感应加热沥青胶泥的裂纹控制外文翻译资料

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感应加热沥青胶泥的裂纹控制

亮点：

“感应加热方法被开发以激活和增强沥青胶泥的自我修复能力。

“采用钢纤维或钢丝棉的沥青胶泥可以用感应能量快速加热。

“钢纤维和钢丝绒通过增加其弯曲强度来强化沥青胶泥。

“裂纹在感应加热过程中消失。

“断裂沥青胶泥可以通过感应加热恢复其强度。

摘要：

沥青胶泥是一种自我修复的材料，它有可能自己封闭内部裂缝。在这个

研究中，开发了一种诱导愈合方法，以提高沥青胶泥的自愈能力。导电添加剂被添加到沥青乳液中以使其具有导电性并且适合感应加热。当微裂纹预计发生在沥青胶泥中时，感应加热可以提高沥青胶泥的自愈能力，封闭裂缝。本文研究了在不同导电添加剂的情况下的感应加热速度，弯曲强度和感应愈合率。观察到含有钢丝棉或钢纤维的沥青胶泥可以使用感应能量快速加热。向沥青胶泥中添加钢丝绒或钢纤维也增加其弯曲强度。最后，包含钢丝绒和钢纤维的断裂沥青胶泥可以通过感应加热恢复到新的参考样品的抗弯强度。观察到裂缝在感应加热期间消失。 基于这些结果，得出结论：诱导加热/愈合可用于封闭沥青胶泥中的裂缝。

1. 介绍

沥青混凝土可以自主地治愈损伤经过一段时间的休息。沥青混合物的愈合是由于内部裂缝关闭而恢复其刚度和强度。自从20世纪60年代，沥青混凝土的自愈能力就已经从实验室测试中证明。Bazin和Saunier观察到，直到在单轴拉伸载荷下破裂的沥青混凝土梁在25℃温度下允许在压力下静止时可以恢复原始阻力的90％。此外，作者观察到，疲劳损伤的梁样品在引入一天休息期后，在该休息期间以较小的压力将破裂面压在一起，可以恢复原始疲劳寿命的一半以上。

Castro和Little证明，在正常连续加载试验中，当引入休止期时，沥青混合料的疲劳寿命可以延长。 沥青混凝土的愈合也通过现场实验得到了证明。 威廉斯等人使用表面波测量来评估在加载通过之前，之后和之后24小时路面的刚度。 休息24 h后刚度完全恢复。许多研究人员也报道说，在冬季路面上观察到的裂纹在夏季消失。

许多研究人员报道了沥青混凝土愈合机制。Castro和Saacute;nchez解释了使用溶胶凝胶理论在休息期间沥青混合料的愈合。在高温下，由于从溶胶返回到沥青的凝胶结构，发生愈合。如果休息时间足够，它将全部愈合。在低温下，休息时间不允许由加载循环产生的结构损伤进行愈合，恢复只会部分恢复。Phillips提出以下三步扩散模型来解释沥青的愈合：（1）由于沥青的应力和流动的固化而导致的表面处理，（2）润湿（两个裂纹表面的粘附力由于表面能量密度驱动）（3）沥青质结构的扩散和随机化。前两个步骤导致模量恢复（刚度），第三步骤导致强度恢复。 Little和Bhasin提出了以下类似的三步模型来描述沥青材料的愈合过程：（1）润湿纳米片的两个面，（2）分子从一个面扩散到另一个面;（3）随机化扩散分子试图达到材料的原始强度。润湿性由沥青的机械和粘弹性能和材料常数（拉伸强度，内聚力和表面自由能）决定。随后的强度恢复由沥青粘合剂的表面自由能和沥青混凝土分子穿过裂缝界面的自扩散决定。 Kringos等人使用化学机械模型来模拟沥青的愈合。沥青具有在机械或环境负载下相分离的趋势，并且所产生的相界面将吸引相当大的应力并易于开裂。通过增加温度或插入机械能，相可以将其重新布置成新的配置或将其自身混合成更多同质状态，这表明存在单相。因此，材料将闭合微裂纹，这将导致机械性能的恢复。

问题是沥青路面的自愈恢复在环境温度下非常缓慢，道路上的交通流量不能被阻挡以允许足够的自愈恢复。 沥青混凝土的自愈度相当高，当材料在休息期间经受更高的温度时，愈合量增加。 测试温度的升高也降低了总恢复时间。因为沥青混凝土在休息期间已经表现出较高的自愈率，因此，通过提高沥青混凝土的自身修复速度是可行的。

1. 诱导愈合方法

为提高沥青混凝土的自愈能力，通过提高温度，德尔福特理工大学开发了一种诱导愈合方法（即通过感应加热激活沥青混凝土的愈合过程）。多孔沥青混凝土中诱导愈合的示意图如图1所示。将钢纤维加入到沥青混合物中，使其导电并适合感应加热。当路面上的沥青乳液（或乳胶和石膏）之间预期发生微裂纹时，通过使用外部源感应加热钢纤维可以局部地增加乳胶的温度，使得多孔沥青混凝土可以修复本身并通过沥青的高温愈合（扩散和流动）来封闭裂缝。微裂纹的闭合将防止形成宏观裂纹。因此，可以最终避免或延迟路面上的开裂。根据法拉第的电磁感应定律，当导体放置在交变磁场中时，会产生电流。源和感应电动势之间的关系可以表示为等式：

其中是电动势（V）;是磁场的角频率（rad / s）; f是磁场的频率（Hz）; B是磁通量（Wb）; 是工件材料的磁导率（H m^-1）; H是磁场强度（T），A是由导电纤维环包围的面积（m2）感应电动势取决于磁场强度和磁场通量的变化率。对于该加热系统，感应设备中的恒定频率和恒定电流强度将产生恒定的磁场和恒定电动势。实际上，这意味着当磁通量接触它们时，会通过光纤感应出电流。当电流流过导电纤维时，电流产生热量，这被称为焦耳加热。由焦耳加热引起的加热速率与样品的电阻成反比。当样品的电阻较低时，加热速率较大。焦耳的第一定律如式

其中P是每单位时间产生的热量（W）， I是恒流（A），R是导体的电阻（Omega;）。

该法适用于任何可以通过电阻表征的电路。 欧姆定律表明，对于具有电阻R的电路的电压e，电流将为

通过将该公式代入焦耳定律中的一个或两个当前因素，消耗的功率可以写成以下等效形式：

对于某一感应加热发生器，加热样品中的磁场强度，磁场频率和感应电动势是恒定的。 因此，被加热的样品中产生的热量与其电阻成反比。 具有更多导电添加剂的样品具有较低的电阻，因此可以更快地加热。

本研究的目的是研究含有不同导电添加剂的沥青胶结样品的感应加热速度和愈合电位。 还研究了导电添加剂对沥青胶泥机械性能的影响。

图1. 沥青混凝土感应加热示意图

1. 材料与方法

3.1 材料

用于制备沥青胶泥的材料包括砂（0-2 mm），填料（lt;0.063 mm），沥青（Pen 70/100）和不同的导电添加剂（00钢丝，钢纤维和钢渣）。沥青乳胶样品由固定比例的砂，填料和沥青制备，为2.33：1：0.6，这是荷兰多孔沥青混凝土中沥青乳胶的典型组成。将不同类型和含量的导电添加剂加入到沥青乳液混合物中，使其可以使用感应能加热。 00型钢丝绒的直径在8.89lm至12.7lm之间，长度为3.2mm。钢纤维的直径在29.61m和191.11m之间，长度小于1mm。钢丝绒和钢纤维的密度近似为7.6g / cm ³，电阻率为7*10^-7cm。第三种导电添加剂是钢渣，它是一种废料，易于掺入沥青混合物中。钢渣颗粒的直径在2mm和4mm之间。

3.2样品制作

本节介绍在以下加热和愈合实验中检查的沥青胶结梁（图2所示）的制造。为了制备沥青胶泥梁，将材料与高速Hobart混合机在160℃下混合，直到钢纤维或钢丝绒均匀分散（这不代表沥青设备中的沥青生产过程）。混合后，将混合物压实成型，如图2所示。通过控制在模具中压实的混合物的量，可以准确地确保梁的尺寸。在冰箱中在-20℃下冷却30分钟后，通过分离模具获得胶束。对于每种组合物制造三个梁，包括平板梁，具有4wt％/ 8wt％/ 10wt％钢丝绒的梁，具有4wt％/ 8wt％/ 10wt％钢纤维的梁和具有10wt％/ 20wt％/ 30wt％钢渣。另外，制备了三个样品，其中所有的砂和填料都被纯渣替代（尺寸为0-4mm）。弹性梁的尺寸如图2所示。梁中心的三角形凹口（2 mm深度）允许使样品始终在同一个位置被打破。

3.3。 感应加热

使用具有50kW的容量为70kHz的Huttinger感应发电机研究沥青胶结梁的感应加热电位。 本研究中使用的感应发电机如图3所示。一个320*240像素全彩红外摄像机（FLIR，A320型）用于记录和分析感应加热过程中样品的温度变化。 感应发电机的线圈与弹性梁之间的距离固定为15mm。 加热速度会随着距离的增加而降低，线圈会阻挡红外摄像机的距离较小。 加热实验后，使用红外线摄像机提供的软件获得样品的加热速率。

3.4 三点弯曲试验

为了研究添加导电添加剂如何影响沥青胶结物的机械性能，对胶结梁进行了三点弯曲试验。图4给出了三点弯曲试验的实验装置。 该试验在-20℃下进行，以避免永久变形并在样品中产生脆性断裂。 在三点弯曲试验中，连续测量试样的施加载荷和最终的位移。 使用下列公式可以将试样的测量位移转化为弯曲（弯曲）强度

其中P是施加的载荷（kN），L，d和b是试样在外部载荷点,，试样的宽度和厚度之间的有效长度（L = 105mm; d = 25mm，b = 13mm）。

断裂沥青胶结梁的诱导愈合效果的测试方法包括使用感应加热（推荐加热温度）将断裂梁加热至85℃，冷却梁，最后在三点弯曲期间再次断裂愈合束测试。 实际上，感应加热过程应在完全损坏发生之前进行。 然而，为了简单起见，在本研究中使用感应加热来完全治愈损伤的样品（在这种情况下不需要控制损伤程度）。图5显示了在愈合前后的三点弯曲试验中获得的典型载荷 - 位移曲线。 通过感应加热引起的断裂样品的恢复弯曲强度可用作愈合指标。

图2.用于制作凹口弹性梁的模具和弹性梁

图3. 本研究中使用的感应加热发生器

图4. 三点弯曲试验的设定

图5. 在愈合前后的三点弯曲试验中获得的典型载荷 - 位移曲线

1. 结果与讨论
   1. 带导电添加剂的胶束的感应加热速度

由于上下磁场强度的降低，感应加热速度与样品厚度不均匀;在顶表面上的样品比下部部分加热得快得多。这种不均匀的加热正是我们想要的在多孔路面的表面封闭裂缝，而不影响下部的石材结构。因此，本实验的重点是样品顶表面的加热速率。图6给出了典型的感应加热图像和样品顶表面的温度分布。样品顶部表面大部分（94.1％）的温度为50.7℃至62.7℃，平均温度为54.9℃。图7示出了在感应加热过程中样品顶表面的平均温度的升高。可以观察到，样品顶部的平均温度线性增加。因此，样品（顶面）的感应加热速度可以定义为样品表面的平均温度与加热时间的增加的比。

加热前后样品的上表面平均温度，加热时间和计算加热速度如表1和图8所示。没有导电添加剂的普通沥青胶浆梁不能用感应加热加热。具有所有三种类型的添加剂的样品可以用感应发生器加热，但是加热速率不同。钢纤维和钢丝绒的样品可以使用感应加热快速加热。具有相同数量的钢纤维或钢丝绒的样品具有相同的感应加热速率。钢丝绒或钢纤维的量的增加导致乳香样品的感应加热速率更高。这个结果是合乎逻辑的，因为导电组件的增加会导致更多的加热单元，从而在相同的时间内加热更加容易。此外，钢丝绒或钢纤维的量与感应加热速度之间存在线性关系。

具有10重量％钢丝绒或钢纤维的样品的感应加热速率为1.27℃/ s。利用这种感应加热速度，沥青胶浆可以在1分钟内从室温加热到85℃。然而，增加钢渣的量不会提高加热速率。 含有30重量％钢渣或纯钢渣的样品的加热速率仍然很低。这一结果表明，钢渣不能为感应加热提供一个较好的解决方案，因为实际上如果由钢渣制成，则需要太多的时间来加热和修理路面。此外，钢渣不能像钢丝绒和钢纤维那样均匀分散，导致加热不均匀。

为了检查感应加热过程中沥青的老化可能，对新鲜和加热的粘合剂进行了FTIR测量。 对于该测量，将样品感应加热至100℃。 然后，在Heijmans-Breijn（荷兰）的沥青设备中从加热的样品和未加热的样品中提取沥青。 最后，对提取的沥青进行了FTIR测量。 未加热和加热沥青的FTIR吸收光谱如图9所示。 具体来说，如果氧化老化发生，两组C = O和S = O的峰高和峰面积将增加。 在图9中可以看出，沥青的吸收光谱在加热后不变化，这表明在感应加热过程中没有老化问题。

此外，Alvaro Garcia对未加热和加热的沥青（加热至110℃）进行GPC测量，以测量沥青的分子量。 感应加热前后沥青分子量没有发生变化。 该结果表明将样品加热至110℃不会对粘合剂引起额外的老化。

基于FTIR和GPC结果，可以得出结论，感应加热过程中没有老化问题。 这个结果的一个可能的原因是，只有有限的氧气与加热的沥青直接接触，因为新鲜的胶粘样品中没有裂纹。 然而，这个结果的主要原因可能是加热时间非常短。 因此，我们认为感应加热在实际应用中不会对沥青引起额外的老化。

图6 典型的感应加热图像和样品顶表面的温度分布

图7 感应加热时样品表面的平均温度的升高

表1 样品的感应加热速度

图8 不同导电添加剂的样品的感应加热速度

图9 来自未加热和加热样品的沥青的FTIR吸收光谱

• 1. 导电添加剂对沥青胶束的弯曲强度的影响

三点弯曲试验提供了关于不同导电添加剂的增强作用的重要信息。研究了每种组合物的样品，这些样品的平均弯曲强度如图10所示。钢纤维和钢丝绒具有明显的增强效果，因为钢丝绒或钢纤维的样品表现出比参考样品显着更大的弯曲强度。添加相同量的钢丝绒或钢纤维使得样品的弯曲强度类似地增加。钢渣显然不会加固乳胶样品，因为钢渣样品表现出与参考样品相似的强度。因此可以得出结论，添加所有三种用于感应加热的导电添加剂不会对强度产生负面影响。增加钢纤维或钢丝绒的数量会增加样品的感应加热速度;然而，本研究中使用的钢纤维或钢丝绒的最大浓度为10wt％，因为难以将这些添加剂均匀地分

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