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感应加热沥青砂浆的裂纹控制

刘全涛^a 吴少鹏^a Erik Schlangen^b

^a武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室, 珞狮路122号, 武汉430070

^b代尔夫特理工大学, 土木工程与地球科学学院, 微机械实验室, Stevinweg 1, 2628 CN Delft, 荷兰

摘要：沥青砂浆是一种可自我修复的材料，它有自修复内部裂缝的潜能。在这项研究中，开发了一种感应加热的方法，用来提高沥青砂浆的自愈合能力。将导电物质添加到沥青砂浆中使其具有导电性并且适用于感应加热。当微裂纹在沥青砂浆中产生时，感应加热可以提高沥青砂浆修复裂缝的自愈合能力。本文研究了不同导电物质下沥青砂浆的感应加热速度、弯曲强度、诱导愈合效率。研究结果可以得出：含有钢丝绒或钢纤维的沥青胶浆可以使用感应能量快速加热。向沥青砂浆中添加钢丝绒或钢纤维也可增加其弯曲强度。最后，包含钢丝绒和钢纤维的断裂沥青砂浆小梁可以通过感应加热恢复其弯曲强度，可观察到裂纹在感应加热期间消失。基于这些结果，得出结论，感应加热可以用于沥青砂浆中的裂缝修复。

关键词：感应加热；沥青砂浆、愈合、裂纹控制

引言

沥青混凝土可以在间歇修复期内自主地愈合损伤。其愈合是由于内部裂纹的闭合而恢复其刚度和强度。自20世纪60年代以来沥青混凝土的这种自愈能力已经在实验室和实际应用中得到验证^[1-5]。Bazin和Saunier观察到，在25℃，且存在压力条件下，沥青混凝土梁在单轴拉伸载荷下的强度可以恢复90％^[1]。此外，作者观察到疲劳损坏的梁试样在引入一天的间歇期之后，且施加一定的压力使裂缝结合在一起，可恢复超过原始疲劳寿命的一半。Castro和Little证实，在正常连续负载试验期间引入间歇期时，沥青混合物的疲劳寿命可以延长^[3-4]，沥青混凝土的愈合也通过了现场实验得以证明^[6-7]。Williams等人使用表面波测量来评估在加载之前，之后和24小时之后的路面刚度。刚度在24小时的间歇后完全恢复^[6]。众多研究人员报告，冬季在路面上观察到的裂纹在夏季消失。

许多研究人员报道了沥青混凝土的愈合机理。Castro和Saacute;nchez使用solgel理论解释了在间歇期间沥青混合料的愈合。在高温下，由于沥青从溶胶返回到凝胶结构而发生愈合。如果间歇时间足够，几乎能够完成全部愈合。在低温下，间歇期不能够使循环载荷产生的结构损伤愈合并且恢复只可能是部分的^[3]。Phillips提出了以下三步扩散模型来解释沥青的愈合：（1）由于沥青的压力和流动作用而导致表面接近（2）湿润（由表面能驱动的两个裂纹表面的粘合）（3）沥青质结构的扩散和自由重组。前两个步骤导致模量（刚度）的恢复，第三个步骤导致强度的恢复^[8]。Little和Bhasin提出了以下类似的三步模型来描述沥青材料的修复过程：（1）湿润纳米级的两个裂缝表面（2）分子从一个面扩散到另一个面（3）分子扩散的随机化以达到材料的初始强度^[4]。润湿由机械和粘弹性性能以及沥青的材料常数（拉伸强度，内聚功和表面自由能）决定。随后的强度恢复取决于沥青结合料的表面自由能和沥青分子穿过裂纹界面的自扩散^[9]。Kringos等使用化学机械模型来模拟沥青的愈合。沥青在机械或环境负荷下具有相分离的趋势，并且所得到的相界面将吸引相当大的应力并且容易开裂。通过增加温度或插入机械能，相界面将重新排列成新的构型或将它们自身混合成更均匀的状态，使得表面单相的存在。因此，材料将闭合微裂纹，这将导致机械性能的恢复^[10]。

问题是沥青路面的自愈合恢复在环境温度下非常缓慢，并且不能阻止道路上的交通循环以允许充分的自愈合恢复。沥青混凝土的自愈合高度依赖于温度，并且当材料在间歇期间经受较高温度时愈合效果更好^[11-15]。测试温度的升高也降低了总恢复时间^[13]。因此，可以通过提高沥青混凝土的温度来提高沥青混凝土的自愈能力和速度，这是因为沥青混凝土在间歇期间较高温度下显示出较强的愈合速率^[11-15]。

2.感应愈合方法

为了通过提高温度来提高沥青混凝土的自愈能力，代尔夫特理工大学开发了一种感应愈合方法（即通过感应加热来激活沥青混凝土的愈合过程）^[16-17]。多孔沥青混凝土中感应愈合示意图如图1所示，将钢纤维添加到沥青混合物中以使其具有导电性并且适于感应加热。当微裂纹发生在胶浆中（或胶浆与石头之间），通过使用外部源感应加热钢纤维，可以局部地增加砂浆的温度，使得多孔沥青混凝土可以通过沥青的高温愈合来修复并愈合裂缝（扩散和流动）。微裂纹的愈合将防止大裂纹的形成。因此，可以最终避免或延迟在路面上的开裂或松散。

图1 沥青混凝土感应加热示意图

根据法拉第的电磁感应定律，当导体放置在交变磁场中时，将在导体中产生电流。磁场源和感应电动势之间的关系可以表示为等式（1）^[18]。

(1)

其中为电动势（V）；是磁场的角频率（rad/s）；f是磁场的频率（Hz）；B是磁通量（Wb）；是工件材料的磁导率（H m^-1）；H是磁场强度（T）；A是由导电纤维环包围的面积（m²）。

感应电动势取决于磁场强度和磁通量的变化率。对于该加热系统，感应设备中的恒定频率和恒定电流强度将产生恒定的磁场和恒定电动势。

在实际应用中，这意味着当磁通量通过时，导电纤维将感应出电流。电流在其流过导电纤维时产生焦耳热。由焦耳热引起的加热速率与样品的电阻成反比。当样品的电阻较低时，加热速率较大。

焦耳第一定律如式（2）：

（2）

其中P是每单位时间产生的热量（W）; I是恒定电流（A），R是导体的电阻（Omega;）。

该法适用于可以由电阻表征的任何电路。欧姆定律表明，对于具有电阻R的电路的电压，电流将为：

（3）

通过将该公式代入焦耳定律中电流的一个或两个电流因子中，可以以下面的等效形式写出所消耗的功率：

（4）

对于某一感应加热发电装置，加热样品中的磁场强度、磁场频率和感应电动势是恒定的。 因此，在被加热的样品中产生的热量与其电阻成反比。具有更多导电添加剂的样品具有更低的电阻并且因此可以更快地被加热。

本研究的目的是研究含有不同导电添加剂的沥青胶砂样品的感应加热速度和愈合潜力。 导电添加剂对沥青胶砂的机械性能的影响也进行了探讨。

3.材料和方法

3.1．材料

用于制备沥青砂浆的材料包括砂（0-2mm）、填料（lt;0.063mm）、沥青（Pen 70/100）和不同的导电物质（00类型钢丝绒、钢纤维和钢渣）。以固定比例的砂、填料和沥青制备沥青砂浆样品，其比例为2.33:1:0.6。这是在荷兰的多孔沥青混凝土中使用的沥青胶粘剂的典型组成。将不同类型和含量的导电添加剂添加到混合的沥青砂浆中，使得其可以使用感应能量加热。00型钢丝绒具有在8.89m和12.7m之间的直径和3.2mm的长度。钢纤维具有在29.6m和191.1m之间的直径和小于1mm的长度。钢丝绒和钢纤维都具有约7.6g / cm ^-3的密度和7*10^-7Omega;的电阻率。第三导电添加剂是钢渣，这是一种废料并且容易结合到沥青混合物中。钢渣颗粒的直径范围在2mm和4mm之间。

3.2．样品制备

本节描述了在以下加热和愈合实验中沥青砂浆梁（图2所示）的制造。为了制备沥青胶砂梁，将材料在160℃下用高速Hobart混合机混合，直到钢纤维或钢丝绒均匀分散（这不是沥青厂中的典型沥青生产过程）。混合后，将混合物在模具中压实成型，如图2所示。 通过控制在模具中压实的混合物的量，可以精确地确保梁的尺寸。在冰箱中-20℃下冷却30分钟后，通过分离模具获得胶砂梁。 对于每种组合物制造三个梁，包括不含导电添加物，含有4％/ 8％/ 10％重量钢丝绒的梁，含有4％/ 8％/ 10％重量钢纤维的梁和含有10％/ 20％/ 30％重量的钢渣的梁。此外，制备三个样品，其中所有的砂和钢渣（尺寸0-4mm）。胶砂梁的尺寸如图2所示。梁中心（深度为2 mm）的三角形切口使样品始终在相同位置断裂。

图2 用于制备凹口弹性梁和准备梁该的模具

3.3．感应加热

使用功率50kW，频率70kHz的Huttinger电磁感应装置研究沥青砂浆梁的感应加热性能。本研究中使用的电磁感应装置如图3所示。320*240像素全彩红外相机（FLIR，类型A320）用于记录并分析感应加热过程中样品的温度变化。感应线圈和砂浆梁之间的距离固定为15mm。加热速度将随着距离的增大而降低并且线圈将以较小的距离阻挡红外摄像机的视线。在加热实验之后，使用红外相机提供的软件获得样品的加热速率。

图3 本研究中使用的感应加热装置

3.4．三点弯曲试验

为了研究导电添加剂添对沥青胶浆机械性能的影响，对砂浆梁进行三点弯曲试验。图4给出了三点弯曲试验的实验设置。该试验在-20℃下进行，以避免永久变形并在样品中产生脆性断裂，在三点弯曲试验期间，连续测量施加的载荷和所得到的位移。使用以下等式，可以将测量的试样位移转化为弯曲（抗弯）强度sigma;f ：

（5）

其中P是施加的载荷（kN）；L，d和b是试样外部负载点之间的有效长度、样品的宽度和厚度（L = 105mm; d = 25mm和b = 13mm）。

测试破裂的沥青胶浆梁的感应愈合效果的方法包括：使用感应加热将断裂的梁加热至85℃（推荐的加热温度），冷却梁，并且最后在三点弯曲试验期间再次折断愈合的梁。实际上，感应加热过程应在完全损坏发生之前进行。然而，为了简单起见，在本研究中使用感应加热来完全愈合损坏的样品（在这种情况下不必控制损伤程度）。图5显示了在三点弯曲试验期间在愈合之前和之后获得的典型载荷-位移曲线。 通过感应加热诱导的断裂样品的回复弯曲强度可以用作愈合的指标。

图4 三点弯曲试验的设定

图5 在愈合前后的三点弯曲试验中获得的典型载荷-位移曲线

4.结果和讨论

4.1．含有导电添加剂的砂浆梁的感应加热速度

由于从顶部到底部的磁场强度减小，感应加热速率在样品的厚度上分布不是均匀的，顶部表面可以比在下部更快地加热样品。这种不均匀加热正是我们想要的在不影响下部结构的情况下在多孔路面的表面处愈合裂纹。因此，本实验的重点是样品顶表面的加热速率。图6给出了典型的感应加热图像和样品顶表面的温度分布。样品顶部表面大部分（94.1％）的温度在50.7℃和62.7℃之间，平均温度为54.9℃。图7显示出了在感应加热工艺期间样品的顶表面处的平均温度的增加。可以观察到，样品的顶表面处的平均温度线性增加。因此，样品的感应加热速度（在顶表面处）可以被定义为样品表面处的平均温度的增量除以加热时间。加热前后样品表面的平均温度、加热时间和计算的加热速度示于表1和图8中。没有导电添加剂的普通沥青胶砂梁不能使用感应加热来加热。含有所有三种类型的添加剂的样品可以用感应发生器加热，但是以不同的加热速率加热。含有钢纤维和钢丝绒的样品可以使用感应加热快速加热。含有相同量的钢纤维或钢丝绒的样品显示相同的感应加热速率。钢丝绒或钢纤维量的增加导致胶砂样品的感应加热速率更高。该结果是合理的，因为导电组分的增加应当导致更多的加热单元并且因此在相同的时间量内导致更多的加热。此外，钢丝绒或钢纤维的量与感应加热速率之间存在线性关系。含有10％重量的钢丝绒或钢纤维的样品的感应加热速率为1.27℃/S。 使用该感应加热速率，沥青胶砂可以在1分钟内从室温加热至85℃。 然而，增加钢渣的量不会提高加热速率。含有30％重量的钢渣或纯钢渣的样品的加热速率仍然相当低。该结果表明，钢渣不能为感应加热提供合适的解决方案，因为实际上，如果它们由钢渣制成，则需要花费太多时间来加热和修复路面。此外，钢渣不能像钢丝绒和钢纤维一样均匀地分散，这导致更加不均匀的加热。

图6 典型的感应加热图像和样品顶表面的温度分布

图7感应加热时样品表面的平均温度升高

表1 样品的感应加热速度

图8 不同导电添加剂的样品的感应加热速度

为了检验在感应加热期间沥青的老化性能，对新的和加热的粘合剂进行FTIR测量。对于该测量，将样品感应加热至100℃。然后，在Heijmans-Breijn（荷兰）的沥青厂中从加热的样品和未加热的样品中提取沥青。最后，对提取的沥青进行FTIR测量。未加热和加热的沥青的FTIR吸收光谱如图9所示。具体来说，如果发生氧化老化，两个基团的峰高和峰面积C =O和S =O将增加。由图9可以看出，沥青的吸收光谱在加热后不发生变化，这表明在感应加热过程中没有老化问题。

此外，Alva

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