朱洪洲，袁 海，劉玉峰，范世平，丁勇杰

(1.重慶交通大學(xué) 山區(qū)道路結(jié)構(gòu)與材料重慶市重點實驗室，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)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，貴州 貴陽550081)

0 引 言

瀝青混凝土作為常見的筑路材料，廣泛應(yīng)用于高等級路面鋪筑。瀝青路面在實際使用過程中會出現(xiàn)車轍、裂縫、水損壞等各種病害。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)和功能性會產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致路面使用壽命縮短。研究表明[1,2]，當(dāng)瀝青混凝土出現(xiàn)裂縫時，給予一定時間的溫度和荷載間歇，瀝青膠結(jié)料流動能使微裂紋閉合，這一特性可用于瀝青路面裂縫修補，延長路面使用壽命。

鑒于瀝青材料具有自愈合特性，科研人員提出，通過一定方式加速激發(fā)瀝青混合料的自愈合特性，包括物質(zhì)補充(微膠囊愈合[3-6])和誘導(dǎo)加熱(感應(yīng)加熱[7-9]、微波加熱[10,11])。大量研究表明，對開裂的瀝青混合料進行誘導(dǎo)加熱可促進自愈合行為。朱洪洲等[12]采用半圓彎曲試驗，評價了AC-13型瀝青混合料低溫抗裂性能及自愈合性能，發(fā)現(xiàn)在一定環(huán)境溫度、時間等條件下，斷裂的半圓試件能夠發(fā)生愈合，該研究證實了瀝青路面在冬季低溫環(huán)境中產(chǎn)生的宏觀裂縫，在夏季高溫環(huán)境下能發(fā)生一定自愈合；A.GARCIA等[13,14]提出，電磁感應(yīng)加熱可促進瀝青混合料自愈合，為實現(xiàn)該設(shè)想，其在瀝青混合料中添加導(dǎo)電材料，并建立模型評價了添加導(dǎo)電材料瀝青膠漿的愈合性能；J.GALLEGO等[15]提出，在荷載間歇期內(nèi)，通過微波加熱技術(shù)對瀝青混合料裂縫進行加熱愈合是可行的，在瀝青混合料中摻加導(dǎo)熱纖維還可以加速愈合過程；J.NORAMBUENA-CONTRERAS等[16,17]對比分析了微波和感應(yīng)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，加熱時間對微波輻射下瀝青混合料自愈合行為的影響最為顯著，并評價了4種不同鋼纖維摻量的密實型瀝青混合料在不同加熱時間下的斷裂—愈合行為，該試驗中微波功率700 W，微波頻率2 450 MHz條件下，加熱30 s后裂縫閉合，加熱40s后試件強度恢復(fù)率最高。

通過自然環(huán)境升溫，促進開裂路面自修復(fù)需要較長的荷載間歇期，受制于環(huán)境條件愈合效果有限。電磁感應(yīng)加熱技術(shù)，需要在混合料制備過程中摻加導(dǎo)電材料，不適用于我國已服役道路。微波加熱無需摻加導(dǎo)電材料，滲透深度隨波長增大而增大，隨頻率的降低而降低，適當(dāng)控制微波波長和頻率可使微波加熱瀝青路面最大深度達到125 mm，適用于修補瀝青路面上中面層形成的荷載疲勞裂縫[18]。筆者利用微波加熱，采用SCB試驗對密實型SBS改性瀝青混合料進行斷裂—愈合—斷裂試驗，研究微波場中瀝青混合料的升溫規(guī)律，分析不同加熱時間、不同微波強度和外部荷載對瀝青混合料自愈合行為影響，為我國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

瀝青采用殼牌SBS改性瀝青，技術(shù)指標(biāo)見表1。粗、細集料及礦粉均為重慶地區(qū)石灰?guī)r，各項技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 試驗設(shè)備

加載設(shè)備為ETM-204C萬能材料測試系統(tǒng)，微波加熱設(shè)備采用美的EG720FA4-NR型微波爐，額定功率700 W，微波頻率2 450 MHz，有P30、P50、P80、P100共4個檔位，分別對應(yīng)微波強度210、350、560、700 W；溫度測試設(shè)備采用NEC InfRecR300紅外熱成像儀，溫度辨識度0.05 ℃，精度為±1 ℃，測溫范圍為-40～500 ℃。

1.2 試件制備及試驗方案

1.2.1 試件制備

依據(jù)JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》，選用AC-13密級配瀝青混合料的集料級配，如表2。通過馬歇爾試驗確定最佳油石比為4.9%。

表2 試驗級配

試驗所用的半圓試件由旋轉(zhuǎn)壓實試件(直徑100 mm，高130 mm)切割而成。為避免表面密度不均對試驗造成的影響，切除旋轉(zhuǎn)壓實試件兩端各15 mm瀝青混合料，得到頂面、底面平整的直徑100 mm，高100 mm的圓柱體試件。對圓柱體試件沿側(cè)面進行十字形切割，得到4個直徑100 mm，高50 mm的半圓試件，為控制裂縫大致沿試件側(cè)面中線方向擴展，沿半圓試件底面垂直直徑方向中線切割5 mm預(yù)留縫。

1.2.2 試驗方案

具體試驗方案為：① 試驗溫度0 ℃、支點間距80 mm，將試件安放在萬能試驗機上，以10 mm/min的加載速率，對試件進行3點加載試驗，使裂縫從預(yù)留縫處擴展至試件頂端，直至試件完全斷裂，記錄峰值壓力F1；② 拼接斷裂試件，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，經(jīng)計算每根橡皮筋的徑向拉力約10 N；③將拼接好的斷裂試件在室溫20 ℃、干燥環(huán)境中靜置12 h，裝入瓷盤，放置在微波爐中，控制微波強度(210、350、560、700 W)、加熱時間(60、80、100、120 s)，對試件進行加熱愈合；③ 選取試件表面中線上的中點、中點兩端2cm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，記錄經(jīng)微波加熱后試件表面溫度，將溫度平均值記為試件表面溫度；④ 對愈合后的試件進行2次加載，加載條件同第1次加載，記錄峰值壓力F2。試件制作及加載過程見圖1。

1.3 自愈合評價指標(biāo)

以同一半圓試件愈合前后2次加載試驗測得的抗拉強度比值(強度恢復(fù)率)作為愈合指數(shù)(HI)如式(1)。理論上HI的值小于1.0，當(dāng)愈合指數(shù)達到1.0時，說明半圓試件的強度完全恢復(fù)。

(1)

式中：σt1、σt2分別為試件愈合前后的抗拉強度,Pa；F1、F2分別為試件愈合前后加載過程中的峰值壓力,N。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試件加熱規(guī)律

斷裂試件經(jīng)微波加熱愈合后的紅外熱成像如圖2。從圖2可以看出，試件表面溫度分布不均且無明顯規(guī)律。為分析這一現(xiàn)象，在室溫20 ℃條件下，將SBS改性瀝青、按設(shè)計級配的集料分別裝入瓷盤中按一定微波條件(350 W，120 s)進行加熱，并選取5個觀測點，記錄溫度，觀測結(jié)果見圖3。

由圖3可知，微波加熱過程中，SBS改性瀝青升溫效果一般，觀測點溫度范圍在32.8～40.0 ℃之間，溫度分布均勻；集料升溫效果顯著，觀測點溫度范圍在51.9～87.8 ℃之間，溫度分布不均且局部出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。

由電磁場理論可知，電介質(zhì)在微波電磁場作用下，產(chǎn)生瞬時極化并以一定速度做極性變化運動，產(chǎn)生振動、撕裂和粒子間的相互摩擦碰撞并產(chǎn)生大量熱能，此時微波電磁場的場能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)能的熱動能，使介質(zhì)溫度升高，從而加熱電介質(zhì)。加熱過程中的場能損耗計算如式(2)：

P=0.556fε′rtanδ×E2× 10-12

(2)

式中：P為微波功率損耗，W/cm3；f為微波工作頻率，MHz；ε′r為介質(zhì)相對介電常數(shù)；tanδ為損耗因子；E為電場有效值，V/cm。

當(dāng)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)。瀝青混合料是一種復(fù)合材料，在微波場中表現(xiàn)出復(fù)合電介質(zhì)的性質(zhì)。研究表明，礦質(zhì)集料介電常數(shù)和損耗因子遠大于純?yōu)r青[19]。因此，微波加熱瀝青混合料的過程主要是由礦質(zhì)集料粒子吸收微波，升溫并傳遞熱量給瀝青分子，最后達到混合料整體升溫。同時，集料粒徑不同，微波加熱速率也不同，小粒徑集料升溫快，大粒徑集料升溫慢。因此半圓試件成型后，經(jīng)微波加熱，試件表面溫度分布不均。

控制微波強度、加熱時間，對試件進行加熱并記錄試件表面溫度，結(jié)果如表3。

表3 不同微波條件下的試件表面溫度

對測試結(jié)果進行回歸分析，得出試件表面溫度隨微波強度、加熱時間的二元回歸方程，如式(3)：

y=0.036 5x1+0.109 7x2+0.000 6x1x2+20，

R2=0.960 4

(3)

式中：y表示試件表面溫度，℃；“20”表示室溫20℃；x1表示微波強度，W；x2表示加熱時間，s。

由式(3)知，經(jīng)微波加熱后，試件表面溫度隨微波強度、加熱時間變化趨勢類似，均呈線性增長關(guān)系，在允許范圍內(nèi)，微波強度越高、加熱時間越長，試件表面溫度越高。觀察各變量系數(shù)大小關(guān)系可知，相比微波強度，加熱時間對試件表面溫度影響更為顯著。試件表面升溫速率表達如式(4)：

?y/?x2=0.109 7+0.000 6x1

(4)

計算可知，在210，350，560，700 W情況下，試件表面升溫速率分別為0.24、0.32、0.45、0.53 ℃/s。

試驗中注意到，微波強度700 W時，經(jīng)120 s加熱后，試件表面溫度達到103.5 ℃，試件出現(xiàn)輕微松散。當(dāng)試件進行高強度長時間加熱，表面平均溫度達到100 ℃以上時，大量瀝青軟化，試件出現(xiàn)膨脹松散現(xiàn)象，受輕微擾動后會出現(xiàn)較大變形，因此進行室內(nèi)試驗時，建議加熱時間不超過120 s。

2.2 加熱時間對自愈的影響

不同微波強度下，愈合指數(shù)隨加熱時間的變化規(guī)律如圖4。

由圖4可知，斷裂的半圓試件在一定微波環(huán)境中愈合后，愈合指數(shù)HI值最高達到85%。HI值隨加熱時間增長而增大，說明在允許范圍內(nèi)，延長加熱時間可促進瀝青混合料自愈合。不同微波強度下，試件的HI值隨加熱時的變化規(guī)律不完全相同。微波強度210 W時，HI值增長緩慢，經(jīng)60～120 s加熱后從9%增長至21%，愈合效果不明顯。微波強度350 W時，經(jīng)60～80 s，HI值增長緩慢；經(jīng)80～100 s，HI值增長速率明顯提高，加熱100 s后HI值達到約50%，與80 s相比，HI值提高了23%；加熱超過100 s后HI值增長速率降低。微波強度560 W時，加熱60 s后試件已有較好的強度恢復(fù)率，其HI值達到約50%，HI值隨加熱時間的變化規(guī)律與微波強度350 W下的變化規(guī)律大致相同。微波強度700 W時，加熱60 s后試件強度恢復(fù)率達到71%，60～100 s，HI值大致呈線性增長，加熱100 s后HI值達到85%，超過100 s后HI值無明顯變化。

溫度是影響瀝青混合料自愈合行為的關(guān)鍵因素。微波強度210 W時，微波輸出能量低，瀝青混合料升溫效果不明顯，經(jīng)60～120 s加熱后試件表面溫度在35.1～53.1 ℃之間，未達到SBS改性瀝青軟化點，HI值增長緩慢，試件愈合效果不佳。微波強度350 W時，加熱100 s后，試件表面溫度達到 69.7 ℃，達到SBS改性瀝青軟化點溫度，因此具有較好的強度恢復(fù)率。微波強度560 W時，加熱120 s后試件表面溫度達到90.1 ℃，HI值達到83%。微波強度700 W時，經(jīng)60～100 s，試件表面溫度從81.5 ℃升高至95.7 ℃，加熱100 s后HI達到85%。

2.3 微波強度對自愈的影響

不同加熱時間下，愈合指數(shù)隨微波強度的變化規(guī)律如圖5。

由圖5可知，HI值隨微波強度增長而增大。加熱時間60s時，隨微波強度從210 W增長至350 W，HI值增長效果一般，從9%增長至19%。隨微波強度從350 W增長至700 W，HI值大致呈線性增長，相比350 W，微波強度700 W條件下HI值提高了52%。加熱時間為80 s時，HI值隨微波強度變化規(guī)律與加熱60 s時變化規(guī)律大致相同。加熱時間為100 s時，HI值隨微波強度增大而增大，但微波強度超過560 W后，HI值增長速率明顯降低，隨微波強度從350 W增大至560 W，HI值分別提高了28%，隨微波強度從560 W增大至700 W，HI值僅提高了7%。加熱120 s時，HI值隨微波強度的變化規(guī)律與加熱100 s時變化規(guī)律大致相同。由分析結(jié)果可知，不同加熱時間下，斷裂試件愈合存在不同的最佳微波強度，并非微波強度越高，試件強度恢復(fù)率就越高，這同樣與該條件下試件的溫度有關(guān)。

綜合試驗結(jié)果得出，經(jīng)560 W、120 s或700 W、100 s兩個微波條件加熱后，斷裂試件達到最佳愈合效果，HI值分別達到83%、85%，結(jié)合表3可知，在微波場中加熱后達到最佳愈合效果時，試件表面溫度在90～96 ℃。

3 結(jié) 論

1)發(fā)生宏觀斷裂的AC-13型SBS改性瀝青混合料可通過微波加熱實現(xiàn)愈合。微波加熱是一種由內(nèi)向外的加熱方式，集料中極性粒子吸收微波后產(chǎn)生熱量，并傳遞熱量給弱極性的瀝青，但不同粒徑的集料的微波加熱速率不同，試件經(jīng)微波加熱后會產(chǎn)生表面溫度不均的情況。

2)瀝青混合料在微波場中升溫是在微波強度和加熱時間的共同作用下實現(xiàn)的。在允許范圍內(nèi)，溫度隨微波強度增高、加熱時間延長呈線性增長趨勢，相比微波強度，加熱時間對試件表面溫度的影響更為顯著。

3)實際應(yīng)用中，采用微波對開裂路面進行加熱時，若路面溫度過高，會造成瀝青老化、性能衰減等問題，建議通過控制微波強度、加熱時間，使加熱后的路面溫度低于100 ℃。綜合試驗結(jié)果，推薦可用于SBS改性瀝青路面裂縫修補的微波加熱條件為微波強度700 W、加熱時間100 s或微波強度560 W、加熱時間120 s，該條件加熱后路面達到的溫度在90～96 ℃之間，強度恢復(fù)率達到85%。