電磁感應加熱誘導瀝青路面自愈合技術

曾廷玉 孫曉鴻 莊勝意 鄭曉晴 黃競葦 楊朋

（廣州航海學院航務工程系）

電磁感應加熱誘導瀝青路面自愈合技術

曾廷玉 孫曉鴻 莊勝意 鄭曉晴 黃競葦 楊朋

（廣州航海學院航務工程系）

瀝青路面自愈合技術是一項舉世矚目的新技術，目前國內外專家非常重視，筆者闡述了采用熱感應方法實現(xiàn)瀝青路面自修復的相關背景，提出了利用電磁感應實現(xiàn)瀝青路面自修復的裝置示意圖。

瀝青路面；自愈合；電磁感應；加熱誘導

1 前言

科技越來越發(fā)達，交通的快速發(fā)展使世界的距離在縮短，近幾年世界各地的公路建設事業(yè)不斷上新的臺階，從以前的水泥路面到如今具有消音、吸水、防水漂、改善路面可見度的瀝青路面，讓汽車的行駛越來越安全，也越來越舒服。但是有利必有弊，沒有任何的事物是完美的，在不斷的使用中，人們發(fā)現(xiàn)高速公路瀝青路面的破損問題，已經成為公路健康發(fā)展的主要突出矛盾。瀝青路面由于具有表面平整無接縫、行車舒適和噪音小，以及施工便捷、養(yǎng)護時間短和易維護等優(yōu)點，越來越被重視，日益成為國內外高等級公路的主要路面形式，被廣泛用于修建高速公路、機場跑道和橋面鋪裝等路面上[1-2]。但是，瀝青路面在受長期行車荷載、溫度應力以及半剛性基層的反射裂縫等其他因素的作用，會產生裂縫、松散等病害。且現(xiàn)有的瀝青路面養(yǎng)護和修復聚合物材料如防水劑、瀝青再生劑等，會不同程度地影響路面的養(yǎng)護費用和使用性能。所以，利用瀝青本身的自愈合、溫度敏感性等性能，通過電磁感應加熱摻導電材料的瀝青混凝土以提高其裂縫愈合性能是是現(xiàn)階段瀝青路面修復方法中可行且較先進的技術。本研究項目擬設計并開發(fā)一種施工裝置可以利用電磁感應加熱技術，使摻有導電材料的瀝青路面裂縫自愈合以達到簡化瀝青路面養(yǎng)護程序的目的，提高瀝青路面的服務壽命，大幅減少養(yǎng)護費用和時間。另外，本裝置的電磁感應加熱技術相比傳統(tǒng)加熱方法還具有能耗低、加熱速度快、加熱均勻、操作簡單和對環(huán)境友好等優(yōu)勢。本研究開發(fā)的密實型瀝青混凝土電磁感應加熱自修復裝置具有創(chuàng)新性、方便性和實用性等優(yōu)點，具有很大的市場潛力，是新一代路面養(yǎng)護的領先技術。

2 加熱誘導瀝青路面自愈合課題研究背景

為了增加瀝青路面的使用壽命，瀝青公路的養(yǎng)護和維修是不可忽視的，養(yǎng)護工作一般分為：預防性養(yǎng)護和修復性養(yǎng)護。關于瀝青路面的維修包括根據(jù)維修設計進行施工前的準備工作、路面的銑刨、路面基層的施工、封層和黏層施工等幾個重要方面，可見瀝青的路面修復問題十分復雜。對復雜的施工工序和嚴重的瀝青路面養(yǎng)護問題，現(xiàn)在世界范圍也沒有特別完善和先進的瀝青路面修復方案可以完美解決。

現(xiàn)階段國內外學者從瀝青材料本身和瀝青混合料兩方面研究瀝青混凝土路面自愈合的先進技術方法——聚合物材料愈合方法和感應加熱愈合方法。這兩種方法均可以有效地增加瀝青混凝土的愈合率，修復瀝青混凝土路面的裂縫和松散等病害，提高瀝青混凝土路面的整體性和使用性能，從而解決瀝青混凝土路面現(xiàn)階段的修復問題，并為以后瀝青混凝土路面修復技術的研究提供技術基礎，因此有關瀝青混凝土自愈合技術的研究是必不可少的。

2.1 加熱誘導瀝青路面愈合技術國外研究現(xiàn)狀

國外荷蘭代爾夫特理工大學、瑞典皇家理工學院、瑞士EMPA研究所、英國諾丁漢大學、美國密歇根科技大學等回研究機構對自愈合瀝青混凝土這種智能自修復的材料開展了研究。Jun-Feng Su提出了瀝青混合料的自愈合特性[3]，其中對比室內連續(xù)加載實驗和室外實際使用中瀝青混凝土路面的疲勞壽命與加載時間關系以及對兩者間轉移系數(shù)進行研究時發(fā)現(xiàn)，在一定的間歇期下，瀝青混凝土路而的性能會有所恢復，疲勞壽命有所延長，這都表明瀝青材料具有自愈合性能，但其自愈合能力很弱，目前研究人員己提出兩種較創(chuàng)新的增強瀝青混合料愈合性能的方法：聚合物材料愈合方法和加熱誘導愈合方法。Q.T.Liu等通過建立簡單模型評價摻導電材料的瀝青膠漿在電磁感應加熱下的愈合性能[4-5]，研究了摻鋼纖維對密實型瀝青混凝土的加熱性能和力學性能的影響，以及瀝青混凝土在電磁感應加熱誘導下的愈合效率，研究表明摻鋼纖維會提高密實型瀝青混凝土的加熱性，但對力學性能的影響不大且若鋼纖維分散不均會帶來負而影響，以及鋼纖維的含量和直徑對愈合效率影響很大，因此鋼纖維的選擇設計可以增強瀝青混凝土的愈合效率，以此證實瀝青材料可以通過感應加熱愈合。

2.2 加熱誘導瀝青路面愈合技術國內研究現(xiàn)狀

國內加熱誘導瀝青路面自愈合主要研究機構是武漢理工大學、重慶交通大學、東南大學、哈爾濱工業(yè)大學、同濟大學、長安大學、鄭州大學等高校。劉全濤在荷蘭期間深入參與了荷蘭自愈合瀝青混凝土科學研究[4]，回國后在武漢理工大學又開展了卓有成效的研究,主要研究用電磁感應對摻鋼絲絨的多孔的瀝青混凝土加熱，取得了顯著成功。研究成果主要有：摻加鋼絲絨可以增強瀝青路面，從而延緩裂紋和掉粒的產生。感應加熱可以有效修復微裂紋，阻止其擴展成宏觀裂縫等病害。上述兩個原因均能提高瀝青混凝土的耐久性和修復性。現(xiàn)在國內對自愈合混凝土技術的研究比較重視，已經有多項國家基金資助此方向的研究。

3 電磁感應加熱誘導瀝青路面自愈合機械裝置

裝置的關鍵問題是如何利用電磁感應加熱技術最大化地通過能量供給的方法利用瀝青的自愈合能力修復其力學性質，消除瀝青路面的裂縫、松散等病害。為了達到效果最大化，我們需要解決如何用最簡單有效的布置方案使裝置輕便高效，通過計算得到加熱瀝青所需要的熱量對應的電磁感應強度和對應的電源輸出電壓，以確保選擇可靠有效的電源（電磁感應加熱原理見圖1）。最后，需要制定一個PLC控制電磁感應加熱系統(tǒng)的方案，PLC控制器要具備嚴密的控制性能，能協(xié)調各部分工作，合理控制整個電磁感應加熱裝置的運行，按照設定的過程使裝置處于最佳工作狀態(tài)，使工作狀態(tài)可直觀展示，加強人機互動。

圖1 裝置電磁感應加熱原理示意圖

通過大量資料收集，本課題組設計并開發(fā)一種施工裝置可以利用電磁感應加熱技術（見圖2），使摻有導電材料的瀝青路面裂縫自愈合，以達到簡化瀝青路面養(yǎng)護程序的目的，提高瀝青路面的服務壽命，大幅減少養(yǎng)護費用和時間。另外，本裝置的電磁感應加熱技術相比傳統(tǒng)加熱方法還具有能耗低、加熱速度快、加熱均勻、操作簡單和對環(huán)境友好等優(yōu)勢。本研究開發(fā)的密實型瀝青混凝土電磁感應加熱自修復裝置具有創(chuàng)新性、方便性和實用性等優(yōu)點，具有很大的市場潛力，是新一代路面養(yǎng)護的領先技術。

圖2 裝置預想圖

4 結語

利用瀝青本身的自愈合、溫度敏感性等性能，通過電磁感應加熱摻導電材料的瀝青混凝土，以提高其裂縫愈合性能，是現(xiàn)階段瀝青路面修復方法中可行且較先進的技術。因此，設計并開發(fā)一種施工裝置可以利用電磁感應加熱技術，使摻有導電材料的瀝青路面裂縫自愈合，以達到簡化瀝青路面養(yǎng)護程序的目的，提高瀝青路面的服務壽命，大幅減少養(yǎng)護費用和時間。本裝置的電磁感應加熱技術相比傳統(tǒng)加熱方法還具有能耗低、加熱速度快、加熱均勻、操作簡單和對環(huán)境友好等優(yōu)勢。本研究開發(fā)的密實型瀝青混凝土電磁感應加熱自修復裝置具有創(chuàng)新性、方便性和實用性等優(yōu)點，具有很大的市場潛力，是新一代路面養(yǎng)護的領先技術。●

[1]汪海平,容敏智,章明秋.微膠囊填充型自修復聚合物及其復合材料［J］.化學進展,2010,22:2397-2407.

[2]孫大權,張立文,梁果.瀝青混凝土疲勞損傷自愈合行為研究進展(1)-自愈合行為機理與表征［J］.石油瀝青,2011,25: 7-10.

[3]Jun-Feng Su,Ying-Yuan Wang,Ning-Xu Han,Peng Yang, Shan Han.Experimental investigation and mechanism analysis of novel mulit-self-healing behaviors of bitumen using microcapsules containing rejuvenator.Construction and Building Materials,2016,106:317-329.

[4]Q.T.Liu,E.Schlangen,M.van de Ven.Induction healingofporousasphaltconcretebeamsonanelastic foundation.Journal of Materials in Civil Engineering, 2013,25:880-885.

[5]J.Qiu,M.van de Ven,A.Molenaar.Crack-Healing Investigation in Bituminous Materials.Journal of Materials in Civil Engineering,2012,25:864-870.

廣州航海學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（D420821），廣東省濱海土木工程耐久性重點實驗室開放課題基金項目（GDDCE15-06）。