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摘要：该文提出了一种新的沥青路面坑槽修补方法，沥青瓦是在沥青混合料四周及底部涂覆内含一定钢纤维的沥青黏结层而成的修补材料。该方法首先需清理坑槽，并采用沥青瓦填补坑槽，然后开通高频电磁场加热钢纤维，并使沥青瓦底部黏结层的沥青融化，使二者黏结在一起。同时分析了沥青黏结层厚度、钢纤维的数量与分布状态对沥青瓦黏结强度的影响。此外，采用汉堡车辙试验测试了沥青瓦的抗车辙性能，检验了水分对沥青瓦黏结能力的影响。结果表明：采用沥青瓦进行坑槽修补是可行的，修补后路面的耐久性与新建路面相当。 关键词：坑槽；电磁感应加热；沥青混合料；钢纤维；黏结性 前言 沥青材料由集料和沥青组成。集料提供行车所需承载力与抗滑性能，而沥青主要起结合作用。在时间和环境的影响下，沥青发生化学降解，呈现脆性。此外，水分可能渗入路面结构，造成沥青与集料的黏结性下降。热作用及沥青路面老化后承受的车辆荷载，将导致沥青路面裂缝的发展与集料的损失，从而形成碗状的坑槽，这些是造成路面服务水平降低的主要原因，也是对交通安全影响最大的路面病害。 在寻找坑槽修补材料时，通常追求其拥有良好的工作性、黏聚力、交通荷载及环境耐久性、黏结性、冻融性能以及高温性能。针对这个要求，已经有研究提出了许多不同的工艺及路面坑槽修补材料。包括：①热拌沥青混合料；②冷拌沥青混合料；③其他聚合物或树脂材料。 总的来说，普遍认为热拌沥青混合料的集料与沥青结合料的黏结力最强，具有最好的修补效果，但由于其受到最小拌和量的要求及铺设温度的限制，适用性有限。而冷拌沥青混合料虽然其集料与沥青结合料、凝胶材料的结合力不强，修补效果略差于热拌沥青混合料，但却较热拌沥青混合料拥有更广的适用范围，例如在大部分天气条件下，均可以用少量冷拌沥青混合料修复个别坑槽。此外，有一系列的聚合物和树脂材料也已被开发利用于路面坑槽修补，例如双环戊二烯及快速固化聚氨酯树脂，它们具有较强的修补效果，但是这些材料往往十分昂贵，因此并不常用。在实践中，坑槽修补的材料要根据病害情况、当地可利用资源及相关政策来进行综合考虑。 电磁感应加热也是一种道路维修养护方法，同时也是该文研究的重点。其原理是通过高频交变电磁场使电、磁敏感的材料产生材料涡流，从而加热金属纤维。目前，有两种技术应用到了感应加热，即Rollpave和沥青感应愈合。Rollpave是通过预制沥青混合料层，并铺筑于旧路面上用以承受行车荷载。其预制层与旧路面的黏结部位，包含一层含有钢丝网的沥青膜，可通过感应加热使沥青膜变软流动从而为新旧两层路面板提供黏结能力。而沥青感应愈合，是一种路面病害预防技术，它将钢纤维嵌入沥青混合料，当路面出现轻微裂缝时，将产生感应能，从而加热钢纤维导致周围沥青温度升高，沥青达到一定温度以液态存在，所以在高温时它能够流入裂缝并将其填满，完成自我修复。 理想的坑槽修补方法应当具备：①适用于任何环境；②修补过后其质量与耐久性应与原路面相当；③使用后不产生废渣，如热拌沥青混合料；④尽可能减少交通中断；⑤修补成本应与现有方法相当。该文将提出一种包含以上优点的路面坑槽修补方法。 技术概述 该技术的核心是将预制的沥青混合料上面层(类似于沥青瓦)，以含有导电颗粒的SBS改性沥青膜裹覆起来。目前，无论研究还是生产，导电颗粒多采用从废旧轮胎中回收的钢纤维以尽量减少对环境的影响，降低工程成本。 当路面出现坑槽时，可通过孔锯将它修整至标准尺寸，然后以沥青瓦填筑进行修复。沥青瓦与旧路之间的黏结，是通过感应能加热钢纤维，辅以轻微压实(如人工夯实)完成的。利用这种技术，在感应加热后，黏结层温度可达100℃以上，使沥青瓦和旧路面有效地黏结在一起。充分体现了工厂预制的好处，例如提高了工程品质，减少了生产时间，减少了废弃物的产生，给劳动者提供了一个更为健康和安全的生产条件。 由于沥青瓦是在沥青工厂预制，因此可以针对给定坑槽(或一系列坑槽)选用最佳的混合料。也就是说，沥青混合料的骨料级配、沥青种类、沥青含量、压实度等可以根据相应情况进行调整，以获得最佳路用性能而不影响其他施工过程。同时，沥青瓦的尺寸也较为容易针对性调整，或者可以直接在一系列标准尺寸中选定与坑槽直径相匹配的沥青瓦用以修补。 试验设计 沥青瓦材料简介 如前文所述，用于坑槽修补的沥青瓦应根据路面自身性质的不同，选择不同的沥青混合料进行制备。为验证该技术的可行性，研究按照英国标准，选用密级配石灰石骨料制备热拌沥青混合料，所用沥青针入度为40/60。 此外，选用针入度为40/60的沥青制备4%SBS改性沥青，采用高速剪切仪在170℃温度下剪切2h，作为沥青瓦的黏结层材料。 该文选用了2种不同分布状态的不锈钢纤维进行试验：①采用回收自轮胎的松散钢纤维，其平均直径为0.34mm；②采用4种不同孔径的钢丝网，其钢丝直径均为0.36mm，钢丝网具体 沥青瓦制备 首先，在170℃下将改性沥青浇筑于36cm×47cm的托盘内，直至沥青膜厚度达到3mm，然后将该沥青膜在5℃条件下冷却2h后，切为10cm×10cm的分段，作为沥青瓦黏结层。 将混合料试样制成20cm×30.5cm×30.5cm的立方体，在140℃条件下，用碾压法将其压实至5%目标空隙率，然后切为20cm×10cm×10cm的沥青瓦试样。 在热拌沥青混合料(即沥青瓦)压实完成后，立即添加钢纤维或钢丝网。其中，钢纤维应均匀撒布在混合料上方。为研究不同纤维用量对沥青瓦的影响，在沥青瓦上分别撒布26、53、106、133ｇ的松散纤维，通过进行可视化测量可知其混合料外露面积分别为80%、60%、20%、0%。但0%的沥青混合料面层外露面积，并不代表钢纤维层为一块实心钢板，由于钢纤维的松散性质，沥青仍可流动通过。 最后，在沥青混合料仍处于高温状态时，将黏结层沥青膜置于纤维上方。为了研究沥青膜厚度对沥青瓦黏结性能的影响，该文分别制备了含有1、2、3、4、5层黏结层的沥青瓦试样。在安放黏结层沥青膜后，应人为对沥青膜进行压实，保证沥青膜与沥青混合料及钢纤维黏结紧密，压实过程应谨慎小心。 路面材料模拟 采用与沥青瓦相同的材料，制作50cm×30.5cm×30.5cm的沥青混合料板，在140℃条件下，采用碾压法将其碾压至5%目标空隙率，并将其切为50cm×10cm×10cm的沥青混合料试块，用以模拟运用沥青瓦进行修补的路面板。 电磁感应加热法的应用 沥青瓦在常温下，通过电磁感应加热与沥青混合料试块黏结在一起。为了达到这个目的，将线圈放置于距沥青瓦表层0.5cm的位置，根据试件类型，通过电磁感应对试件加热1～60s。最长加热时间应为试件开始冒烟之时。在加热过后，应立即在沥青瓦顶部施加5kg的压力以保证黏结质量。 感应加热试验采用额定输出6kW、工作频率348kHz的感应加热发电机。试验过程中，控制试验电流为80A，试验功率为2 800W，同时采用320×240像素的全彩色红外相机，对试件的黏结层温度进行观测。 抗拉黏结强度试验 按照英国采用的欧盟标准，采用抗拉黏结强度试验评估沥青瓦与沥青混合料试块的抗拉黏结强度，试验仪器选用计算机控制的液压拉伸仪。为进行该试验，首先采用环氧树脂胶将一块钢板固定于沥青瓦试件表面，并将测试样品放入20℃恒温箱中保温24h。然后进行拉伸试验，试验通过钢板对试件施加轴向拉伸荷载，拉伸速率为20mm/min，直至试样破坏，记录此时拉伸荷载，拉伸荷载与试件横截面面积之比即为试件抗拉黏结强度。 抗剪黏结强度试验 采用抗剪黏结强度试验评估沥青瓦的界面抗剪强度。试验仪器为计算机控制的液压拉伸仪及自制剪切机。测试时，首先将测试样品放入20℃恒温箱中保温24ｈ。然后，以20mm/mｉｎ的速率对试件施加剪切荷载，直至试件界面发生破坏。则此时最大剪切荷载与界面横截面面积之比即为界面抗剪黏结强度。 此外，该文采用含有106g松散钢纤维的试件测试试件最大界面抗剪黏结强度。试验前，应先对沥青瓦进行感应加热，然后放入40℃的恒温箱保温3d。 坑槽上行车荷载模拟 该文通过车辙试验对沥青瓦施加循环荷载，以观察沥青瓦修补坑槽的效果。首先，采用与沥青瓦相同的材料，制作50cm×330.5cm×330.5cm的沥青面板，然后在该面板上方加铺一块50cm×330.5cm×330.5cm的沥青面板，形成100cm×330.5cm×330.5cm的沥青面板用以模拟双层路面。然后人为地在上面层钻取直径为150mm、深度为5cm的模拟坑槽。 与此同时，选用与沥青面板相同的材料，通过旋转压实压密至5%目标空隙率，制备直径为15cm，高度为4cm的沥青瓦。在压实完成后，立即在其热表面上放置一块外露面积为74%的钢丝网，并用4层3mm厚的圆形沥青薄膜覆盖，形成12mm的黏结层。 然后，将该沥青瓦插入模拟坑槽中感应加热15s，并用振动压实机压实至板与沥青瓦表面平整。在这个过程中，可以观察到沥青填充至面板与沥青瓦之间的缝隙。 制备不含坑槽的双层面板，用以模拟新建路面。同时，选用市售的冷拌沥青混合料进行模拟坑槽修补作为对比试验，该冷拌沥青混合料在英国被广泛应用于坑槽修补，它是采用花岗岩骨料、密级配、6mm最大粒径及聚合物改性乳化沥青制备的。修补时，采用振动压实机对cmA进行压实以确保其完全填充，压实完成后常温养生2d，再于20℃温度下养生7d，最后进行汉堡车辙试验。 行车荷载通过汉堡车辙试验仪进行模拟。试验按照标准，选用25℃试验温度，浸水条件，轮迹宽度为47mm，轮迹荷载为705N，循环加载2 000次。在试验过程中，持续监测车辙情况，每组试验重复3次。 X射线CT扫描 为了解采用感应加热进行修补的坑槽的内部结构，取含有106g松散钢纤维的试验试样感应加热15s后，采用扫描仪在80kV、120μA的条件下对其进行X射线CT扫描。为确保X射线管的焦点大小为2μm且空间分辨率为4μm，将测试样品安装在旋转桌上距X射线源11.8mm处，同时应保证X射线源与X射线检测器的距离为1 155mm。 该文通过基于阈值选取图像的分割方法再现样品的空隙。该方法运用软件，可以便捷地将样品的集料、钢纤维颗粒、沥青结合料和样品空隙分离开来。 试验结果及分析 黏结层温度含有松散钢 已有研究表明：测试样品感应加热后，其温度一般随钢纤维含量的增大而升高。纤维表面的涡流造成的焦耳损失、电滞现象以及钢纤维交叉结点的接触电阻是造成感应发电生热的原因。接触电阻加热是产生热量的主要途径，其接触量的大小与材料中钢纤维含量有关，随钢纤维含量的增大而呈指数形式增大。因此，钢纤维含量越高的测试样品，感应加热后达到的温度越高。 此外，试样黏结层温度随黏结层层数的增加而降低。由于感应加热产生的总热能只与材料当中钢纤维的含量及分布有关，因此可知：含有较少黏结层的试样却具有较高的观测温度，是因为其传热效率低，热损失较大造成的。分析其原因是钢纤维没有被完全裹覆，沥青瓦与沥青混合料板之间存在气泡。含有3层以上黏结层的试样，其黏结层温度几乎保持不变，证明试样中含有足够的沥青进行高效的热传导。 含有钢丝网及4层黏结层的测试样品黏结层在感应加热后达到的最大温度。由图5可知：采用松散钢纤维及4层黏结层的测试样品在经过40s感应加热后，黏结层所达到的最大温度为50℃，而采用钢丝网(外露面积为37%)的测试样品，仅经过1ｓ感应加热后其黏结层温度就高达220.6℃；试样黏结层感应加热后的温度随钢丝网网格密度的增大而升高。 采用钢丝网的试样在感应加热后黏结层温度远远高于采用松散钢纤维的试样，这是因为相比钢丝网，在采用松散钢纤维时，纤维之间可能存在电绝缘的沥青薄层，从而导致电磁感应发热效率降低。 研究表明：在单向纤维中产生的热量要远小于交叉纤维。钢丝网在加热过程中可使这种效应最大化。此外，由于每个试样都采用了4层黏结层，具有足够的沥青保证其传热效率，因此可排除采用钢丝网试样由于沥青涂层不足，造成能量损失使其温度较高的可能。 6为通过CT扫描及运用ImageJ和Meshlac再现的含有4层黏结层的试样剖面图，其黏结层含有8%体积的气泡，这将对其黏结性质与传热性质造成很大的影响。 TBT’s及SBT’s试验结果 可知：抗拉黏结强度与界面抗剪强度存在线性相关性，其比值约为2.54。剪应力与拉应力可通过一个包含泊松比的公式换算。同时，有研究表明，各向同性弹性材料，如橡胶等，其剪应力与拉应力具有相似的线性关系，因此沥青瓦试样的剪应力与拉应力应服从于大部分由SBS改性沥青组成的黏结层的均一性。此外，在试验中，许多试件是穿透黏结层破坏。 可知：试件抗拉黏结强度与界面抗剪强度随黏结层层数的增多而增大。这与沥青混合料的裂缝自愈合现象十分相似，受到集料与纤维之间的沥青填充密度的影响。当温度升高时，沥青由于受到重力及试件朝向底部的表面张力的影响而流动，因此拥有较厚黏结层的试件具有更高的强度。试样的抗拉强度和抗剪强度大小与该研究采用的感应加热时间范围无关。沥青瓦与沥青混合料面板之间的黏结情况，取决于沥青的黏度以及沥青瓦的重量。 试样的强度大小与感应加热时间无关，这说明：①由于沥青处于高温的时间太短，沥青的黏度在试样的强度形成中不起关键作用；②受沥青瓦重量与黏结层厚度影响的沥青流动是影响试样强度的决定性因素。为了证明该观点，该文设置了感应加热后，将试样置于40℃温度条件下养生3d再进行强度试验的对比试验。可知：40℃条件下养生的试样强度是20℃条件下养生的试样强度的3倍以上，样品强度的形成受压实与沥青填充间隙效果的影响。 可知：试样强度随松散钢纤维外露面积增大而增大。钢纤维仅仅作为感应加热用的元件，并不为沥青材料提供机械强度。研究表明，当试样中含有过多纤维时，这些纤维将团结在一起，阻止存在于纤维之间的沥青裹覆集料，降低试样强度。当沥青瓦采用一层沥青黏结层和最大钢纤维用量时，发生了同样的现象，由于这个原因，沥青瓦与沥青混合料面板甚至无法黏结起来；另一方面，若增大沥青用量或减少纤维用量，则试样的强度将会有所增大。同时，可以发现对试样添加26ｇ钢纤维，即使其外露面积为80%，亦可以产生最大的黏结强度，足够使试样破坏是从沥青混合料面板而不是黏结层破坏。一般来说，当抗拉强度约大于0.33mＰａ时，试样将从沥青混合料面板而不是黏结层被破坏。 含有4层黏结层及钢丝网试样的抗拉强度及抗剪强度。可以发现，平均而言，试样抗拉强度约为抗剪强度的3.26倍。而其强度与采用松散钢纤维时相比，抗剪强度下降54%，抗拉强度下降12%。这是因为松散纤维比钢丝网占据更大的空间，而且可能对试样起一定的加固作用。与采用松散钢纤维的试样相同，加热时间对试样的强度形成没有影响，可通过增大钢丝网的外露面积来提高试样强度。 汉堡车辙试验结果 可知：运用沥青瓦及电磁感应加热进行修补的路面板，其车辙变形较未修补路面板增大了16.9%，而运用冷拌沥青混合料进行坑槽修补的路面板，其车辙变形则约为未修补路面板的40倍，而且这种大的车辙变形与试样养生时间无关。 沥青瓦修补坑槽其抵抗车辙变形能力更强的原因主要有以下两点：①预制沥青瓦较冷拌沥青混合料而言，集料嵌挤更为密实；②沥青瓦修补坑槽时，可使集料、结合料、沥青瓦及原路面材料紧密黏结。同时，相比于冷拌沥青混合料，沥青瓦其制备材料与原路面材料十分相近，制作时可根据交通荷载进行设计，且不需要时间进行硬化。 对比运用冷拌沥青混合料与沥青瓦进行坑槽修补后的路面耐久性，可以发现，运用沥青瓦对路面进行修补，其耐久性远远高于运用冷拌沥青混合料。因此，可以得出结论，沥青瓦电磁感应加热是一种可行的路面坑槽现场修补方法。但是要将坑槽处理为沥青瓦的形状并不容易，特别是如果坑槽中含有松散碎石或泥土，将增大坑槽处理的难度。针对这个问题，在未来的研究中应致力于开发一种易于改变形状且可通过感应能加热的坑槽修补材料。 结论 该文提出了一种通过感应能加热进行坑槽修补的方法，并对其进行了验证。涂覆含有钢纤维的SBS改性沥青黏结层的沥青瓦可以通过感应能进行加热。在进行坑槽修补时，对坑槽进行清理后，将沥青瓦填充至坑槽，通过电磁感应加热使其与旧路面黏结起来。为保证其黏结强度，该文选用具有不同钢纤维数量、钢纤维分布状态，以及黏结层厚度的沥青瓦进行了试验。同时制作了模拟坑槽，并运用沥青瓦修复，通过车辙试验测试了修补路面的耐久性。基于以上研究，得出如下结论： (1)含有较多松散钢纤维或钢丝网且外露面积较低的沥青瓦试件，感应加热时温度增长速率较高。 (2)对于导电颗粒含量固定的沥青瓦试件，增大黏结层厚度，可降低黏结层在感应加热过程中的最大温度，这意味着更有效率的能量传导及更少的能量损失。 (3)沥青瓦试件的抗剪强度与抗拉强度呈显著正相关关系。这种相关关系受导电颗粒分布的影响。例如，采用松散导电颗粒如松散钢纤维时，其抗剪强度较高。这可能是由于它的沥青结合料与钢纤维接触面积更大导致的。 (4)沥青瓦与路面板之间的黏结强度与感应加热时间无关，但受沥青黏结层厚度的影响，黏结层越厚，黏结强度越高。若黏结层太薄，纤维无法被完全包裹，将导致热损失及温度降低。 (5)沥青瓦强度的形成依赖于沥青结合料流动填充至沥青瓦与路面板之间的缝隙。沥青结合料的流动受以下3方面的影响：①黏结层承受的压力，如沥青瓦的重量；②沥青结合料的黏度；③加热后可流动沥青数量。 (6)基于以上结论，若要提高沥青瓦与路面板的黏结力，则在电磁感应加热后对沥青瓦施加较大的压力，比延长加热时间或采用过多的黏结层沥青用量更为有效。 (7)采用沥青瓦修补后的路面板，在模拟交通荷载进行车辙试验后，其车辙变形与未修补路面十分相近，且大约为采用冷拌沥青混合料修补后路面板车辙变形的1/40。
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