通过对沥青混凝土加热控制裂缝外文翻译资料

 2022-09-14 07:09

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通过对沥青混凝土加热控制裂缝

刘全涛，吴少鹏，Erik Schlangen

武汉理工大学的建筑硅材料国家重点实验室，珞狮路122，武汉430070，中国

代尔夫特理工大学，土木工程与地球科学学院力学实验室， Stevinweg 1, 2628 CN Delft, The Netherlands.

亮点：

通过感应加热的方法来提高沥青自愈合的能力。

在沥青中掺杂钢纤维会提高加热速度。

掺杂钢纤维会提高抗弯强度。

在感应加热过程中裂纹逐渐消失。

通过感应加热沥青混凝土可以恢复裂纹。

摘要：沥青胶浆属于自愈合材料，它本身存在恢复内部裂纹的潜力。在这项研究中，通过感应加热的方法提高沥青胶浆的自愈能力。导电剂添加到沥青胶浆中使其导电性适合感应加热。当微裂纹在沥青胶浆中产生，感应加热可以提高其自愈合沥青胶浆裂缝的能力。本文探讨感应加热速度快，抗弯强度和不同导电添加剂对沥青胶浆愈合率的影响。据观察，沥青胶浆含有钢纤维使其感应加热能更快速。加入钢纤维的沥青胶浆也会增加抗弯强度。最后，有裂缝的沥青胶浆加入钢棉、钢纤维可以重新增强他们的弯曲强度，以感应加热的样品为依据。感应加热过程中观察到裂缝的消失。基于这些结果，得出结论，归纳为加热可以用来修复沥青胶浆裂缝。

关键词：感应加热、沥青胶浆、自愈合、控制裂缝

  1. 引言

沥青混凝土可以自主愈合裂缝当在没有外力荷载的时候。沥青混合料是通过愈合内部裂纹恢复其刚度和强度。沥青混凝土的自愈能力的证明与实验室的测试是自世纪60年代开始有进展。 Bazin 和Saunier发现沥青混凝土梁在单轴拉伸载荷下失效后，在25°C时静止一段时间，可以恢复90%的抵抗力。此外，作者观察到的疲劳损坏的混凝土梁样本能重新恢复原有的疲劳寿命的一半当使存在裂缝的样品静置了一天的时间后。Castro 和Little表明，沥青的疲劳寿命可以得到提升当在正常连续加载试验中将混合物引入其中。自愈合沥青混凝土也表现出与此实验相同的特性。Williams等人，用微波先测量路面行人通行前的刚度，紧接着同行24小时后再使路面无荷载的休息24小时。之后测试得到结果完全恢复到之前测试时刚度。因此也有许多研究人员发言说，路面上的裂缝在冬季产生夏季消失。

沥青混凝土的修复机理被许多研究人员证实。 Castro和 Saacute;nchez解释了使用溶胶-凝胶理论的沥青混合料的愈合过程。在高温下，沥青结构中的自愈合是由于内部的溶胶转化为凝胶。如果间歇恢复时间足够，沥青会愈合近乎全部结构。在低温下，沥青由外力载荷导致的损伤只会愈合其部分结构。Phillips提出了沥青裂缝自愈合的３个步骤：（１）在表面能的作用下，裂缝上下表面相接触并润湿；（２）沥青裂缝的闭合导致的应力增强和沥青流动；（３）由沥青结构扩散导致的沥青力学性能的恢复。其中，第１步被认为是速度最快的，但此阶段仅能恢复沥青的模量，第２步和第３步速度相对慢很多，但可以同时恢复沥青的模量和强度。Little和Bhasin提出下面类似的三步模型来描述沥青材料自愈合的过程：（1）对两个表面的微裂纹进行润湿；（2）分子从一个表面扩散到另一个表面；3）随机扩散的分子会恢复材料一定的强度。沥青的润湿性决定其机械性能和粘弹性能等常见的材料性能常数（抗拉强度、内应力和表面自由能）。沥青混合料恢复之后的强度取决于其表面的自由能和强度和分子在裂纹界面的扩散情况。kringos等人，用化学模型来模拟沥青的愈合。沥青结构有一种在机械或环境负荷下产生分离的趋势，以及由此产生的相界面，将产生大量的应力，并容易开裂。通过增加温度或引入机械能，使沥青材料中的分子重新排列达到一种更均匀的状态，这种状态使表面产生了一种单一的相。因此，沥青材料将逐渐愈合微裂纹，这将导致机械强度得到回复。

现在的问题是，在正常环境温度下，沥青路面的自愈合是非常缓慢的，而且在道路上的交通流不能被阻止，来产生足够允许自愈恢复的时间。沥青混凝土的自愈性是相当依赖温度的，尤其是愈合的量增加时，材料在间歇期间的温度也要相应较高。试验温度的增加也会减少总的恢复时间。因此，通过提高沥青混凝土的温度，来提高沥青混凝土的自愈率是可行的，因为在高温期间，沥青混凝土的自愈率会随之提高。

  1. 感应愈合法

通过增加温度提高沥青混凝土的自愈能力，感应愈合的方法（即通过感应加热激活沥青混凝土自愈合的过程）是在代尔夫特理工大学开发的。多孔沥青混凝土中感应愈合的示意图如图1所示。在沥青混合料中加入钢纤维使其导电和适合感应加热。在沥青胶浆中将会产生微裂纹的路面（或胶泥和石头之间）的，通过外部感应加热掺杂了钢纤维的胶浆可以增加局部温度，在高温下多孔沥青混凝土可以自我修复和封闭裂缝（扩散流）。微裂纹的愈合将防止宏观裂纹的形成。因此，最终可以避免或推迟路面裂缝或松散的产生。

根据法拉第电磁感应定律，导体在被放置在一个交变磁场的时候，电流会在导体中产生。电流起源和感应电动势之间的关系可以通过公式来表示。 是电动势（V）；是角频率（rad/s） 是磁场的频率（Hz）；B为磁通量（WB）；是工件材料的磁导率（H m-1）；H是磁场强度（T）和一个由导电纤维环围成的区域面积A（m2）。

感应电动势的大小取决于磁场强度和磁场磁通的变化率。对于此种加热系统，一个恒定的频率和感应设备恒定的电流强度，将产生一个恒定的磁场和一个恒定的电动势。

在实践中，这意味着一个电流被诱导通过光纤时，磁通量影响此电流。当其流经导电纤维时，电流会产生热量，这就是焦耳热。焦耳热引起的加热速率与样品的电阻成反比。当样品电阻较低时，加热速率较大。

焦耳的第一定律如下式所示。

P=Isup2;R

P是单位时间内产生的热量（W）；L是恒流（A）和一个导体的电阻（）。

这条定律适用于任何能以电阻为特征的电路。欧姆定律指出，对于一个具有电阻的电路，电流将是：

用焦耳定律将这个公式将电流转换为一个或两个因素，耗散的功率可以写成下列等价形式：

对于某一感应加热发电机，磁场强度、磁场的频率和加热试样中的感应电动势都是恒定的。因此，加热所产生的热量与电阻成反比。具有导电性外加剂的样品具有较低的电阻，因而可以更迅速地加热。

本研究的目的是探讨感应加热速度和沥青胶浆样品含有不同的导电添加剂的愈合能力以及导电外加剂对沥青胶浆性能的影响。

  1. 材料与方法

3.1、材料

用于制备沥青胶浆的材料包括砂（0–2mm），填料（小于0.063mm），沥青（Pen70 / 100）和不同的导电添加剂（type00钢棉、钢纤维和钢渣）。沥青胶浆样品是根据固定砂比例制备的，填料和沥青2.33:1:0.6，这是荷兰的多孔沥青混凝土沥青胶浆制备的典型配方。不同的导电添加剂制成沥青胶浆碎石混合料，它可以用感应加热的方法。00型钢直径在8.89 和12.7m之间以及长度为3.2mm的。钢纤维直径在29.6M和191.1m之间及长度小于1mm。钢棉、钢纤维具有相近的密度7.6g/cm3，以及相近的电阻率7*10-7cm。第三种导电添加剂是钢渣，是一种废材料，易于掺入沥青混合料。钢渣颗粒的直径范围在2mm和4mm之间。

3.2、样品制备

这部分描述了沥青胶泥梁的制造（见图2）研究加热自愈合实验的过程。为了准备沥青胶泥梁，材料在160℃的温度下在霍巴特搅拌机中高速搅拌直到钢纤维或者钢丝（这不能代表沥青工厂中的沥青生产方式）。混合后，混合物在模具中被压实，这个在图2也有体现。这个沥青胶泥梁的尺寸可以通过模具内压实的混合物得到准确的保证。在零下20摄氏度的冰箱里冷却了30分钟之后，拆开模具获得胶泥梁。胶泥梁由三部分组成，包括普通梁，梁中掺杂了4wt% / 8wt%／10wt%的钢丝，梁中掺杂了4wt% / 8wt%／10wt%的钢纤维和梁中掺杂了10wt% / 20wt% / 30wt%的钢铁渣。除此之外，准备的三个样品中的所有砂和调料都被纯渣代替(颗粒尺寸在 0–4 mm)。此胶泥梁的尺寸在图2展现。在梁中心的三角形缺口（深2mm）由于混合料浓度较低所以损伤总是处于相同的位置。

3.3、感应加热

实验中利用70千赫的频率与容量50千瓦的Huttinger感应发电机对沥青胶浆的自愈合能力进行了研究。这项研究中使用的感应发电机见图3.A320*240像素的全彩色红外显示摄像机（前视红外，A320型）是用来记录和分析感应加热过程中的样品的温度变化的。感应发电机的线圈和胶泥梁之间的距离固定在15毫米。线圈与试样之间距离过大会使加热速度减慢，之间距离过小会干扰红外线分析。加热实验后，可以通过红外相机软件获得样品的加热速率。

3.4、三点弯曲试验

探讨导电添加剂的加入对沥青胶浆机械性能的影响，对胶泥梁进行三点弯曲试验。图4中展示的是三点弯曲试验的试验装置，试验环境温度保持在零下20℃来避免试样的变形和便于实现试样的脆性断裂。在三点弯曲试验中，连续测量了试样的施加载荷和位移，将试样的位移转化为弯曲强度，采用了以下公式：

其中P为载荷（KN），L，D和B是试样的外负荷点之间的有效长度、宽度和厚度，分别为（L = 105mm；D = 25 mm，B = 13mm）。

检测感应愈和方法对断裂胶泥梁的影响的步骤包括用感应加热对胶泥梁加热到85℃（推荐的加热温度），冷却梁后最终在三点弯曲试验中梁又发生断裂。在实际应用中，应在沥青混凝土发生完全损伤前应用感应加热法。然而，这项研究中的目的是感应加热用来完全愈合损坏的样品，目的很简单（在这种情况下，控制的损害程度是没有必要的）。图5表示了在三点弯曲试验前后得到的典型载荷-位移曲线。感应加热诱导的断裂试样的弯曲强度可以使用一个愈合指标来表示。

  1. 结果与讨论

4.1、掺杂导电外加剂的胶泥梁的感应加热速度

样品不同的厚度会致使感应加热速度不同不均匀，由于从上到下的磁场强度降低，样品在顶部表面的加热速率远远大于在试样底面的加热速率。这种不均匀的加热方式正是我们要愈合多孔路面表面的裂缝，而不会影响下部的石材结构的关键。因此，本实验的重点是研究试样顶部表面的加热速率。如图6给中，展现出一个典型的感应加热的图像以及在样品上表面的温度分布。大部分（94.1%）的样品的上表面在50.7℃和62.7℃之间，平均的温度是54.9℃。图7显示的内容是样品表面升高的平均温度，在感应加热过程中。可以观察到样品顶部表面线性增加的平均温度。因此样品的感应加热速度（在顶面）可以定义为样品表面平均增高的温度与加热时间的比值。

样品在加热前后的顶部表面的平均温度，加热时间和加热速度的计算在表8和图1中有所显示。普通沥青胶浆无导电添加剂则不能采用感应加热的方法进行加热。所有掺杂了三类导电外加剂的试样都可以通过感应发电机进行加热，但存在不同的升温速率。掺杂了钢丝和钢纤维的样品可以用感应加热法快速加热。在样品中掺杂同数量的钢纤维或相同数量的钢丝表现出相同的感应加热速率。在胶泥样品中增加钢棉纤维或钢丝的量会致使更大的感应加热速率。这一结果是合理的，因为随着导电元件的增加，应有更多的加热单元，因此会在相同的时间内产生更多的热。另外，钢纤维和钢纤维的数量和感应加热速度之间有一个线性关系，掺杂了10wt%的钢丝或钢纤维的样品表现出的感应加热率是1.27℃/s，此种沥青胶浆可以在1分钟内从室温被加热到85℃，而提高钢渣量不会增大加热速率，含30wt%的钢丝或纯钢渣的样品的加热速度仍然很低。这一结果表明，掺杂钢渣不能提供一个合适的解决方案来用于感应加热，因为在实践中，如果路面是由钢渣掺杂在其中，则会利用太多的时间来加热和维修的路面。另外值得一提的是，钢渣和钢纤维都不能均匀地分散在沥青混凝土中，这会导致不均匀的加热。

为了测试在感应加热过程中的沥青老化的能力，利用红外光谱(FTIR)测量了新鲜期和加热后的粘合剂。为了进行测试，样品被感应加热到了100℃.然后，为加热沥青样品和加热沥青样品从 Heijmans-Breijn（荷兰）沥青工厂的沥青制造设备中提取。最后，队提取的沥青分别进行了红外测量。不加热和加热沥青试样的红外吸收光谱如图9所示。具体来说，两组试样测试图样的峰高和峰面积，C=O和S=O，如果氧化老化发生其数值会增加。在图9中可以观察到，沥青的吸收光谱加热后不改变，这表明在感应加热的过程中不存在老化问题。

此外，Alvaro Garcia利用凝胶渗透色谱法（GPC）测试了未加热和加热的沥青试样（加热到110℃）的分子量。在感应加热前后，他没有观察到沥青的分子量有什么变化。这一结果表明样品加热到110℃不会引起粘合剂额外的老化。

基于FTIR和GPC结果，可以得出结论，在感应加热中没有老化的问题。造成这种结果的一个原因可能是，由于有新鲜的胶泥样品无裂纹所以只有有限的氧气与加热沥青胶泥梁直接接触。然而，这个结果的主要原因可能是，加热时间是非常短的。因此，它被认为，在实际应用中感应加热不会导致沥青额外的老化。

4.2、沥青胶泥梁中掺杂导电添加剂对其抗弯强度的影响

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