具有感应加热和微波加热的自愈合沥青混合料的冰雪融化特性外文翻译资料

 2022-07-13 07:07

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具有感应加热和微波加热的自愈合沥青混合料的冰雪融化特性

摘要：本文主要调查研究了自愈合沥青混合料的感应加热和微波加热融化冰雪的性质。通过循环三点弯曲测试测量沥青混合物在冰雪融化过程中的自愈合性能。结果显示，具有适合的加热技术的自愈合沥青混合料的冰雪融化性能很显著。平均融雪速率从小于1g/min提升至10g/min以上，而钢纤维改性沥青混合料和微波加热的钢渣沥青混合料的融雪速率能分别达到53.9g/min和48.5g/min。冰雪中的水在微波加热的雪的融化过程中起到了主要作用。然而，融化的冰雪中的湿气在裂纹表面阻止了沥青混合料的热愈合。建议用另一种加热过程在冰雪融化之后应用于促进裂纹的愈合且阻止道路上融化的雪水结冰。

前言

众所周知，降雪、雨夹雪和冻雨是冬季寒冷地区道路交通的大问题。据报道，25%-30%的交通事故是由寒冷冬季道路表面的冰引起，特别是在桥梁和铁路等部分。因此希望能够有效移除冰雪以保持道路桥梁的正常运作。应用了各种方法解决冰雪融化问题，包括化学法、焦耳加热法、液体循环加热法等。在那些融化方法之中，化学法应用最广泛，截止到2008年末，全球共生产和应用了超过3千万吨化学盐。然而，化学盐的应用有明显的消极影响，比如它发挥作用的温度范围有限。当温度降至-3.9℃以下时，大多数盐（NaCl）不能使冰融化。而且化学盐也会导致混凝土的腐蚀和环境污染。

这种情况下，在道路内加入管道系统来融化冰雪的的液体循环加热法被许多研究者提出并研究。Yasuhiro Hamada提出用于积雪/融化和空调的混合动力系统。据研究发现，地下热利用系统有助于阻止道路表面结冰，而且路面露出率大约为90%。Huajun Wang研究了碎冰、固体冰、人造雪和天然雪在混凝土路面上的动态融化过程。结果显示，利用约40℃的地热水来融化道路上的冰雪是可行的。而且在实际的设计和应用中不必保持过高的流体温度。Mingyu Chen得出结论，升高流体温度是提高融雪系统性能的一种积极途径。他也同意不必保持过高的流体温度。Xiaobing Liu描述了一个加热道路的数字模型和其表面发生的融雪过程。Pan Pan总结了水力沥青路面的能量收集和融雪性能。这清楚地证实了融雪过程强烈依赖管道布置、流体操作参数和材料的热物理特性。Huining Xu为利用低温加热流体的路面融雪系统开发了热质量耦合模型。融化后的过程被强调，因为过去的研究一直忽视了阻止道路上融化后的雪水结冰。然而，由于带有管道系统的水力沥青路面仍要花费数小时融化路面的冰雪，因此冰雪融化效率需要进一步提升。

如今，通过自愈加热技术的自愈治疗作为一种新型的可再生和可持续维修技术，已经成为近年来的热门研究课题。控制冰雪累积的导电沥青早在1968年就被Minsk提出。通过添加石墨制成的导电的沥青混凝土在小型测试区域测试了两个冬季。石墨含量为25%时，实际电阻率为设计值的7-12倍。作者认为，带有电极的导电沥青的成本比其他加热炉面的方法更有竞争力。Tabakovic和Schlangen在他们的文章中提及了Minska的研究工作，并且他们指出，设计沥青路面自愈技术的关键目标是发展一个真正的智能沥青路面系统，能够自我评估和自动响应。然而这种技术在当时仍是一个想法。随着加热技术的发展，许多新类型的加热方法应用在道路上。在快速加热的条件下，沥青混合料的温度开始急剧上升，沥青混合料中的沥青开始流动。可以相信，当一块有裂纹的沥青道路暴露在临界温度以上时，沥青能够流过并填满裂纹，道路同时被愈合。很显然自愈合技术和冰雪融化治疗在道路温度下有相近的联系。由于在一定加热方法下的自愈合沥青混合料在以前的研究中展现出了显著的加热性能，因此提出了采用感应加热和微波加热的自愈沥青混合料的加热和冰雪融化特性并在本文中进行了调查研究。

在本篇文章中测试了采用自愈技术的自愈沥青混合料的冰雪融化性能。文中采用钢纤维改性沥青混合料和钢渣沥青混合料作为自愈沥青混合料。研究涉及了感应加热和微波加热这两种自加热方法，调查了道路上冰和雪的融化性质并分析了能量效率。

采用加热法的自愈沥青混合料的融化机理

引入了感应加热和微波加热作为沥青混合料的自愈合处理。过去的研究表明，感应加热和微波加热都展现了显著的愈合性能。但是当涉及冰雪融化过程时，这两种加热技术的融化机理有一些差异。

感应加热融化机理

感应加热是一个通过电磁感应来加热导电体（通常是金属）的过程。当铁磁材料和导电材料暴露于工作在千赫兹至兆赫兹频率范围内的交变电磁场时，这些材料的感应加热现象基于感应涡流和磁极化效应。它通常用于粘结、硬化或软化金属或其他导电材料。所以很明显，冰和雪都不能用感应加热来加热。

当一交变电流经由一个导电线圈时，便会产生一相同频率的交变磁场。感应加热的定律就是电磁感应和焦耳加热。根据法拉第电磁感应定律，感应电动势可通过公式（1）计算：

（1）

是电动势，单位为伏特，是线圈中的磁通量。

法拉第定律还指出，磁场和这些电流的强度将和通过线圈循环的强度成比例。然而沥青不是导电材料，因此在混合料中加入导电粒子（钢纤维）来建立导电涡流闭环。对于钢纤维改性沥青混合料，感应电动势可用公式（2）表示：

（2）

其中是电动势，是磁场的角频率，是磁感应强度，是导电纤维环封闭区域面积，是磁场频率，是材料的磁导率，是磁场强度。

加热材料的涡流可根据已知的焦耳效应（3）来表示：

（3）

其中是热功率，是材料的电阻，是恒定电流，是置于磁场中的时间。

所以试样中的能量关系可表达为公式（4）：

（4）

根据公式（4）可明显看出，将复合材料加热到特定温度所需的时间随着频率的增加呈二次方下降。另一方面，感应加热的穿透深度可由麦克斯韦方程导出并可表示为公式（5）：

（5）

其中是电阻率，是磁导率，是频率。

很明显频率越高加热深度越低。因此，优化自愈过程中的因素（如等）将是很重要的。然而在融化过程中，由于融化发生在路面，因此更高的频率是优选的。

微波加热的融化机理

微波是各种电磁波，与无线电、可见光和X射线波具有类似的性质。它们与其他波不同的是它们的波长（或换句话说，它们的频率）。 微波的频率范围从100MHz到100GHz。 感应加热的频率从千赫兹到兆赫兹。

微波加热具有加热效率高，温度控制精确，能量吸收选择性好等诸多优点。有效加热的关键在于微波加热是材料在加热过程中的一种直接能量转换。而且，材料吸收微波能量的效率影响温度升高和微波穿透材料，该效率可用材料的介电性质来描述。该领域使用的三个变量是材料的介电常数（），介电损耗因子（）以及材料的损耗因子或损耗角正切（tan）。介电常数（）影响可以以电场形式存储在材料中的能量值。介电损耗因子（）表明该能量可以以热量形式消耗多少。损耗角正切等于/，反映了材料将微波能量转化为热量的能力。

一些研究人员已经指出，沥青在微波频率下的介电性能相当低，因为沥青的粘度阻碍了极性分子的取向。因此，本研究应用钢渣来提高沥青混合料的微波加热效率。

除了感应加热和微波加热频率范围的差异外，两种加热方式下水的加热性能也完全不同。众所周知，水偶极子试图连续地重新定向电磁辐射的振荡电场。 运动的难易程度取决于电子云的粘度和流动性。但在水的特殊情况下，偶极子运动取决于液相内氢键网络的强度和程度。在自由液态水中，这种运动发生在GHz频率（微波），而在更受限的束缚水中，它以MHz频率（短无线电波）发生，冰以kHz频率发生（长无线电波）。

也就是说，冰不会被微波加热加热，而液态水可以被微波快速加热。由于熔化，预计当微波加热一些冰雪融化成水时，融化效率将会极大地提高。

自愈沥青混合料的冰雪融化机理

根据上述加热机理，感应能量和微波能量均可通过冰雪层，直接影响自愈沥青混合料。此外，冰雪层被认为对感应和微波加热没有影响。因此，感应加热和微波加热技术可以快速提高沥青混合料的温度，然后融化路面表面的冰雪层。 在这个过程中应该指出两件重要的事情：

谈到冰融化过程：冰和路面之间的唯一结合是沥青路面顶面和冰的底面之间的界面。当这两个表面的粘接被破坏时，冰块将很容易从道路上移除。换句话说，当冰和路的结合被破坏时，其余部分的冰块很容易被积雪铲扫。 在这种情况下，冰融化的效率将得到极大的改善。在实际应用中，感应/微波加热和扫雪机相结合可以极大地提高融冰效率。

谈到微波加热：冰和雪都不能通过微波加热。但是，水可以有效地吸收微波的能量。在这种情况下，部分冰雪会融化成游离水，这些游离水会在微波加热处理过程中释放热量。换句话说，在微波加热熔化阶段，在冰雪层与路面之间的界面上形成了一种新的加热材料。由于水的加热效率非常高，可以预期微波加热具有良好的融化性能。

材料和实验

本研究中使用的渗透率为68.7（单位：0.1 mm）的基础沥青。中性长石集料和钢渣分别用作粗集料。采用钢纤维（由上海奥特佳金属制品有限公司提供）改性正常中性长石沥青混合料。根据以前的研究，钢纤维的混合比例保持在6.0%（以沥青体积计）。这些原材料的性质显示在表1和2中。

制备了两种AC-13沥青混合料试件，其中包括钢纤维改性中性长石沥青混合料和钢渣沥青混合料。这些AC-13沥青混合料的沥青混合料比保持在5.3%。沥青混合料的聚集比和分级曲线分别列于表3，4和图1，2中。

根据研究人员以前的工作可知，钢纤维在沥青混合料中的分布非常均匀（见图3）。 并且发现钢纤维不会严重影响致密沥青混凝土的机械性能和抗损伤性。

加热性能测试

在这项研究中，微波加热和感应加热应用于融雪和冰。使用具有800W输出功率的微波炉。还应用了频率为123 kHz、功率为7.3 kW的感应加热实验仪器。在感应加热过程中，将样品置于感应加热实验线圈下方15mm的距离。加热30秒并中止10秒定义为一个加热周期。每个样品总共加热120秒。在加热过程中，马歇尔试样上表面中部的温度用光纤温度传感器记录（由FSG SENSING Ltd.，南京提供）。测试中使用的标准马歇尔试样的尺寸为直径101.6mmtimes;高63.5mm。

红外热成像测试

使用红外热像仪（FLUKE Ti400）来显示加热和熔化过程中沥青试样的温度升高趋势。红外摄像机的温度测量范围从-20℃到 1200℃，精度为plusmn;2℃或2％。在下面的测试中通过该红外相机记录熔化测试的瞬间状态。

冰融化测试

在这个测试中，不同厚度的冰被冻结在马歇尔试样表面（见图4），包括5mm，10mm和15mm。标准马歇尔试样的尺寸为直径101.6mmtimes;高度63.5mm。这些样品的温度开始时保持在约-20℃。然后分别用感应加热和微波加热对熔化性能进行测试。每个带有感应加热的样品直接加热120秒。将微波加热的样品加热20秒并交替静置10秒。这是因为微波炉在加热过程中是一个封闭的环境。在微波加热测试过程中需要一些时间来测量和记录测试数据。用红外相机收集温度变化数据。自动融冰测试也在9℃的室温下进行。在该测试中还记录了融化测试之前和之后的冰和沥青样品的重量。

冰块融化测试的终点是在冰块能够通过自身重量与马歇尔标本分离时。这是因为在冰融化过程中不需要融化所有的冰。冰和路面之间唯一的结合是沥青路面的顶面和冰的底面之间的界面。当这两个表面的结合被破坏时，结果将容易将冰从路面上移除。此外，考虑到熔融后的过程和防止路面上的融化冰水冻结，最好将冰以固体形式除去而不是将所有的冰融化成水。

雪融化测试

本次研究还进行了融雪试验。马歇尔试样表面贴有15mm厚的雪（见图5）。 标准马歇尔试样的尺寸为直径101.6mmtimes;高度63.5mm。在这个阶段，用手略微压缩雪。这些样品的温度开始时也保持在约-20℃。然后应用感应加热或微波加热来加热样品。在本试验中，每个样品交替加热20秒并静置10秒。加热间隔时间用于记录融雪过程中的测试数据。自动融雪试验也是在9℃的室温下进行的。 记录熔化试验前后的雪和沥青样品的重量。雪融化测试的终点是在所有积雪变成水的时候。

三点弯曲测试

在这项研究中进行了三点弯曲测试，以测量自愈合沥青混合物在融化期间的愈合性能。在该测试中使用动态机械分析仪（DMA，EPLEXOR 150 N-高端）。准备尺寸为高10mmtimes;宽8mmtimes;长40mm的小矩形沥青混凝土样品。这种矩形样品首先用DMA在-20℃下断裂。之后，将5mm厚的冰附着在压裂的沥青样品的顶部表面。然后将这些含冰的样品加热以融化冰并愈合裂缝。将光纤温度传感器连接到样品的侧面。测量温度并通过计算机记录。按照建议，熔化期间样品的温度保持在80℃左右。加冰的样品总共加热约30分钟。在这个熔化过程之后，矩形沥青混凝土样品再次在-20℃用DMA进行破碎。记录愈合后的最大断裂力。

融化效率分析

众所周知，在沥青混合料的加热和治理处理中，电能首先转化为沥青混合料的热能。然后利用热能为沥青混合料提供必要的能量，从而开始自行修复或熔化。 在这种情况下，如图6所示，首先使用电能（Qelectric）加热沥青样品（Qheat）。然后使用沥青样品的热能（Qheat）来融化冰（Qmelt）并修复裂缝（Qhealing）。然而，沥青混合料的这种加热

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