参数，表示粘合剂可以粘合的聚集体的强度，可以用来作为一个混合物的凝聚力的指标[ 21，22 ]。在这项研究中，间接拉伸试验进行了表征添加的钢纤维的多孔沥青混凝土的力学性能。在推荐的标准测试温度5摄氏度进行该实验，以获得一个“正确”间接拉伸断裂线。所使用的设备是一个单轴压缩设置。如图2所示，两个LVDT用于在测试过程中监测样品的垂直变形和另一个LVDT传感器被用来记录样品的横向拉伸变形。通过施加一个垂直形变的速率为50毫米/分钟直到达到峰值负载，根据欧洲标准EN 12697-23测定试样的间接抗拉强度。为了检查数据再现性，每种组合物的三个试样进行了测试。在测试后，将样品的间接拉伸强度可以使用下列公式计算：

ITS =2F/ DH

在公式中，ITS是在Pascal的间接抗拉强度，F是施加的总破坏牛顿的垂直荷载，D是试样直径以米为单位,H试样高度以米为单位。

水（湿度）会导致沥青和骨料表面之间的粘附力的损失，并能加速开发其他病害如坑槽、开裂和磨损。在本文中，间接抗拉强度比（ITSR）作为钢纤维芯的水敏感性的指示。核心被分为干燥和潮湿的组。干组直接用15摄氏度温度与50毫米/分钟的变形速度按欧洲标准EN 12697-12进行间接抗拉强度试验。湿性组40摄氏度浸泡72小时，然后用以测试间接拉伸强度。根据公式2计算：

ITSR =ITSw/ITSd*100

在公式中，ITSR是间接抗拉强度比，ITSW是三个湿样品的平均间接抗拉强度，ITSd是三个干样平均间接抗拉强度。

2.4纳米压痕试验

纳米压痕试验是研究材料微观力学性能的一种方法。本试验的主要目的是研究钢纤维对多孔沥青混凝土中砂浆（石头之间的桥梁）力学性能的影响。为制备纳米压痕测量样品，直径40毫米的核心是从原来的直径100 mm核心钻孔，然后用二组分环氧保护样品，在随后的锯切过程中避免崩溃的问题[ 23 ]。浸渍后，小片（4*30毫米*30毫米）从核心锯割，用钻石粉末抛光。样品在抛光后准备进行纳米压痕测量，如图3所示。

图3纳米压痕试验样品

用于纳米压痕测试仪器为Agilent 纳米压痕G200。纳米压痕G200系统包括一个显微镜和一个三棱锥Berkovich压头。在测试之前，显微镜的位置对压头进行校准。显微镜可用于精确地查看样品的砂浆（图3中的矩形区域），并确定测试点。图4显示了在桥之间的测试点的分布。压头是用于对样品的负载。从加载-卸载曲线，可以计算出砂浆的压痕模数。

图4桥的缩进位置

在试样中的砂浆的局部压痕模量在-20摄氏度下测定于1000纳米的深度（预计的接触面积约1.9 *10-2 mm2）。图5显示了一个典型的压痕试验的穿透曲线。每个测量包括三个阶段：一个加载阶段，峰值保持阶段和卸载阶段。位移控制压痕完成直到1000nm的深度，然后在峰值保持1秒和最后卸载。记录的压痕数据可以被转换成压痕模量。压痕模量的计算方法是使用穿透曲线初始斜率的卸载分支的力。 [ 24 ]。

2.5扫描测试

为了对多孔沥青混凝土中的钢纤维分布的高分辨率视觉检测，一个小的立方体从纳米压痕样品中被锯出 ，用凤凰nanotom X射线CT扫描仪扫描。通过扫描，对钢纤维的分布进行了分析。

2.6愈合试验

研究多孔沥青混凝土的诱导愈合的潜力的方法包括损坏样品的四点弯曲疲劳实验，然后通过感应能量加热他们，并最终再次损坏他们以观察疲劳损伤是否愈合。在感应加热后的疲劳寿命延长，用于量化多孔沥青混凝土的愈合能力。第一，一个300微应变应变振幅（正弦波），在8赫兹的频率，20摄氏度的温度下应用于梁50000周期。然后，对样品进行感应加热到85 摄氏度（最佳加热温度的研究[ 16 ]发现），静置18小时或直接休息18小时。之后，另外50000个周期的疲劳载荷施加在横梁上，其次是第二次加热和休息或休息（自然愈合）的过程。破坏，加热和休息或只是休息，并重新破坏过程，重复几次。最后，梁被疲劳，直到刚度降低到一半的初始值。

此外，对老化的光束（85摄氏度烤箱中老化了10天）的愈合潜力进行了研究。这种老化方法相当于5年的现场老化[ 25 ]。将老年梁分为2组，分别用于自然加热和诱导愈合。第一组样品是在20摄氏度下施加300微应变和8赫兹频率，然后休息3或18小时，最后再以同样的载荷疲劳。疲劳准则是减少其初始值刚度的一半。二组样品第一次损坏，如第一组样品，然后感应加热到85摄氏度（最高表面温度）和休息3 - 24小时，最后疲劳了。疲劳寿命延长率（二次疲劳寿命除以原始疲劳寿命）被用来作为愈合的指征。

3结果与讨论

3.1感应加热速度

由于诱导愈合方法的主要目的是防止路面表面的脱散，加热后最重要的是路面的表面温度。因此，加热实验的重点是在加热过程中的核心的顶部表面的温度上升速度。利用红外热像仪，计算了样品表面的平均加热速度（随加热时间的增加）。对每种情况下的三种钢纤维核心的加热速度进行了测量，并对结果进行了总结。当它们靠近感应电机的线圈时，可以使加热速度快得多。当样品的顶部表面和线圈之间的距离为10毫米，三个测量的平均加热速度是0.3442 C/s。在这种感应加热速度下，它需要190 s把样品从20℃加热到85℃。但是，此加热时

间在现场不是非常实用。因此感应加热机需要进行优化，以提高加热速度。在最近的一项研究就已经表明，在德国的感应发电机的制造公司Huttinger，核心使用amore优化加热装置可以以2.5 ℃/s的速度被快速加热。

3. 2场芯的粒子损耗电阻

平原型芯和钢纤维芯的粒子损耗值（在磨耗试验重量损失百分比），新鲜和老化，如图6所示，该样品的颗粒损失值，分散了很多，这归因于不均匀的结构。五次测量平均颗粒损失值是用作行驶阻力的指示（颗粒损失值越低，行驶阻力越高）。用钢纤维核芯的平均粒径为23.6%，远低于普通核的34.7%。对于钢纤维和滑动芯两个核，该颗粒损失值由于老化略有增加。用钢纤维核芯的平均粒径为27.5%，仍远低于普通老化核的37.7%。因此，钢纤维增强多孔沥青混凝土的抗颗粒损失。结果，试验段的脱散将被延迟。

3.3场芯的间接拉伸强度和水敏性

间接拉伸强度试验结果见表2。钢纤维芯的间接拉伸强度为2.13兆帕，略高于普通型芯。在强度方面，钢纤维加固不重要。这可能由于钢纤维含量有限的原因。然而，如表3所示，在故障芯的平均拉伸变形是0.095，在普通内核和钢纤维内核中是0.135毫米。这意味着，钢纤维的加入大大增加了核心的

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