吸波材料在瀝青路面修復中的應用

王宇豪，陳雪琴，范 進

(南京理工大學，江蘇 南京 210094)

路面交通量較大時，路面裂紋產(chǎn)生的速度大于瀝青混凝土自修復的速度，最終會產(chǎn)生疲勞開裂。瀝青含有大量的高分子聚合物組分，具有溶解、沉淀等熱力學可逆過程的性能，是一種可以自愈合的材料。同時，作為一種黏-彈-塑性材料，瀝青對溫度變化較為敏感，并且在高溫作用下會展現(xiàn)出流動的特性，因此，提高溫度可以加速裂縫表面瀝青分子的潤濕與擴散速度，使得自愈合率大幅增加。

瀝青路面材料加熱方式包括電磁感應加熱、微波加熱和紅外加熱等。和其他加熱方式相比，微波加熱具有加熱效率高、加熱均勻、無污染、操作便捷等優(yōu)點。在道路工程領域，微波加熱主要用于融雪除冰和微裂紋自修復。微波滲透深度比紅外線滲透深度大。相比感應加熱，微波加熱所需導電物質(zhì)用量少，達到相同溫度用時短，修復裂紋效果好。微波加熱下瀝青溫度升高，使瀝青膨脹、流動和擴散，裂紋寬度減小直至閉合。

微波作為一種高頻的電磁波，其加熱機理為材料吸收微波后可以引起材料內(nèi)部分子的激烈震動，摩擦生熱。研究表明, 集料吸收微波的能力主要與其所含的金屬性成分及其吸波性能有關。傳統(tǒng)瀝青混合料中集料的微波吸收能力較差，微波加熱技術的修復效率較低。為提高瀝青混凝土的吸波效率，可以用微波吸收材料替代部分傳統(tǒng)的集料。按照微波吸收機制的不同，可以將這些材料分為介電損耗材料和磁損耗吸收材料。

1 介電損耗吸波材料

常見的介電損耗吸波材料有碳纖維、碳納米管、石墨和炭黑等，這類材料往往具有優(yōu)異的介電性能，因此這類材料的微波吸收主要是由介電損耗引起的。介電損耗角正切是指電介質(zhì)在單位時間內(nèi)每單位體積中，將電能轉(zhuǎn)化為熱能(以發(fā)熱形式)而消耗的能量，是表征介質(zhì)材料在施加電場后介質(zhì)損耗大小的物理量，從而可以反映介質(zhì)材料的微波吸收能力，其定義如下。

(1)

式中：ε′為復介電常數(shù)的實部，ε″為復介電常數(shù)的虛部。

瀝青混合料通常由5%瀝青和95%集料、礦粉組成，純?yōu)r青介電損耗角正切常數(shù)非常小，難以通過微波加熱使得溫度升高，而增強集料的微波吸收能力可以更有效地提高瀝青混合料的加熱與升溫效率。

Wang等[1]在瀝青中加入了活性炭粉，以研究其在瀝青材料中增強微波加熱的可能性，并首次研究了活性炭粉對瀝青膠漿力學性能的影響，進行了包括多重應力蠕變和恢復測試、溫度掃描測試、時間掃描測試和線性幅度掃描測試在內(nèi)的機械測試，以評估耐車轍性、耐疲勞性。結(jié)果表明，通過添加活性炭可以使瀝青變硬，耐車轍性也得到改善。活性炭替代物的體積分數(shù)達到100%時，抗疲勞性得到改善，疲勞壽命也會大大延長。含有大量活性炭粉的膠漿在微波輻射下溫度會快速升高，因此具有良好的吸波性能。

Norambuena等[2]把兩種不同類型金屬廢料(鋼絲絨纖維、刨花)加入瀝青混合料，并評估了添加金屬廢料對瀝青混合料的電、熱物理和微波裂紋修復性能的影響。結(jié)果表明：瀝青混合料的電阻率隨纖維含量的增加而降低。當加熱時間超過30 s時，裂縫可以被密封，且40 s是最佳加熱時間，瀝青混合物可以在40 s的最高愈合水平和最低損傷之間達到平衡。但是鋼絲絨纖維的分布會導致瀝青混凝土中較高的空隙，從而導致耐久性較差。

Hamid等[3]將炭黑作為導電成分添加到瀝青黏合劑中，用于提高瀝青混凝土的導電性，加快該材料的加熱修復速度。試驗使用了硅質(zhì)和石灰石骨料類型制造樣品。結(jié)果表明，炭黑作為導電組分能夠充分地加熱和修復瀝青混凝土，并且可以提高瀝青混凝土對微波的導電性。

Chao等[4]使用兩種納米吸波材料——碳納米管和石墨烯，分別表征了兩種納米微波吸收劑的表面織構(gòu)、抗裂性以及改性瀝青在加熱過程中的高溫流變性，測試了基于流動行為指數(shù)、放熱率和瀝青愈合效果的初始自愈溫度。通過疲勞—愈合—疲勞試驗測試改性瀝青的微波加熱愈合性能。結(jié)果表明：納米微波吸收劑顯著加速了加熱過程，并使改性瀝青比基礎瀝青具有更長的擴散和修復時間。瀝青的自愈過程由部分修復，然后逐漸擴散到整個裂紋界面，而不是完全潤濕整個裂紋的界面并通過分子擴散而一起愈合。

王昊鵬[5]研究表明石墨和鋼纖維等導電相材料的摻加可以大幅提高瀝青混合料的微波加熱速率。通過“疲勞—愈合—再疲勞”的試驗程序，并定義愈合指數(shù)表征瀝青混合料的愈合程度，結(jié)果表明：相同微波加熱時間下，由于導電瀝青混合料吸收了更多熱量，因此其愈合效率高于普通瀝青混合料。

2 磁損耗吸波材料

這類材料往往既有磁損耗，也有介電損耗，因此微波吸收特性是由電損耗和磁損耗兩部分的總損耗所產(chǎn)生的，介電損耗性能仍用介電損耗正切值tanδe表示，而磁損耗性能用磁損耗角正切值tanδm表示，其中：

(2)

式中：μ′為復磁導率的實部，μ″為復磁導率的虛部。材料的總電磁損耗為介電損耗正切值tanδe和磁損耗正切值tanδm之和[6]。

Zhao等[7]將NiZn鐵氧體顆粒加入瀝青基復合材料中，用以提高微波吸收效率，以及進一步提高復合材料的自愈速度。通過研究3種骨料和3種填料的微波吸收能力，發(fā)現(xiàn)與其他測試材料相比，NiZn鐵氧體在2.45 GHz下具有出色的微波吸收能力。

Liu等[8]研究了由羰基鐵粉(CIP)和炭黑(CB)組成的單層涂層在2 GHz～18 GHz范圍內(nèi)的微波吸收特性。研究結(jié)果表明，隨著CIP比例、CB含量或厚度的增加，吸收帶的頻率會向較低的頻率范圍偏移。因此，通過調(diào)節(jié)復合材料中CIP或CB的含量，可以在所需的頻率范圍內(nèi)應用吸波涂料。CIP含量較高的樣品在較低的頻率范圍內(nèi)總體上具有較好的吸收效率。隨著CIP含量的增加，每單位體積的非磁性矩陣中的磁極數(shù)會增加，μ′和μ″均增強。較高的μ″對于改善較低頻率范圍內(nèi)的微波吸收特性非常有益。

劉為[9]用化學共沉淀法對普通玄武巖集料和鋼渣集料進行改性處理，在集料表面生成具有磁性的Fe3O4納米顆粒，以此來增強集料的吸波性能。結(jié)果表明，改性鋼渣和改性玄武巖集料的瀝青混合料試件在微波爐中的加熱效果明顯優(yōu)于普通集料的試件，說明磁性材料可以顯著提高瀝青混合料的微波加熱速度。

3 結(jié)論與展望

傳統(tǒng)瀝青混合料的微波損耗機理主要是介電損耗，而摻有磁性材料的瀝青混合料的微波損耗機理既有介電損耗，也有磁損耗，因此，具備良好的吸波性能。Peng等[10]推導了量化微波輻射下材料磁損耗的簡化方程，以證明磁損耗在微波加熱中的重要性。他們通過計算發(fā)現(xiàn)，在鐵氧體的微波加熱中，磁損耗高達電介質(zhì)損耗的大約4倍。這些結(jié)果從理論上證明了磁性介電材料在磁場中的加熱速度比微波施加器的電場中的加熱速度快得多。另外，從制備難度上講，磁損耗材料比電損耗吸波材料更具有應用潛力，因為電損耗型材料對微波表現(xiàn)為吸收或反射很大程度上取決于其電阻率。一般情況下，良導體對微波以反射為主，半導體以吸收為主，絕緣體以穿透為主。電損耗型材料與水泥或瀝青混凝土復合后，若吸波材料發(fā)生聚集、搭接等現(xiàn)象，則引起局部為導體，其他部位為絕緣體的現(xiàn)象。為解決這一問題需要更加精密的設備與更復雜的添加工藝[11]。