朱洪洲， 袁 海， 魏 巧， 劉玉峰， 范世平

(1.交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實驗室，重慶 400074；2.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074；3.中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴陽 550081)

在長期使用過程中，瀝青路面受溫度變化、日照及行車荷載交互作用，其力學性能不斷衰減，道路表面出現(xiàn)車轍、開裂、唧泥等各種病害。裂縫是瀝青路面的主要病害類型之一，其存在對路面的結(jié)構(gòu)性和功能性均會產(chǎn)生不利影響。研究表明[1-2]，當瀝青混凝土出現(xiàn)裂縫時，給予其一定的溫度和荷載間歇時間，由瀝青的流動能夠引起微裂紋的閉合，瀝青材料表現(xiàn)出自愈合特性。

瀝青材料雖具有自愈合特性，但其自愈合行為發(fā)展得過于緩慢，僅靠瀝青材料在自然環(huán)境中的自我愈合難以達到路面裂縫修復的目的。因此，可通過一些方式來加速激發(fā)瀝青材料的自愈合特性，包括物質(zhì)補充(微膠囊愈合[3-5])和誘導加熱(感應加熱[6-8]、微波加熱[9-11])。

科研成果證實，對開裂的瀝青混合料試件進行誘導加熱可促進其自愈合。Fan等[12]通過半圓彎曲試驗評價了AC-13型瀝青混合料的低溫斷裂性能及自愈合性能，其研究結(jié)果表明，在60 ℃環(huán)境中加熱8 h后，斷裂的半圓試件達到最佳的愈合率；Garcia等[13]提出，在瀝青混合料中摻入導電材料后，可通過電磁感應加熱促進瀝青混合料自愈合過程；何亮等[14]對不同類型、不同摻量鋼絲絨的AC-13混合料小梁試件進行電磁感應加熱試驗、疲勞-愈合試驗及路用性能試驗，其結(jié)果表明，電磁感應加熱是對混合料中的瀝青進行加熱，鋼絲絨越長、摻量越高，試件加熱速率越高，該試驗中涉及的2#鋼絲絨(3.5 mm)摻量為4%的混合料小梁試件在加熱到75 ℃時兼具理想的愈合率與路用性能；Bosisio等[15]通過在加拿大蒙特利爾市的現(xiàn)場應用，首次證實了微波加熱可以用于修補瀝青路面裂縫，其現(xiàn)場應用結(jié)果表明，頻率2.45 GHz的微波作用于瀝青路面時，其有效滲透深度達到12 cm，加熱過程中不會出現(xiàn)路表過熱的情況；Gallego等[16]提出，通過微波對瀝青混合料裂縫進行加熱愈合是可行的，摻入少量導熱纖維(0.2%)能夠顯著加速其愈合過程；Norambuena-Contreras等[17-18]分析了微波和感應加熱對密實型瀝青混合料自愈合行為的影響，提出微波能夠更有效地促進瀝青混合料裂縫自愈合，微波加熱時間對自愈合行為的影響最為顯著；此外，還有一些學者采用一些微波吸收能力較好的材料如鋼渣[19]、鐵氧體粉末[20]等代替粗集料或礦粉來提高瀝青混合料的微波吸收能力和自愈合能力。

開裂瀝青路面在自然環(huán)境中的自我修復過程十分緩慢且愈合效果很差；電磁感應加熱技術(shù)的實施需要在瀝青混合料中摻加導電材料，且對路面裂縫的愈合效率不如微波加熱?；谝陨险J識，利用微波加熱方式，采用半圓彎曲(semi-circular bending, SCB)試驗對2種不同瀝青制備的AC-13型瀝青混合料試件進行斷裂-愈合-斷裂試驗，研究瀝青混合料微波加熱行為，分析不同損傷程度、微波強度和加熱時間條件下的瀝青混合料愈合行為，為瀝青路面微波加熱自愈合技術(shù)提供一定參考。

1 試驗概況

1.1 試驗材料及設(shè)備

1.1.1 原材料

試驗采用重交70#基質(zhì)瀝青、殼牌SBS改性瀝青，基本指標如表1所示。集料、礦粉為重慶地區(qū)石灰?guī)r，各項技術(shù)指標符合規(guī)范要求。

1.1.2 試驗設(shè)備

加載設(shè)備采用ETM-204C萬能試驗機，加熱設(shè)備采用美的家用微波爐，額定功率為700 W，微波頻率為2.45 GHz，共4個檔位，對應微波強度為210、350、560、700 W；測溫設(shè)備采用NEC InfRecR300紅外熱成像儀，溫度辨識度為0.05 ℃，精度為±1 ℃，測溫范圍為-40～500 ℃。

1.2 試件制備

選用AC-13密級配瀝青混合料，試驗級配如表2所示。通過馬歇爾試驗確定最佳油石比為4.9%。

表1 瀝青基本指標

注：基質(zhì)瀝青測試15 ℃延度；SBS改性瀝青測試5 ℃延度。

表2 試驗級配

半圓試件由旋轉(zhuǎn)壓實試件(直徑100 mm，高130 mm)切割而成。為降低密度不均帶來的影響，切除旋轉(zhuǎn)壓實試件兩端各15 mm瀝青混合料，然后對圓柱體試件沿側(cè)面進行十字切割，得到4個直徑100 mm，高50 mm的半圓試件，為在試驗中模擬實際路面損傷程度，沿半圓試件底面垂直直徑方向中線切割5、7、10 mm等深度的預留縫。

1.3 試驗方案

①試驗溫度為0 ℃，以10 mm/min的加載速率進行加載至試件完全斷裂，記錄峰值壓力F1；②為確保斷裂面閉合，使用3根橡皮筋(彈性模量約0.078 4 MPa)固定斷裂試件，模擬施加圍壓對斷裂面的影響，每根橡皮筋的徑向拉力約10 N；③將拼接好的斷裂試件置于微波爐中進行加熱愈合；④利用紅外熱成像儀拍攝加熱后試件表面熱像圖，選取試件表面中線上的中點、中點兩端2 cm處的a～c等3個點以及a～c左右兩邊2 cm處的d～i等6個點，以這9個點作為觀測點，記錄溫度，將溫度平均值記為試件表面溫度；⑤對愈合后的試件進行二次加載，記錄峰值壓力F2。試件制作及加載過程如圖1[21]，試件熱像圖如圖2所示。

1.4 自愈合評價指標

以同一半圓試件愈合前后兩次加載測得的抗拉強度比作為愈合指數(shù)(H)，理論上H的值小于1.0，當愈合指數(shù)達到1.0時，說明半圓試件的強度完全恢復。

(1)

式(1)中：σ1、σ2分別為愈合前后的抗拉強度，Pa；F1、F2分別為愈合前后加載過程中的峰值荷載，N。

圖1 半圓試件制作及加載過程[21]Fig.1 Semi-circular specimen production and loading process[21]

圖2 半圓試件熱像圖Fig.2 Infrared thermogram of semi-circular specimen

1.5 正交試驗設(shè)計

半圓試件斷裂-愈合試驗影響因素及水平如表3所示。

表3 正交試驗因素及水平

2 試驗結(jié)果

2.1 微波加熱規(guī)律

在觀察斷裂試件經(jīng)微波加熱愈合后的紅外熱成像圖片時發(fā)現(xiàn)，兩種瀝青混合料試件表面溫度均分布不均，且無明顯規(guī)律。為分析這一現(xiàn)象，在室溫條件(20 ℃)下，將70#基質(zhì)瀝青按設(shè)計級配的集料分別裝入瓷盤中在相同的微波條件下進行加熱，并選取5個觀測點，記錄溫度，觀測結(jié)果如圖3所示。

圖3 材料表面溫度Fig.3 Surface temperature of materials

由圖3看出，瀝青升溫效果不佳，觀測點溫度范圍在33.3～37.0 ℃，溫度分布均勻，集料升溫效果顯著，觀測點溫度范圍在62.0～79.8 ℃，溫度分布不均。SBS改性瀝青加熱情況與70#基質(zhì)瀝青類似。

由電磁場理論可知，電介質(zhì)經(jīng)微波作用產(chǎn)生瞬時極化并以一定速度作高頻擺動，粒子間的相互摩擦碰撞，實現(xiàn)分子水平的“攪拌”，此時電磁場能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)熱動能，從而加熱電介質(zhì)[22]。加熱過程中的場能損耗計算式為

P=0.556fE2ε′rtanδ×10-12

(2)

式(2)中：P為材料吸收微波功率，W/cm；f為微波工作頻率；E為電場強度；ε′r為介質(zhì)相對介電常數(shù)；tanδ為損耗因子。

當微波工作頻率相同時，微波功率損耗主要與介質(zhì)材料的介電常數(shù)和損耗因子有關(guān)。微波能量消耗具有選擇性，主要被吸收能力強的物質(zhì)吸收[23]。瀝青是一種典型的絕緣材料，其介電常數(shù)和損耗因子很小，不能有效吸收微波能量，而礦質(zhì)集料的介電常數(shù)和損耗因子遠大于瀝青。因此，微波加熱瀝青混合料的過程主要是由礦質(zhì)集料吸收微波能量。此外，由于微波能量消耗的選擇性和瀝青混合料的不均勻性，經(jīng)微波加熱，試件表面溫度分布不均。

2.2 瀝青混合料斷裂-愈合性能分析

試驗采用三因素三水平正交試驗表，各因素水平如表3所示。相同試驗條件下進行4次平行試驗，去除誤差值最大的1組數(shù)據(jù)，以剩余3組數(shù)據(jù)的平均值作為該試驗條件下的愈合指數(shù)H，采用極差分析法對結(jié)果進行分析。

由圖4可知：①兩種瀝青混合料在同一因素水平下的愈合指數(shù)H大致相似，證實了微波主要作用于集料顆粒，通過加熱集料和傳熱來實現(xiàn)對瀝青混合料的加熱，改變?yōu)r青種類對瀝青混合料微波自愈合行為無明顯影響；②隨試件預切縫深度增加，兩種瀝青混合料的愈合指數(shù)H均逐漸降低，但降幅較小，由于斷裂試件均采用橡皮筋進行捆綁，其斷裂面閉合情況良好，加之微波屬于一種高效加熱方式，微波爐中的微波輻射深度大于試驗中設(shè)計的試件尺寸，因此損傷程度對斷裂試件的愈合性能雖有影響，但影響程度不大；③隨微波強度、加熱時間的增長，試件在微波場中持續(xù)升溫，因此兩種瀝青混合料的愈合指數(shù)H均呈不同程度的增大趨勢。

圖4 不同因素下的愈合指數(shù)Fig.4 Healing index under different factors

表4 基質(zhì)瀝青混合料試驗結(jié)果分析

表5 SBS改性瀝青混合料試驗結(jié)果分析

根據(jù)表4、表5中的極差值R得到不同因素對瀝青混合料損傷愈合行為的影響程度，如圖5所示。

由圖5可知，對兩種瀝青混合料自愈合行為影響最大的是微波強度，其次是加熱時間，損傷程度對瀝青混合料自愈合行為影響不顯著。

圖5 極差分析Fig.5 Range analysis

溫度是影響瀝青混合料自愈合行為的關(guān)鍵因素之一，斷裂試件在高微波強度下經(jīng)較短時間加熱后，即可達到較高溫度，在加熱過程和停止加熱后溫度降低至室溫的過程中，裂縫表面由于瀝青的流動潤濕和分子擴散，表面閉合和強度恢復的過程在持續(xù)進行，因此微波強度是影響瀝青混合料微波自愈合的關(guān)鍵因素。試驗中發(fā)現(xiàn)，低微波強度如350 W下，斷裂試件即使經(jīng)較長時間加熱，也難以達到高溫度，且長時間加熱可能會導致瀝青老化，流動性變差，影響瀝青混合料的自愈合性能。因此，加熱時間對瀝青混合料自愈合行為的影響不如微波強度顯著。試驗中，由于試驗條件設(shè)置的原因，損傷程度對瀝青混合料自愈合行為的影響程度較弱，結(jié)合實際工程應用，微波養(yǎng)護車同樣能夠?qū)r青路面15 cm深度范圍實現(xiàn)均勻加熱，可見損傷程度不是影響微波愈合的主要因素。

3 結(jié)論

(1)發(fā)生宏觀斷裂的瀝青混合料可通過微波加熱實現(xiàn)愈合。微波加熱主要作用于礦質(zhì)集料，屬于一種“內(nèi)加熱”方式，改變?yōu)r青種類對混合料微波自愈合行為無明顯影響。

(2)兩種瀝青混合料的微波愈合性能均隨試件損傷程度的增大而逐漸下降，隨微波強度、加熱時間增長而提高。根據(jù)極差分析結(jié)果，微波強度對瀝青混合料微波愈合性能的影響最為顯著，相比微波強度350 W、700 W作用下，兩種瀝青混合料的愈合指數(shù)分別提高了36.00%、46.33%。其次是微波加熱時間，損傷程度對微波愈合性能的影響較弱。