电磁感应加热诱导沥青路面自愈合技术

曾廷玉 孙晓鸿 庄胜意 郑晓晴 黄竞苇 杨朋

（广州航海学院航务工程系）

电磁感应加热诱导沥青路面自愈合技术

曾廷玉 孙晓鸿 庄胜意 郑晓晴 黄竞苇 杨朋

（广州航海学院航务工程系）

沥青路面自愈合技术是一项举世瞩目的新技术，目前国内外专家非常重视，笔者阐述了采用热感应方法实现沥青路面自修复的相关背景，提出了利用电磁感应实现沥青路面自修复的装置示意图。

沥青路面；自愈合；电磁感应；加热诱导

1 前言

科技越来越发达，交通的快速发展使世界的距离在缩短，近几年世界各地的公路建设事业不断上新的台阶，从以前的水泥路面到如今具有消音、吸水、防水漂、改善路面可见度的沥青路面，让汽车的行驶越来越安全，也越来越舒服。但是有利必有弊，没有任何的事物是完美的，在不断的使用中，人们发现高速公路沥青路面的破损问题，已经成为公路健康发展的主要突出矛盾。沥青路面由于具有表面平整无接缝、行车舒适和噪音小，以及施工便捷、养护时间短和易维护等优点，越来越被重视，日益成为国内外高等级公路的主要路面形式，被广泛用于修建高速公路、机场跑道和桥面铺装等路面上[1-2]。但是，沥青路面在受长期行车荷载、温度应力以及半刚性基层的反射裂缝等其他因素的作用，会产生裂缝、松散等病害。且现有的沥青路面养护和修复聚合物材料如防水剂、沥青再生剂等，会不同程度地影响路面的养护费用和使用性能。所以，利用沥青本身的自愈合、温度敏感性等性能，通过电磁感应加热掺导电材料的沥青混凝土以提高其裂缝愈合性能是是现阶段沥青路面修复方法中可行且较先进的技术。本研究项目拟设计并开发一种施工装置可以利用电磁感应加热技术，使掺有导电材料的沥青路面裂缝自愈合以达到简化沥青路面养护程序的目的，提高沥青路面的服务寿命，大幅减少养护费用和时间。另外，本装置的电磁感应加热技术相比传统加热方法还具有能耗低、加热速度快、加热均匀、操作简单和对环境友好等优势。本研究开发的密实型沥青混凝土电磁感应加热自修复装置具有创新性、方便性和实用性等优点，具有很大的市场潜力，是新一代路面养护的领先技术。

2 加热诱导沥青路面自愈合课题研究背景

为了增加沥青路面的使用寿命，沥青公路的养护和维修是不可忽视的，养护工作一般分为：预防性养护和修复性养护。关于沥青路面的维修包括根据维修设计进行施工前的准备工作、路面的铣刨、路面基层的施工、封层和黏层施工等几个重要方面，可见沥青的路面修复问题十分复杂。对复杂的施工工序和严重的沥青路面养护问题，现在世界范围也没有特别完善和先进的沥青路面修复方案可以完美解决。

现阶段国内外学者从沥青材料本身和沥青混合料两方面研究沥青混凝土路面自愈合的先进技术方法——聚合物材料愈合方法和感应加热愈合方法。这两种方法均可以有效地增加沥青混凝土的愈合率，修复沥青混凝土路面的裂缝和松散等病害，提高沥青混凝土路面的整体性和使用性能，从而解决沥青混凝土路面现阶段的修复问题，并为以后沥青混凝土路面修复技术的研究提供技术基础，因此有关沥青混凝土自愈合技术的研究是必不可少的。

2.1 加热诱导沥青路面愈合技术国外研究现状

国外荷兰代尔夫特理工大学、瑞典皇家理工学院、瑞士EMPA研究所、英国诺丁汉大学、美国密歇根科技大学等回研究机构对自愈合沥青混凝土这种智能自修复的材料开展了研究。Jun-Feng Su提出了沥青混合料的自愈合特性[3]，其中对比室内连续加载实验和室外实际使用中沥青混凝土路面的疲劳寿命与加载时间关系以及对两者间转移系数进行研究时发现，在一定的间歇期下，沥青混凝土路而的性能会有所恢复，疲劳寿命有所延长，这都表明沥青材料具有自愈合性能，但其自愈合能力很弱，目前研究人员己提出两种较创新的增强沥青混合料愈合性能的方法：聚合物材料愈合方法和加热诱导愈合方法。Q.T.Liu等通过建立简单模型评价掺导电材料的沥青胶浆在电磁感应加热下的愈合性能[4-5]，研究了掺钢纤维对密实型沥青混凝土的加热性能和力学性能的影响，以及沥青混凝土在电磁感应加热诱导下的愈合效率，研究表明掺钢纤维会提高密实型沥青混凝土的加热性，但对力学性能的影响不大且若钢纤维分散不均会带来负而影响，以及钢纤维的含量和直径对愈合效率影响很大，因此钢纤维的选择设计可以增强沥青混凝土的愈合效率，以此证实沥青材料可以通过感应加热愈合。

2.2 加热诱导沥青路面愈合技术国内研究现状

国内加热诱导沥青路面自愈合主要研究机构是武汉理工大学、重庆交通大学、东南大学、哈尔滨工业大学、同济大学、长安大学、郑州大学等高校。刘全涛在荷兰期间深入参与了荷兰自愈合沥青混凝土科学研究[4]，回国后在武汉理工大学又开展了卓有成效的研究,主要研究用电磁感应对掺钢丝绒的多孔的沥青混凝土加热，取得了显著成功。研究成果主要有：掺加钢丝绒可以增强沥青路面，从而延缓裂纹和掉粒的产生。感应加热可以有效修复微裂纹，阻止其扩展成宏观裂缝等病害。上述两个原因均能提高沥青混凝土的耐久性和修复性。现在国内对自愈合混凝土技术的研究比较重视，已经有多项国家基金资助此方向的研究。

3 电磁感应加热诱导沥青路面自愈合机械装置

装置的关键问题是如何利用电磁感应加热技术最大化地通过能量供给的方法利用沥青的自愈合能力修复其力学性质，消除沥青路面的裂缝、松散等病害。为了达到效果最大化，我们需要解决如何用最简单有效的布置方案使装置轻便高效，通过计算得到加热沥青所需要的热量对应的电磁感应强度和对应的电源输出电压，以确保选择可靠有效的电源（电磁感应加热原理见图1）。最后，需要制定一个PLC控制电磁感应加热系统的方案，PLC控制器要具备严密的控制性能，能协调各部分工作，合理控制整个电磁感应加热装置的运行，按照设定的过程使装置处于最佳工作状态，使工作状态可直观展示，加强人机互动。

图1 装置电磁感应加热原理示意图

通过大量资料收集，本课题组设计并开发一种施工装置可以利用电磁感应加热技术（见图2），使掺有导电材料的沥青路面裂缝自愈合，以达到简化沥青路面养护程序的目的，提高沥青路面的服务寿命，大幅减少养护费用和时间。另外，本装置的电磁感应加热技术相比传统加热方法还具有能耗低、加热速度快、加热均匀、操作简单和对环境友好等优势。本研究开发的密实型沥青混凝土电磁感应加热自修复装置具有创新性、方便性和实用性等优点，具有很大的市场潜力，是新一代路面养护的领先技术。

图2 装置预想图

4 结语

利用沥青本身的自愈合、温度敏感性等性能，通过电磁感应加热掺导电材料的沥青混凝土，以提高其裂缝愈合性能，是现阶段沥青路面修复方法中可行且较先进的技术。因此，设计并开发一种施工装置可以利用电磁感应加热技术，使掺有导电材料的沥青路面裂缝自愈合，以达到简化沥青路面养护程序的目的，提高沥青路面的服务寿命，大幅减少养护费用和时间。本装置的电磁感应加热技术相比传统加热方法还具有能耗低、加热速度快、加热均匀、操作简单和对环境友好等优势。本研究开发的密实型沥青混凝土电磁感应加热自修复装置具有创新性、方便性和实用性等优点，具有很大的市场潜力，是新一代路面养护的领先技术。●

[1]汪海平,容敏智,章明秋.微胶囊填充型自修复聚合物及其复合材料［J］.化学进展,2010,22:2397-2407.

[2]孙大权,张立文,梁果.沥青混凝土疲劳损伤自愈合行为研究进展(1)-自愈合行为机理与表征［J］.石油沥青,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.

广州航海学院大学生创新创业训练计划项目（D420821），广东省滨海土木工程耐久性重点实验室开放课题基金项目（GDDCE15-06）。