摻鋼纖維乳化瀝青稀漿封層的感應(yīng)加熱自愈合研究

李 濤，龔 逸

(武漢新區(qū)建設(shè)開發(fā)投資有限公司，武漢 430050)

隨著我國瀝青路面的迅速發(fā)展和交通量的急劇增加，瀝青路面面臨較大的養(yǎng)護(hù)壓力，因此尋找合適的養(yǎng)護(hù)方法勢在必行。對于瀝青路面的養(yǎng)護(hù)，常見的方法主要有稀漿封層、功能性養(yǎng)護(hù)材料封層、微表處、裂縫填封、薄層罩面、自愈合以及結(jié)合各種養(yǎng)護(hù)方法的綜合性養(yǎng)護(hù)方法等[1,2]。已有研究學(xué)者對乳化瀝青混合料稀漿封層展開研究，發(fā)現(xiàn)乳化瀝青混合料稀漿封層具有良好的流動性及與集料的粘結(jié)力、簡便的施工工藝、較低的施工成本等優(yōu)點(diǎn)，是用于瀝青路面修復(fù)的良好方法[3,4]。

瀝青混合料具有自愈性，配合以合適的養(yǎng)護(hù)方法可對其進(jìn)行自愈合修復(fù)。目前常用的自愈合方法有加熱輔助方法和藥劑輔助方法。其中加熱輔助方法主要通過對瀝青混合料進(jìn)行加熱，促使瀝青流動、黏合以修復(fù)混合料內(nèi)部裂縫；而藥劑輔助方法則主要通過瀝青混合料產(chǎn)生裂縫時破壞含藥劑的微膠囊，并釋放再生劑，以對混合料內(nèi)部裂縫進(jìn)行修補(bǔ)[5]，但與加熱輔助愈合相比，其方法難以反復(fù)應(yīng)用，且成本較高。近年來，多采用電磁感應(yīng)加熱方法，對瀝青混合料進(jìn)行加熱輔助愈合，并已取得一定成果。2009年，Garcia和Erik Schlangen首先提出可以通過電磁感應(yīng)加熱的方法，對瀝青混合料進(jìn)行愈合修復(fù)[6]。此后Liu[7]的研究表明，可以采用電磁感應(yīng)加熱的方法，對摻入鋼纖維的瀝青混合料進(jìn)行愈合修復(fù)。2015年，Garcia[8]發(fā)現(xiàn)當(dāng)瀝青混凝土的溫度高于某個閾值時，瀝青能對其內(nèi)部裂紋進(jìn)行自愈合修復(fù)。2017年，孫藝涵[9]對瀝青混凝土的自愈合行為進(jìn)行研究，指出應(yīng)及時采用電磁感應(yīng)及微波加熱的方法，對瀝青路面進(jìn)行愈合修復(fù)，以緩解瀝青路面長期服役對愈合效果的消極作用。

從稀漿封層與電磁感應(yīng)加熱各自的優(yōu)點(diǎn)出發(fā)，分別展開鋼纖維摻量與加熱距離的優(yōu)化試驗、模擬路面自愈合效果試驗、舊瀝青路面愈合試驗和瀝青路面芯樣自愈合效果試驗，對摻鋼纖維乳化瀝青稀漿封層電磁感應(yīng)自愈合的效果進(jìn)行研究，以進(jìn)一步拓展瀝青路面的養(yǎng)護(hù)方法。

1 實 驗

1.1 原材料

鋼纖維：選用上海奧迪卡依禾金屬材料有限公司生產(chǎn)的鋼纖維，其當(dāng)量直徑為70～130 μm，平均長度為4.2 mm。乳化瀝青：選用BCR拌合型改性乳化瀝青，其基本性能見表1。礦料：選用玄武巖，其基本性能見表2。填料：選用PO42.5水泥，其物理性能見表3。

表1 BCR乳化瀝青的基本性能

表2 玄武巖細(xì)集料性能指標(biāo)

表3 水泥物理性能

1.2 稀漿封層礦料級配及制備

選用ES-1作為稀漿封層的級配類型，其礦料級配曲線圖見圖1。

將集料與鋼纖維先混合用金屬匙攪拌1 min，促使鋼纖維分散均勻，然后加水拌和均勻[10]。經(jīng)實驗，確定乳化瀝青稀漿封層混合料的拌合配比為集料∶填料∶乳化瀝青∶水=100∶2∶17.2∶6，油石比為12%，用量為4.5 kg/m2，平均厚度為2.5 mm左右。

1.3 瀝青路面芯樣的采集

對甘肅地區(qū)4條不同服役年限的瀝青路面采集芯樣，其瀝青路面芯樣取樣方法依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》(JTG E60—2008)中T0901—2008的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行取樣[11]。為了便于區(qū)分芯樣以及實驗過程中數(shù)據(jù)的處理與分析，對所有試件進(jìn)行了編號處理，其編號如表4所示。

表4 高速路面芯樣編號

1.4 試驗方法

1)對鋼纖維摻量與電磁感應(yīng)加熱的距離進(jìn)行優(yōu)選：采用玄武巖AC-13作為車轍板試件級配類型，制備試件以模擬路面。再使用切割機(jī)制備130 mm×50 mm×50 mm的試件，在試件表面進(jìn)行稀漿封層，然后進(jìn)行電磁感應(yīng)加熱實驗，以優(yōu)選稀漿封層的鋼纖維摻量及加熱距離。

2)模擬路面自愈合效果試驗：實驗中先將試件底部開槽，以便控制裂紋產(chǎn)生的位置，然后進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實驗。壓斷試件后進(jìn)行稀漿封層，鋼纖維摻量為瀝青體積的6%。待封層固化后，在5 ℃的環(huán)境中保溫4 h，進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實驗，得到稀漿封層對舊瀝青路面的修復(fù)愈合強(qiáng)度。之后進(jìn)行電磁感應(yīng)加熱實驗，使試件表面平均溫度達(dá)到85 ℃，根據(jù)上文的研究加熱距離選擇5 mm，等待試件溫度降到室溫后，重復(fù)三點(diǎn)彎曲實驗，以電磁感應(yīng)加熱前后強(qiáng)度的比值作為愈合修復(fù)效果的評價指標(biāo)。圖2為實驗的流程圖。

3)舊瀝青路面自愈合效果試驗：對已經(jīng)稀漿封層處理的舊瀝青路面試件，通過對稀漿封層進(jìn)行電磁感應(yīng)加熱，使舊瀝青路面的溫度升高，然后以熱傳導(dǎo)將熱量傳遞至舊瀝青路面層，以對舊瀝青路面進(jìn)行愈合修復(fù)。因此，實驗中采取電磁感應(yīng)加熱至85 ℃(加熱時間約為40 s)，此次加熱結(jié)束后放置100 s，再電磁感應(yīng)加熱10 s，然后進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實驗，并以愈合修復(fù)前后的強(qiáng)度比來評價愈合修復(fù)的效果。

4)瀝青路面芯樣自愈合效果試驗：先對瀝青路面芯樣進(jìn)行間接拉伸強(qiáng)度實驗，并得到結(jié)果。然后再對瀝青路面芯樣覆以稀漿封層，待稀漿封層固化后，在15 ℃的環(huán)境中保溫4 h，然后進(jìn)行間接拉伸實驗。通過其愈合修復(fù)前后的強(qiáng)度比值，來評價稀漿封層的修復(fù)效果。對斷裂后的試件進(jìn)行電磁感應(yīng)加熱，愈合溫度為85 ℃，重復(fù)上述間接拉伸實驗，以處理前后的強(qiáng)度比值來評價電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的愈合修復(fù)效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同摻量鋼纖維與加熱距離的優(yōu)選

采用的鋼纖維摻量為3%、6%、9%及12%(瀝青體積比)，主要通過加熱實驗及和易性來確定合適的鋼纖維摻量。加熱實驗是通過稀漿封層上表面的溫升速率、溫度分布來確定鋼纖維的摻量；采用稠度表征混合料的和易性。

表5為不同鋼纖維摻量的拌和實驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，隨著鋼纖維摻量的增大，稀漿封層混合料的稠度越小。且當(dāng)鋼纖維摻量到12%時，其稠度驟減至0.5 cm，即其流動性大幅下降，且拌和時間僅30 s，難以滿足拌和需要。因此，加熱實驗中稀漿封層中鋼纖維的摻加比例為3%、6%、9%。不同摻量鋼纖維加熱實驗升溫速率結(jié)果見圖3，室溫溫度為26.4 ℃。

表5 不同摻量鋼纖維的拌和實驗

圖3為4種不同加熱距離條件下，不同摻量鋼纖維的電磁感應(yīng)加熱升溫曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，對上述4種加熱距離均顯示相同的趨勢，即鋼纖維的摻量越大，在相同加熱時間的稀漿封層溫度也越高。

表6為不同摻量鋼纖維在4種加熱距離情況下的升溫速率。可以發(fā)現(xiàn)鋼纖維摻量為3%時，稀漿封層的升溫速率均較小，在加熱距離為5 mm時僅為0.87 ℃/s，僅相當(dāng)于鋼纖維摻量為6%時、加熱距離為15 mm時和鋼纖維摻量為9%時、加熱距離為30 mm時的升溫速率；鋼纖維摻量為6%或9%時，稀漿封層的升溫速率較大。

表6 不同摻量鋼纖維的升溫速率

由此可見，鋼纖維摻量越多，稀漿封層的升溫速率越快，但并不是鋼纖維的摻量越多越好。圖4為不同摻量鋼纖維5 mm距離電磁感應(yīng)加熱過程中上表面的溫度分布情況。

由圖4可知，鋼纖維摻量越小，稀漿封層表面的溫度分布越均勻，鋼纖維在稀漿封層分散的均勻性越好。其中鋼纖維摻量為3%時，稀漿封層表面的溫度分布最為均勻，但是在經(jīng)70 s的電磁感應(yīng)加熱處理后，其表面平均溫度僅上升到89.8 ℃，升溫速率較小，對實驗的效率有消極影響。而當(dāng)鋼纖維摻量為9%時，在經(jīng)25 s的電磁感應(yīng)加熱處理后其表面平均溫度達(dá)103 ℃，但表面溫度分布有明顯的局部不均勻現(xiàn)象，即鋼纖維分散的均勻性也是最差的。而當(dāng)鋼纖維摻量為6%時，其加熱速率和溫度分布均勻性介于摻量為3%和9%之間，且兼顧二者優(yōu)點(diǎn)。因此，該實驗選用6%的鋼纖維摻量，以兼顧升溫均勻性和升溫速率。

加熱距離主要是指電磁感應(yīng)加熱儀器線圈與試件上表面的距離，文中實驗的距離選取5 mm、10 mm、15 mm、30 mm。圖5為不同加熱距離條件下，稀漿封層的電磁感應(yīng)加熱升溫曲線。由圖5可以看出，在不同鋼纖維摻量下，均有加熱速率隨著加熱距離的增大而減小的趨勢，且發(fā)現(xiàn)隨著鋼纖維摻量的增大，各加熱距離的加熱曲線越分明?？紤]到在自愈合作業(yè)中的加熱效率，該實驗選用的加熱距離為5 mm。

2.2 稀漿封層-電磁感應(yīng)加熱路面復(fù)合修復(fù)技術(shù)的愈合效果

2.2.1 愈合修復(fù)效果研究

表7為瀝青混合料試件初次電磁感應(yīng)加熱愈合的愈合效率結(jié)果。實驗中摻加鋼纖維的稀漿封層在破壞后，通過電磁感應(yīng)設(shè)備加熱使表面平均溫度達(dá)到85 ℃，冷卻后在5 ℃環(huán)境中保溫4 h，進(jìn)行三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度實驗。由表7可知，愈合率均在70%以上，表明稀漿封層有愈合修復(fù)瀝青混合料試件的效果。這是因為稀漿混合料具有良好的流動性，可以流入瀝青混凝土試件表面附近的裂紋及微裂紋中，并通過電磁感應(yīng)加熱鋼纖維，使稀漿混合料及其附近的瀝青混合料更充分地接觸、黏附，待瀝青混合料試件冷卻后便能部分愈合修復(fù)試件。

表7 愈合修復(fù)下瀝青混凝土試件的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度

2.2.2 電磁感應(yīng)加熱對舊瀝青路面的愈合效果研究

采用紅外相機(jī)對電磁感應(yīng)加熱過程中瀝青混凝土試件縱向溫度分布進(jìn)行研究，在首次將瀝青混合料試件的上表面溫度加熱至85 ℃時，試件溫度集中于稀漿封層表面，這是由于稀漿封層中鋼纖維受電磁感應(yīng)影響產(chǎn)生熱量，由于所經(jīng)歷的時間較短，熱量來不及滲透到瀝青試件內(nèi)部所致?？紤]到瀝青溫度過高所致的老化問題，在首次加熱結(jié)束后，該實驗將試件放置100 s，以防試件老化。經(jīng)放置的稀漿封層表面的平均溫度從放置前的85 ℃下降至57 ℃，但混凝土內(nèi)部已被傳熱。此后再對試件進(jìn)行電磁感應(yīng)加熱，可以發(fā)現(xiàn)其溫度分布較首次加熱時更為均勻。最后再放置試件100 s，可以發(fā)現(xiàn)其溫度分布更為均勻。

表8為連續(xù)兩次電磁感應(yīng)加熱后進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實驗的結(jié)果。從表8可以發(fā)現(xiàn)，3組試件的愈合率均大于100%，即對覆有稀漿封層的瀝青混合料試件進(jìn)行電磁感應(yīng)加熱，不僅能愈合試件，還能改善舊瀝青路面試件的強(qiáng)度。

表8 電磁感應(yīng)加熱對舊瀝青路面的愈合效果

2.3 復(fù)合修復(fù)技術(shù)在瀝青路面芯樣上的應(yīng)用

稀漿封層-電磁感應(yīng)加熱復(fù)合修復(fù)技術(shù)對瀝青路面的修復(fù)愈合效果還需要在瀝青路面芯樣上進(jìn)行驗證，研究其修復(fù)效果。圖6為養(yǎng)護(hù)前后瀝青路面芯樣情況，可以發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)后的芯樣表面裂紋已大部分消失，說明此處理方法可以修復(fù)芯樣的裂紋。

愈合實驗結(jié)果見表9。實驗結(jié)果表明，芯樣所處瀝青路面的服役年限越短，其初次愈合率越大，這是因為瀝青路面在服役的過程中受外界因素的影響，瀝青逐漸老化，其黏附性也隨著老化的發(fā)展而變差，在愈合處理過程中也難以與稀漿封層充分接觸，使其愈合效果變差。此外還發(fā)現(xiàn)，各芯樣的二次愈合率均大于89%，這說明了該方法能對經(jīng)稀漿封層處理的芯樣進(jìn)行多次電磁感應(yīng)加熱愈合處理，并能取得良好的養(yǎng)護(hù)效果。

表9 瀝青路面芯樣稀漿封層愈合實驗結(jié)果

3 結(jié) 論

a.所優(yōu)選出的稀漿封層混合料中鋼纖維的摻量為6%，以兼顧加熱的均勻性性和效率，并建議采用5 mm的加熱距離以提高自愈合作業(yè)的效率。

b.摻鋼纖維稀漿封層混合料能有效愈合修復(fù)瀝青混合料試件以及瀝青路面芯樣，即能對瀝青路面進(jìn)行自愈合修復(fù)。

c.瀝青路面的服役年限越短，摻鋼纖維稀漿封層的修復(fù)效果越好，建議應(yīng)及時對瀝青路面進(jìn)行自愈合養(yǎng)護(hù)，以充分發(fā)揮摻鋼纖維稀漿封層的養(yǎng)護(hù)價值。