温拌沥青混凝土感应加热自愈合性能研究.pdf 10页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn#温拌沥青混凝土感应加热自愈合性能研究**余万，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）5摘要：感应加热自愈合能够有效修复沥青混凝土中的裂纹，有望成为先进的沥青路面预防性养护技术。本文研究了温拌沥青混凝土感应加热特性，并采用疲劳-愈合-再疲劳、三点弯曲断裂-愈合-再断裂试验，以疲劳寿命和强度恢复率为自愈合指标，研究了温拌沥青混凝土的感应加热自愈合效率。结果表明：感应加热存在明显的梯度效应，温度梯度的变化只与试件本身加热深度有关；所研究的温拌沥青混凝土的最佳加热温度为75℃，单次感应加热可以10使温拌沥青混合料的疲劳寿命延长55%以上、强度恢复率达到65%，说明可利用感应加热修复温拌沥青混凝土。关键词：道路工程；温拌沥青混凝土；感应加热；自愈合；性能恢复中图分类号：TU528.4215Inductionheatingactivatedself-healingofwarmmixasphaltconcreteYUWan,LIUQuantao(StateKeyLaboratoryofSilicateMaterialsforArchitectures,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070)20Abstract:Inductionheatingactivatedself-healingofasphaltconcretecaneffectivelyclosethecrackswithinasphaltconcrete,thusbeingapromisingadvancedcrackingmaintenancetechnologyforasphaltpavement.Thispaperinvestigatestheinudctionheatingcharactericsofwarmmixasphaltconcreteandfatigue-healing-refatigueandfracture-healing-refracturetestsareconductedtostudytheselfhealingpropertiesofwarmmixasphaltconcretewithinductionheating,wherethefatiguelifeandfracture25strengthrecoveryratiosareusedashealingindices.Itisfoundthatinductionheatingofasphaltconcreteisatypicalgradientheatingandtheheatinggradientisonlydependentonthedepthofthesample.Theoptimalhealingtemperatureofthewarmmixaspahltconcreteis75°C.Asingleheatingcanextendthefatiguelifeofthemixtureby55%andthestrengthrecoveryratioreaches65%.Itmeansthatinductionheatingcanbeusedtohealthecracksinwarmmixasphaltconcrete.30Keywords:Roadengineering;warmmixasphaltconcrete;inductionheating;self-healing;propertyrecovery0引言35我国公路行业正面临繁重的养护任务，而现有养护技术及其所存在的问题已引起国家的高度重视：交通运输部发布的《公路水路交通十二五科技发展规划》中指出未来公路交通的重点科技研发方向着重于公路基础设施建设与养护，将公路基础设施，尤其是沥青路面的养[1]护放在了重要的位置；《交通运输“十二五”公路养护管理发展纲要》提出了畅通为主的养[2]护概念；《交通运输“十三五”公路养护管理发展纲要》再次要求“积极应用快速养护及修[3]40复技术，缩短养护作业时间”。如何及时有效地对沥青路面进行预防性养护已成为我国公路行业亟待解决的关键技术难题。基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金新教师类资助课题（20130143120008)作者简介：余万（1992年-），男，硕士研究生，主要研究方向：沥青路面材料通信联系人：刘全涛（1982.8），男，副研究员，硕士生导师，主要研究方向：沥青路面材料.E-mail:liuqt@whut.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn感应加热能够有效修复沥青混凝土中的微裂纹，有望成为先进的沥青路面预养护技术[4-12]。刘全涛前期研究发现：通过感应加热可使多孔沥青混凝土的强度恢复到初始强度的[4-6]80%；当裂纹再次出现时可继续利用感应加热进行修复。Garcia依据毛细管流动原理揭示[7]45了沥青在受热后的自愈合机制，并将感应加热自愈合法成功应用到密级配沥青混凝土。Menozzi和Partl等人通过实验证明，感应加热同样可以延长沥青混凝土的间接拉伸疲劳寿[8]命，但试验中沥青混凝土的蠕变限制了感应加热的愈合效果。Dai等人的研究表明，感应[9]加热可以修复沥青混凝土中的内部损伤，且感应加热可以起到六次以上的愈合效果。孙大全等人对沥青混凝土自愈合增强技术进行了总结分析，认为通过加热提高沥青混合料的自愈[10]50合性能具有可行性，并通过实验证明加热可以使沥青混凝土小梁的疲劳寿命获得复原。[11-12]何兆益、何亮等人的研究也表明，通过升高温度可大幅度提高沥青混凝土的自愈合性能。上述研究成果证实了通过感应加热实现沥青混凝土裂纹自愈合的可行性。然而已有研究均集中在热拌沥青混合料，对温拌沥青混合料的感应加热自修复性能的研究尚属空白。本文研究了温拌沥青混合料的感应加热特性及其感应加热作用下的自修复性能，研究表明温拌沥55青混凝土具有优良的感应加热自愈合性能，可利用感应加热提高温拌沥青混合料的耐久性。1原材料与实验方法本研究采用AC-16型沥青混合料，其级配曲线如图1所示。所用沥青为盘锦北方沥青股份有限公司生产的PJ-70道路石油基质沥青，其各项性能指标均满足规范要求。所用集料为内蒙磊鑫采石场的辉石安山岩，所用矿粉为石灰石矿粉。60图1AC-16沥青混凝土合成级配曲线图Fig.1GradationcurveofasphaltmixtureAC-16本文在AC-16级配沥青混凝土中掺加导电钢纤维以提高其电磁感应加热升温速率，此-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn65钢纤维均由上海奥迪卡依禾金属材料有限公司免费提供，属于粉碎型低碳钢棉类型，其直径[7]为70-130μm，长度约为4.2mm，掺量为沥青体积的6%。本研究所采用的温拌剂由常州信拓路面改性材料有限公司提供，型号为XT-W3（含有20%左右活性成分、结晶水和抑制烟成分的粉末状固体），在80℃-180℃时内部结晶水释放出来，使沥青产生连续发泡反应，泡沫起到润滑作用，可以有效的降低沥青混合料的拌和与70成型温度（降低20-30℃）。温拌剂掺量为厂商推荐掺量-沥青用量的6%。本文采用的感应加热仪为德国GH-INDUCTION电磁感应加热设备，其功率为7.5kW，电压为650V，频率为123kHz，其感应加热线圈尺寸为150mm×400mm的长方形，厚度为6.7mm，试件加热温度采用FLIR红外摄像仪进行测试。本文采用UniversalTestingMachines(UTM-25)进行四点弯曲疲劳实验，试件尺寸为75380mm×63.5mm×50mm，试验温度15℃，加载频率为10Hz，在控制应变模式下，试验实时采集和显示试件的应变、应力、相位角、耗散能、劲度模量等变化情况。Nf50法为SHRP-A303中推荐的疲劳试验的判断方法。即当第一次四点弯曲疲劳试验结束时，其疲劳寿命记为N1；然后对受损的小梁试件在电磁感应加热不同温度进行愈合修复，室温下间歇3h后，进行第二次疲劳试验，其愈合后疲劳寿命记为N2。疲劳寿命恢复率的定义为HI1=N2/N1，如图2所80示：图2四点弯曲疲劳试验中疲劳寿命恢复率的定义(N2/N1)Fig.2Definationoffatigueliferecoveryduringfourpointbendingfatiguetest本文采用三点弯曲断裂愈合前后强度来表征其自愈合效率，实验温度为5℃，主轴加载85速率为50mm/min，试件尺寸为250mm×35mm×30mm，对小梁试样进行弯曲断裂试验，记录最大应力为F0，将受损试样置于电磁感应加热线圈下进行感应加热愈合，停止加热后静置3h，再次进行三点弯曲断裂试验，记录此时最大应力为F1，断裂强度恢复率的定义为HI2=F1/F0。三点弯曲断裂愈合前后的加载曲线如图3所示。-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn1.2初始强度175℃愈合后的强度0.80.6荷载强度/KN0.40.2000.511.52位移/mm90图3三点弯曲小梁试件愈合前后的加载曲线Fig.3Loadingcurvesbeforeandafterhealinginthreepointbendingtest2结果与讨论2.1温拌沥青混凝土不同感应加热距离的升温速率本文在10mm、20mm、30mm三种感应加热距离（感应线圈与试件表面的距离）下分95别研究温拌沥青混凝土在感应加热下温度的变化，感应加热过程中试件上表面温度变化如图4所示。图4加热过程中温拌沥青混凝土试件上表面温度变化Fig.4Temperaturechangesatthetopsurfacesofthesamplesduringinductionheating-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn100温拌导电沥青混凝土随加热距离变化的上表面温度变化影响如图4，加热时间相同时，感应线圈与试件间的距离越小，试件上表面的温度越高，说明其加热越快。三种不同加热距离情况下，试件表面的平均升温曲线均是线性的，曲线的斜率可看作是试件上表面的加热速率。当加热有效距离为10mm时，温拌导电沥青混凝土小梁试件的上表面升温速率为0.975℃/s；当加热有效距离为20mm时，温拌导电沥青混凝土小梁试件的上表面升温速率为0.660℃105/s；当加热有效距离为30mm时，温拌导电沥青混凝土小梁试件的上表面升温速率为0.422℃/s。加热距离越小，试件周围的磁场强度越强，因而感应加热速率越快，因此当加热距离越小时，小梁的升温速率就越快。2.2温拌沥青混凝土在不同感应加热深度下的温度分布由于电磁感应加热技术本身的特点，试件在电磁感应加热下存在梯度加热，即在试件的110高度方向，温度的分布呈梯度分布。温度存在的梯度变化主要是由于磁场强度沿着试件的高度降低而造成的温度变化。温度加热不均匀导致的温度梯度变化在试件中表现出垂直方向的温度分布，本文采用小梁试件研究温拌沥青混凝土在电磁感应加热不同深度的温度分布，试件尺寸为380mm×63.5mm×50mm，通过红外热摄像仪观察与测量试件在感应加热不同加热距离下垂直方向的温度变化，有效加热距离为10mm、20mm、30mm，分别测试上表面层、115中间层和下表面层的平均温度，分别如图5、图6和图7所示。图5温拌沥青混凝土不同深度的温度变化影响（d=10mm）Fig.5Temperaturechangesatdifferentdepthsofthewarmmixasphaltsamples-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn120图6温拌沥青混凝土不同深度的温度变化影响（d=20mm）Fig.6Temperaturechangesatdifferentdepthsofthewarmmixasphaltsamples125图7温拌沥青混凝土不同深度的温度变化影响（d=30mm）Fig.7Temperaturechangesatdifferentdepthsofthewarmmixasphaltsamples在感应加热过程中，温拌沥青混凝土小梁试件各部分的加热速率是不同的，加热温度也沿着试件的深度存在一定的温度梯度，试件在竖直方向的温度梯度尤其显著。试件厚度为50mm，从图5可以看出，试件的温度从上向下逐渐降低。感应加热线圈与试件上表面有效130距离为10mm时，试件上表面的温度为90℃，而下表面温度只有40℃左右，上下表面的温度梯度为50℃，说明该试件沿深度方向的温度梯度为1℃/mm；从图6可以看出，感应加热线圈与试件上表面距离为20mm时，试件上表面的温度为90℃，而下表面温度为38℃左右，上下表面的温度梯度为52℃，说明该试件沿深度方向的温度梯度为1.04℃/mm；从图7可-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn以看出，感应加热线圈与试件上表面距离为30mm时，试件上表面的温度为85℃，而下表135面温度只有36℃左右，上下表面的温度梯度为49℃，说明该试件沿深度方向的温度梯度为0.98℃/mm。说明试件沿深度方向加热温度梯度的变化不会随着加热距离的变化，只与试件本身加热深度有关。表1加热距离对温拌沥青混凝土不同深度加热速率的影响Tab.1Effectsofheatingdistancesontheheatingspeedatdifferentdepthsofwarmmixasphaltconcrete平均升温速率（℃/s)加热距离（mm）上表面层中间层下表面层100.9750.4470.207200.6600.2790.134300.4220.2240.110140加热温度影响着沥青的愈合效率，试件不同深度的升温速率有着很大的差异，试件厚度为50mm，由表1可知，当感应加热线圈与试件上表面距离为10mm时，试件上表面平均升温速率为0.975℃/s，而下表面平均升温速率为0.207℃/s；当感应加热线圈与试件上表面距离为20mm时，试件上表面平均升温速率为0.66℃/s，而下表面平均升温速率为0.134℃/s；当感应加热线圈与试件上表面距离为30mm时，试件上表面平均升温速率为0.422℃/s，而145下表面平均升温速率为0.11℃/s。图8加热距离对温拌沥青混凝土不同深度的升温速率的影响Fig.8Effectsofheatingdistancesontheheatingspeedatdifferentdepthsofwarmmixasphaltconcrete由图8可知，随着有效加热距离的增大，上表面平均升温速率越来越接近下表面平均升-7- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn150温速率，说明环境等因素使得电磁感应加热升温效率降低，因此，当沥青混凝土试件产生裂缝的位置在电磁感应加热下表现出不同的愈合程度，若裂缝发生在沥青混凝土上表面时，可以直接进行电磁感应加热修复，此裂缝处的升温速率较快；若裂缝发生在沥青混凝土的底部时，在相同的感应加热条件下，底部的温度将低于上表面的温度，进而影响沥青的愈合程度。所以，感应加热需要考虑试件在破坏时产生的裂缝位置、深度和长度等多因素，这些因素对155沥青混凝土试件采用何种加热愈合方式以及愈合温度等有着重要的影响。2.3温拌沥青混凝土疲劳寿命愈合性能沥青是一种温度敏感性材料，随着温度的升高，沥青的粘度降低，流动性增强能够较好地填补微裂缝，使得混凝土的劲度模量和疲劳寿命都得到一定的恢复。现研究在不同愈合温度下沥青混凝土的疲劳性能恢复的变化，将疲劳试验小梁在不同的愈合环境下修复,疲劳实160验微应变都定为600με，电磁感应加热距离为30mm，温拌沥青混凝土小梁试件的加热速率为0.42℃/s，电磁感应加热主要是用于修复沥青路面的表面裂纹、防止掉粒，试件的表面温度尤为重要，因此感应加热试验中仅关注试件上表面的温度。小梁试件愈合的温度有45℃、55℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃等，而从常温加热至95℃只需150s左右，实验结果如图9。75165图9温拌沥青混凝土在电磁感应不同加热温度下疲劳寿命恢复率Fig.9Fatigueliferecoveryratiosofwarmmixasphaltatdifferentheatingtemperatures由图9可知，温拌沥青混凝土的最佳自愈合温度为75℃，此时对应的最大愈合效率为[4]56.09%，而相应的热拌沥青混凝土最佳愈合温度为87℃，对应的最大愈合效率为56.13%，170温拌沥青混凝土的最佳自愈合温度降低了约12℃，而两者的疲劳寿命恢复效果相差不大，说明温拌剂能降低沥青混凝土的最佳自愈合温度，同时具有很高的疲劳恢复率。但是当温度超过沥青混凝土的最佳愈合温度时，其寿命恢复效率会下降，可能是由于沥青混合料在疲劳-8- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn过程中形成了细密的裂缝，适当的温度提高了沥青的流动性，有助于填补疲劳产生的间隙，增强其疲劳性能，但并非越高越好，当温度升高到一定程度时，沥青的膨胀作用和温拌剂的175发泡效果会变得明显，使沥青混凝土内部孔隙率增大，反而会降低其疲劳寿命的恢复率。2.4温拌沥青混凝土断裂强度愈合性能现研究在不同愈合温度下沥青混凝土的断裂强度恢复的变化，将不同的弯曲断裂试验小梁在不同的愈合环境下修复，电磁感应加热距离为10mm，试验温度为5℃，此时温拌沥青混凝土小梁试件加热速率为0.98℃/s，小梁试件愈合的温度有40℃、50℃、55℃、60℃、65℃、18070℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃等，而从常温加热至95℃只需80s左右，温拌沥青混凝土在不同感应加热温度下断裂强度恢复率如图10所示。75图10温拌沥青混凝土在电磁感应不同加热温度下断裂强度恢复率Fig.10Strengthrecoveryratiosofwarmmixasphaltatdifferentheatingtemperatures185由图10可知，无感应加热或感应加热温度为25℃时，小梁试件不能实现断裂强度的自愈合。随着电磁感应加热温度从45℃升高至75℃，温拌沥青混凝土小梁试件的愈合率也从23.11%升高到65.54%，继续升温后其愈合效率反而下降，说明温拌沥青混凝土最佳自愈合温度为75℃，此时对应的最大愈合效率为65.54%，说明温拌剂的加入明显降低了沥青混凝土的最佳愈合温度，同样电磁感应加热对其宏观裂纹和结构有较良好修复效果，但是温拌剂190降低了其最佳强度恢复率。而加热愈合温度并非越高越好，当温度超过小梁试件的最佳愈合温度时，其断裂强度恢复效率会下降，因为试件会产生膨胀破坏和沥青渗漏以及温拌剂的发泡效果，使混凝土裂缝处的碎粒会有不同程度的变形，内部孔隙率增大，反而会降低其断裂强度的恢复。3结论195本文研究了温拌沥青混合料感应加热作用下的自愈合性能，主要结论如下：-9- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn（1）感应加热距离越小，沥青混凝土的升温速率越快。随着加热距离的增大，下表面平均升温速率越来越接近上表面平均升温速率。（2）感应加热存在明显的梯度效应，沥青混凝土试件沿深度方向加热温度梯度的变化不会随着加热距离的变化，只与试件本身加热深度有关温度梯度的变化只与试件本身加热深200度有关。（3）温拌沥青混凝土在常温条件下不具备断裂强度的愈合能力，所研究的温拌沥青混凝土的最佳加热温度为75℃，感应加热可以使温拌沥青混合料的疲劳寿命延长55%以上、强度恢复率达到65%，说明可利用感应加热修复温拌沥青混凝土。205[参考文献](References)[1]《公路水路交通十二五科技发展规划》，交通运输部，2011.[2]《交通运输"十二五"公路养护管理发展纲要》，交通运输部，2011.[3]《交通运输"十三五"公路养护管理发展纲要》，交通运输部，2016.[4]LiuQ.Inductionhealingofporousasphaltconcrete[D].TheNetherlands:DelftUniversityofTechnology,2102012.[5]LiuQ,SchlangenE,vandeVenM.Evaluationoftheinductionhealingeffectofporousasphaltconcretethroughfour-pointbendingfatiguetest[J].ConstructionandBuildingMaterials,2012,29:403-409.[6]LiuQ,WuS,SchlangenE.Inductionhealingofasphaltmasticforcrackcontrol[J].ConstructionandBuildingMaterials,2013,41:345-351.215[7]GarciaA,NorambuenaContrerasJ,PartlM.Experimentalevaluationofdenseasphaltconcretepropertiesforinductionheatingpurposes[J].ConstructionandBuildingMaterials,2013,46:48-54.[8]MenozziA,GarciaA,PartlM,TebaldiG,SchuetzP.Inductionhealingoffatiguedamageinasphalttestsamples[J].ConstructionandBuildingMaterials,2015,74:162-168.[9]DaiQ,WangZ,MohdR.Investigationofinductionhealingeffectsonelectricallyconductiveasphaltmastic220andasphaltconcretebeamsthroughfracturehealingtests[J].ConstructionandBuildingMaterials,2013,49:729-737.[10]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(1)-自愈合行为机理与表征方法[J].石油沥青，2011，25（5）：7-11.[11]徐辰，何兆益，吴文军，胡一周，林飞菲.沥青自愈合性能在不同影响因素下的评价[J].中外公路，2252014，34（2）：274-278.[12]何亮，赵龙，凌天清，马育，刘全涛.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.-10-'