掺钢纤维乳化沥青稀浆封层的感应加热自愈合研究

李 涛，龚 逸

(武汉新区建设开发投资有限公司，武汉 430050)

随着我国沥青路面的迅速发展和交通量的急剧增加，沥青路面面临较大的养护压力，因此寻找合适的养护方法势在必行。对于沥青路面的养护，常见的方法主要有稀浆封层、功能性养护材料封层、微表处、裂缝填封、薄层罩面、自愈合以及结合各种养护方法的综合性养护方法等[1,2]。已有研究学者对乳化沥青混合料稀浆封层展开研究，发现乳化沥青混合料稀浆封层具有良好的流动性及与集料的粘结力、简便的施工工艺、较低的施工成本等优点，是用于沥青路面修复的良好方法[3,4]。

沥青混合料具有自愈性，配合以合适的养护方法可对其进行自愈合修复。目前常用的自愈合方法有加热辅助方法和药剂辅助方法。其中加热辅助方法主要通过对沥青混合料进行加热，促使沥青流动、黏合以修复混合料内部裂缝；而药剂辅助方法则主要通过沥青混合料产生裂缝时破坏含药剂的微胶囊，并释放再生剂，以对混合料内部裂缝进行修补[5]，但与加热辅助愈合相比，其方法难以反复应用，且成本较高。近年来，多采用电磁感应加热方法，对沥青混合料进行加热辅助愈合，并已取得一定成果。2009年，Garcia和Erik Schlangen首先提出可以通过电磁感应加热的方法，对沥青混合料进行愈合修复[6]。此后Liu[7]的研究表明，可以采用电磁感应加热的方法，对掺入钢纤维的沥青混合料进行愈合修复。2015年，Garcia[8]发现当沥青混凝土的温度高于某个阈值时，沥青能对其内部裂纹进行自愈合修复。2017年，孙艺涵[9]对沥青混凝土的自愈合行为进行研究，指出应及时采用电磁感应及微波加热的方法，对沥青路面进行愈合修复，以缓解沥青路面长期服役对愈合效果的消极作用。

从稀浆封层与电磁感应加热各自的优点出发，分别展开钢纤维掺量与加热距离的优化试验、模拟路面自愈合效果试验、旧沥青路面愈合试验和沥青路面芯样自愈合效果试验，对掺钢纤维乳化沥青稀浆封层电磁感应自愈合的效果进行研究，以进一步拓展沥青路面的养护方法。

1 实 验

1.1 原材料

钢纤维：选用上海奥迪卡依禾金属材料有限公司生产的钢纤维，其当量直径为70～130 μm，平均长度为4.2 mm。乳化沥青：选用BCR拌合型改性乳化沥青，其基本性能见表1。矿料：选用玄武岩，其基本性能见表2。填料：选用PO42.5水泥，其物理性能见表3。

表1 BCR乳化沥青的基本性能

表2 玄武岩细集料性能指标

表3 水泥物理性能

1.2 稀浆封层矿料级配及制备

选用ES-1作为稀浆封层的级配类型，其矿料级配曲线图见图1。

将集料与钢纤维先混合用金属匙搅拌1 min，促使钢纤维分散均匀，然后加水拌和均匀[10]。经实验，确定乳化沥青稀浆封层混合料的拌合配比为集料∶填料∶乳化沥青∶水=100∶2∶17.2∶6，油石比为12%，用量为4.5 kg/m2，平均厚度为2.5 mm左右。

1.3 沥青路面芯样的采集

对甘肃地区4条不同服役年限的沥青路面采集芯样，其沥青路面芯样取样方法依据国家标准《公路路基路面现场测试规程》(JTG E60—2008)中T0901—2008的标准来进行取样[11]。为了便于区分芯样以及实验过程中数据的处理与分析，对所有试件进行了编号处理，其编号如表4所示。

表4 高速路面芯样编号

1.4 试验方法

1)对钢纤维掺量与电磁感应加热的距离进行优选：采用玄武岩AC-13作为车辙板试件级配类型，制备试件以模拟路面。再使用切割机制备130 mm×50 mm×50 mm的试件，在试件表面进行稀浆封层，然后进行电磁感应加热实验，以优选稀浆封层的钢纤维掺量及加热距离。

2)模拟路面自愈合效果试验：实验中先将试件底部开槽，以便控制裂纹产生的位置，然后进行三点弯曲实验。压断试件后进行稀浆封层，钢纤维掺量为沥青体积的6%。待封层固化后，在5 ℃的环境中保温4 h，进行三点弯曲实验，得到稀浆封层对旧沥青路面的修复愈合强度。之后进行电磁感应加热实验，使试件表面平均温度达到85 ℃，根据上文的研究加热距离选择5 mm，等待试件温度降到室温后，重复三点弯曲实验，以电磁感应加热前后强度的比值作为愈合修复效果的评价指标。图2为实验的流程图。

3)旧沥青路面自愈合效果试验：对已经稀浆封层处理的旧沥青路面试件，通过对稀浆封层进行电磁感应加热，使旧沥青路面的温度升高，然后以热传导将热量传递至旧沥青路面层，以对旧沥青路面进行愈合修复。因此，实验中采取电磁感应加热至85 ℃(加热时间约为40 s)，此次加热结束后放置100 s，再电磁感应加热10 s，然后进行三点弯曲实验，并以愈合修复前后的强度比来评价愈合修复的效果。

4)沥青路面芯样自愈合效果试验：先对沥青路面芯样进行间接拉伸强度实验，并得到结果。然后再对沥青路面芯样覆以稀浆封层，待稀浆封层固化后，在15 ℃的环境中保温4 h，然后进行间接拉伸实验。通过其愈合修复前后的强度比值，来评价稀浆封层的修复效果。对断裂后的试件进行电磁感应加热，愈合温度为85 ℃，重复上述间接拉伸实验，以处理前后的强度比值来评价电磁感应加热技术的愈合修复效果。

2 结果与讨论

2.1 不同掺量钢纤维与加热距离的优选

采用的钢纤维掺量为3%、6%、9%及12%(沥青体积比)，主要通过加热实验及和易性来确定合适的钢纤维掺量。加热实验是通过稀浆封层上表面的温升速率、温度分布来确定钢纤维的掺量；采用稠度表征混合料的和易性。

表5为不同钢纤维掺量的拌和实验结果，可以发现，随着钢纤维掺量的增大，稀浆封层混合料的稠度越小。且当钢纤维掺量到12%时，其稠度骤减至0.5 cm，即其流动性大幅下降，且拌和时间仅30 s，难以满足拌和需要。因此，加热实验中稀浆封层中钢纤维的掺加比例为3%、6%、9%。不同掺量钢纤维加热实验升温速率结果见图3，室温温度为26.4 ℃。

表5 不同掺量钢纤维的拌和实验

图3为4种不同加热距离条件下，不同掺量钢纤维的电磁感应加热升温曲线。可以发现，对上述4种加热距离均显示相同的趋势，即钢纤维的掺量越大，在相同加热时间的稀浆封层温度也越高。

表6为不同掺量钢纤维在4种加热距离情况下的升温速率。可以发现钢纤维掺量为3%时，稀浆封层的升温速率均较小，在加热距离为5 mm时仅为0.87 ℃/s，仅相当于钢纤维掺量为6%时、加热距离为15 mm时和钢纤维掺量为9%时、加热距离为30 mm时的升温速率；钢纤维掺量为6%或9%时，稀浆封层的升温速率较大。

表6 不同掺量钢纤维的升温速率

由此可见，钢纤维掺量越多，稀浆封层的升温速率越快，但并不是钢纤维的掺量越多越好。图4为不同掺量钢纤维5 mm距离电磁感应加热过程中上表面的温度分布情况。

由图4可知，钢纤维掺量越小，稀浆封层表面的温度分布越均匀，钢纤维在稀浆封层分散的均匀性越好。其中钢纤维掺量为3%时，稀浆封层表面的温度分布最为均匀，但是在经70 s的电磁感应加热处理后，其表面平均温度仅上升到89.8 ℃，升温速率较小，对实验的效率有消极影响。而当钢纤维掺量为9%时，在经25 s的电磁感应加热处理后其表面平均温度达103 ℃，但表面温度分布有明显的局部不均匀现象，即钢纤维分散的均匀性也是最差的。而当钢纤维掺量为6%时，其加热速率和温度分布均匀性介于掺量为3%和9%之间，且兼顾二者优点。因此，该实验选用6%的钢纤维掺量，以兼顾升温均匀性和升温速率。

加热距离主要是指电磁感应加热仪器线圈与试件上表面的距离，文中实验的距离选取5 mm、10 mm、15 mm、30 mm。图5为不同加热距离条件下，稀浆封层的电磁感应加热升温曲线。由图5可以看出，在不同钢纤维掺量下，均有加热速率随着加热距离的增大而减小的趋势，且发现随着钢纤维掺量的增大，各加热距离的加热曲线越分明。考虑到在自愈合作业中的加热效率，该实验选用的加热距离为5 mm。

2.2 稀浆封层-电磁感应加热路面复合修复技术的愈合效果

2.2.1 愈合修复效果研究

表7为沥青混合料试件初次电磁感应加热愈合的愈合效率结果。实验中掺加钢纤维的稀浆封层在破坏后，通过电磁感应设备加热使表面平均温度达到85 ℃，冷却后在5 ℃环境中保温4 h，进行三点弯曲强度实验。由表7可知，愈合率均在70%以上，表明稀浆封层有愈合修复沥青混合料试件的效果。这是因为稀浆混合料具有良好的流动性，可以流入沥青混凝土试件表面附近的裂纹及微裂纹中，并通过电磁感应加热钢纤维，使稀浆混合料及其附近的沥青混合料更充分地接触、黏附，待沥青混合料试件冷却后便能部分愈合修复试件。

表7 愈合修复下沥青混凝土试件的三点弯曲强度

2.2.2 电磁感应加热对旧沥青路面的愈合效果研究

采用红外相机对电磁感应加热过程中沥青混凝土试件纵向温度分布进行研究，在首次将沥青混合料试件的上表面温度加热至85 ℃时，试件温度集中于稀浆封层表面，这是由于稀浆封层中钢纤维受电磁感应影响产生热量，由于所经历的时间较短，热量来不及渗透到沥青试件内部所致。考虑到沥青温度过高所致的老化问题，在首次加热结束后，该实验将试件放置100 s，以防试件老化。经放置的稀浆封层表面的平均温度从放置前的85 ℃下降至57 ℃，但混凝土内部已被传热。此后再对试件进行电磁感应加热，可以发现其温度分布较首次加热时更为均匀。最后再放置试件100 s，可以发现其温度分布更为均匀。

表8为连续两次电磁感应加热后进行三点弯曲实验的结果。从表8可以发现，3组试件的愈合率均大于100%，即对覆有稀浆封层的沥青混合料试件进行电磁感应加热，不仅能愈合试件，还能改善旧沥青路面试件的强度。

表8 电磁感应加热对旧沥青路面的愈合效果

2.3 复合修复技术在沥青路面芯样上的应用

稀浆封层-电磁感应加热复合修复技术对沥青路面的修复愈合效果还需要在沥青路面芯样上进行验证，研究其修复效果。图6为养护前后沥青路面芯样情况，可以发现养护后的芯样表面裂纹已大部分消失，说明此处理方法可以修复芯样的裂纹。

愈合实验结果见表9。实验结果表明，芯样所处沥青路面的服役年限越短，其初次愈合率越大，这是因为沥青路面在服役的过程中受外界因素的影响，沥青逐渐老化，其黏附性也随着老化的发展而变差，在愈合处理过程中也难以与稀浆封层充分接触，使其愈合效果变差。此外还发现，各芯样的二次愈合率均大于89%，这说明了该方法能对经稀浆封层处理的芯样进行多次电磁感应加热愈合处理，并能取得良好的养护效果。

表9 沥青路面芯样稀浆封层愈合实验结果

3 结 论

a.所优选出的稀浆封层混合料中钢纤维的掺量为6%，以兼顾加热的均匀性性和效率，并建议采用5 mm的加热距离以提高自愈合作业的效率。

b.掺钢纤维稀浆封层混合料能有效愈合修复沥青混合料试件以及沥青路面芯样，即能对沥青路面进行自愈合修复。

c.沥青路面的服役年限越短，掺钢纤维稀浆封层的修复效果越好，建议应及时对沥青路面进行自愈合养护，以充分发挥掺钢纤维稀浆封层的养护价值。