CN112362496A - 基于自愈合试验的感应加热功能路面能量转化率评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及沥青路面自愈合技术领域，提供基于自愈合试验的感应加热功能路面能量转化率评价方法，旨在解决感应加热沥青路面对于磁能利用率的优势实验评估问题，包括以下步骤，S1、根据带有磁诱导层的感应加热沥青路面结构，模拟制作以软磁铁氧体颗粒为骨料的磁诱导层车辙板A1,模拟制作以铁屑为骨料的的感应面层车辙板A2，另制作不加入感应介质的车辙板A3作为对照组，车辙板A2切割成长条形的小梁试件；S2、将制成的小梁试件取出m个和2×n个，通过三点弯曲试验机分别进行三点弯曲试验，获取初始断裂强度。本发明具有较高的社会使用价值和应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及沥青路面自愈合技术领域，具体涉及基于自愈合试验的感应加热功能路面能量转化率评价方法。
背景技术
感应加热沥青路面以其广泛的应用范围和较高的加热效率而得到广泛的应用。但现有的感应加热沥青路面结构简单、感应材料单一，在能量转换效率和有效加热深度方面均有提高潜力。因此，提出拥有磁诱导层的新感应加热沥青路面(IHAP-MCL)，可以同时改善上述性能。
这种新型感应加热沥青路面的技术特点是设置有上下两层感应铺装层结构，其上部磨耗层添加的感应介质电阻小、导热效果好，主要负责产生热量，一般为铁屑、钢纤维；下部导磁层的感应介质采用软磁性材料，磁导率高、电阻大，与交变磁场耦合时产生涡流小、消耗磁能少。通过软磁性材料来引导磁场，实现调控磁场的定向分布以及减少磁能在磁路中消耗的目的，借此诱导更多的磁能向磨耗层中的感应介质集中转化，相较于现有技术，可从本质上提升感应加热速率、改善有效加热深度、减小路面温度梯度和能耗，更好地实现路面功能效果，显著降低其服役期间的使用和养护成本。
但目前这种新型路面的设计优化还停留在理论分析阶段。在衡量其相比传统结构的对于磁能利用率的优势时，缺乏切实可行的实验评估方法。为此，我们提出了一种基于自愈合试验的感应加热功能路面能量转化率评价方法。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于自愈合试验的感应加热功能路面能量转化率评价方法，克服了现有技术的不足，设计合理，结构紧凑，旨在解决感应加热沥青路面对于磁能利用率的优势实验评估问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
基于自愈合试验的感应加热功能路面能量转化率评价方法，其特征在于，包括以下步骤，；
S1、根据带有磁诱导层的感应加热沥青路面结构，模拟制作以软磁铁氧体颗粒为骨料的磁诱导层车辙板A1,模拟制作以铁屑为骨料的的感应面层车辙板A2，另制作不加入感应介质的车辙板A3作为对照组，车辙板A2切割成长条形的小梁试件；
S2、将制成的小梁试件取出m个和2×n个，通过三点弯曲试验机分别进行三点弯曲试验，获取初始断裂强度F0；
S3、将m个断裂小梁试件分别对应拼接，并用隔热布料包裹后夹具紧固，分别置于感应加热设备的加热范围内，进行m组自愈合试验一,加热时长为ti＝i×t0(i＝1、2、...m)，令t0内试件感应生热总量为Q0，m组试件的感应生热总量为Qi＝i×Q0；
S4、将步骤S3中自愈合的小梁试件静置24小时后取出，进行第二次三点弯曲试验，获取断裂强度Fi，将Fi与F0进行比较和计算，得到试件的强度恢复率ηi；
S5、根据强度恢复率ηi以及试件生热总量Qi的数据，拟合出试件生热总量和强度恢复率的函数关系式：Q＝f(η)；
S6、将第一组n个断裂小梁试件分别对应拼接，用隔热布料包裹后夹具紧固，并依次叠起，置于以车辙板A1为底层板的感应加热设备加热范围内，进行自愈合试验二；
S7、将步骤S6中自愈合的小梁试件取出，进行第三次三点弯曲试验，获取断裂强度Fj1，并将所得数据与F0进行比较，得到试件的强度恢复率ηj1(j＝1、2、…n)；
S8、作为自愈合试验二的对照组，将车辙板A1置换为车辙板A3并重复步骤S6，对第二组n个断裂小梁试件进行自愈合试验三，试验完成后将自愈合的小梁试件取出，进行第四次三点弯曲试验，获取断裂强度Fj2，并将所得数据与F0进行比较，得到试件的强度恢复率ηj2(j＝1、2、…n)；
S9、根据步骤S5所得试件生热总量和强度恢复率的函数关系式：Q＝f(η)，代入步骤S7所得强度恢复率ηj1(j＝1、2、…n)和步骤S8所得强度恢复率率ηj2(j＝1、2、…n)，得到Qj1和Qj2(j＝1、2、…n)，计算得出能量转化率提升系数γ和能量转化梯度优化系数β。
优选的，所述同一组实验组中使用的小梁试件均由一块车辙板切割而成，所有实验均设置三个平行实验组，参数由三组实验数据平均得出。
优选的，所述步骤S3中，单个小梁试件a1分别以预先设定好的功率法p、频率f参数启动感应加热设备，进行m组实验。
优选的，所述步骤S9中，能量转化率提升系数γ，基于感应面层将磁能转化为电能的原理，表达式为：
能量转化梯度优化系数β，用于表征磁诱导层对感应面层能量梯度转化的改善效果，表达式为：
优选的，所述步骤S3、S6和S8中，包裹小梁试件的隔热布料由石棉纤维纺织而成，紧固小梁试件的夹具由环氧树脂制成。
优选的，所述步骤S1中，小梁试件正中的一侧表面上切有预锯缝，进行三点弯曲实验时，带有预锯缝的一面向下摆放。
(三)有益效果
本发明实施例提供了一种基于自愈合试验的感应加热功能路面能量转化率评价方法，具备以下有益效果：
1、本发明根据带有磁诱导层的新型感应加热沥青路面结构，基于磁能转化为热能的原理，提出能量转化率提升系数γ，当γ增大时，表明线圈发出的磁能中有更大比例的能量能够被感应面层所利用，并转化成热能；γ直观地反映了感应面层在磁能利用率上的提升效果，对于新型路面结构的优化设计具有参考意义。
2、本发明根据带有磁诱导层的新型感应加热沥青路面结构，基于磁能转化为热能的原理，提出能量转化梯度优化系数β，当β增大时，表明带有磁诱导层的实验组比起无磁诱导层的对照组来说，距离线圈距离由远到近的小梁发热量数值变化更加平缓，证明交变磁场在感应面层中的分布更加均匀、衰减更加平缓，有效加热深度也因此更大；β直观地反映了磁诱导层对于感应面层在能量梯度转化状况的改善和加热深度的优化效果，对于新型路面结构的优化设计具有参考意义。
3、感应加热沥青混合料是一种复杂的多相材料，真正能被加热且作为热源的是随机分散的感应介质材料，但感应介质的传热受到感应介质的三维空间随机分散状态、空隙、沥青和集料的三维空间状态的影响，因此想通过试验获得小梁的准确发热量是十分困难的。而因为小梁的自愈合效果与发热量呈正相关关系，而感应生热总量又与加热时长成正比关系，本发明以小梁样件的强度恢复率η来表征感应生热总量Q，将相同的小梁在相同条件下加热不同时长ti＝i×t0(i＝1、2、...m)，对难以精确求得的感应生热总量采用归一化处理，令t0内试件感应生热总量为Q0，其余试件的感应生热总量为Qi＝i×Q0，再综合通过三点弯曲试验获得的强度恢复率η拟合出函数关系式：Q＝f(η)，此方法可以在脱离计算机模拟软件的情况下，通过实验方法，以小梁样件的强度恢复率η来准确表征感应生热总量Q，可直接比较不同小梁试件感应生热总量的大小和比例关系，具有较高的准确度和可操作性。
4、小梁试件在进行自愈合实验时，由石棉布包裹着，在不影响磁场通过的前提下，消除了试件之间的热量传递，同时减少了热量耗散，使得感应加热产生的热量集中用于自愈合，让计算出的热量更接近于小梁试件感应生热的总量，提升了实验的准确性。
5、小梁试件在进行自愈合实验时，由环氧树脂材质的夹具固定，一方面使得试件的裂缝两侧界面能够紧密贴合，减少了缝隙中的空气，使自愈合的效果更加明显，使得所吸收的热量更为准确地反映在断裂强度上，间接使计算出的热量更为准确，另一方面可以防止热胀冷缩带来的位移和石棉布脱落等问题，提高了实验的准确度。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对基于自愈合试验的感应加热功能路面能量转化率评价方法的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1为本发明中小梁试件的结构示意图；
图2为本发明中石棉布包裹的小梁试件结构示意图；
图3为本发明中石棉布包裹的小梁试件与夹具的结构示意图；
图4为本发明中单个石棉布包裹的小梁试件进行自愈合试验的示意图；
图5为本发明中多个石棉布包裹的小梁试件进行自愈合试验的示意图；
图6为本发明中小梁试件进行三点弯曲试验的结构示意图。
图中：1、小梁试件；1-1、预锯缝；2、石棉布包裹的小梁试件；3、夹具；4、磁诱导层车辙板；5、感应加热设备；5-1、感应线圈；6-1、载荷；6-2、支撑点。
具体实施方式
下面结合附图1-6和实施例对本发明进一步说明：
实施例1
基于自愈合试验的感应加热功能路面能量转化率评价方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1、根据带有磁诱导层的感应加热沥青路面结构，模拟制作以软磁铁氧体颗粒为骨料的磁诱导层车辙板A1,模拟制作以铁屑为骨料的的感应面层车辙板A2，另制作不加入感应介质的车辙板A3作为对照组，车辙板A2切割成长条形的小梁试件1；
S2、将制成的小梁试件1取出m个和2×n个，通过三点弯曲试验机分别进行三点弯曲试验，获取初始断裂强度F0；
其中，三点弯曲试验如图6所示，小梁试件1横置于两个支撑点6-2上，载荷6-1下行对小梁试件1施压，进行三点弯曲试验，结合图1所示，所述步骤S1中，小梁试件1正中的一侧表面上切有预锯缝1-1，进行三点弯曲实验时，带有预锯缝的一面向下摆放。
S3、将m个断裂小梁试件1分别对应拼接，并用隔热布料包裹后夹具紧固，如图2-4所示，石棉布包裹的小梁试件2通过夹具3实现紧固，分别置于感应加热设备5的感应线圈5-1加热范围内，进行m组自愈合试验一,加热时长为ti＝i×t0(i＝1、2、...m)，令t0内试件感应生热总量为Q0，m组试件的感应生热总量为Qi＝i×Q0；
S4、将步骤S3中自愈合的小梁试件1静置24小时后取出，进行第二次三点弯曲试验，获取断裂强度Fi，将Fi与F0进行比较和计算，得到试件的强度恢复率ηi；
S5、根据强度恢复率ηi以及试件生热总量Qi的数据，拟合出试件生热总量和强度恢复率的函数关系式：Q＝f(η)；
S6、如图5所示，将第一组n个断裂小梁试件1分别对应拼接，小梁试件1通过石棉布包裹并通过夹具3实现紧固，石棉布包裹的小梁试件2依次叠起，置于以磁诱导层车辙板4为底层板的感应加热设备加热范围内，进行自愈合试验二；
S7、将步骤S6中自愈合的小梁试件1取出，进行第三次三点弯曲试验，获取断裂强度Fj1，并将所得数据与F0进行比较，得到试件的强度恢复率ηj1(j＝1、2、…n)；
S8、作为自愈合试验二的对照组，将车辙板A1置换为车辙板A3并重复步骤S6，对第二组n个断裂小梁试件1进行自愈合试验三，试验完成后将自愈合的小梁试件1取出，进行第四次三点弯曲试验，获取断裂强度Fj2，并将所得数据与F0进行比较，得到试件的强度恢复率ηj2(j＝1、2、…n)；
S9、根据步骤S5所得试件生热总量和强度恢复率的函数关系式：Q＝f(η)，代入步骤S7所得强度恢复率ηj1(j＝1、2、…n)和步骤S8所得强度恢复率率ηj2(j＝1、2、…n)，得到Qj1和Qj2(j＝1、2、…n)，计算得出能量转化率提升系数γ和能量转化梯度优化系数β。
本实施例中，所述同一组实验组中使用的小梁试件均由一块车辙板切割而成，所有实验均设置三个平行实验组，参数由三组实验数据平均得出，确保结果准确。
本实施例中，所述步骤S3中，根据感应介质在路面结构中的随机分布特性，精确求得单个小梁试件的感应生热总量在实验上存在困难，因此令单个小梁试件a1分别以预先设定好的功率法p、频率f参数启动感应加热设备，进行m组实验，保证试验结果准确。
本实施例中，所述步骤S9中，能量转化率提升系数γ，基于感应面层将磁能转化为电能的原理，表达式为：
当γ增大时，表明线圈发出的磁能中有更大比例的能量能够被感应面层所利用，并转化成热能；γ直观地反映了新型路面相比于常规感应加热沥青路面的优势，即感应面层在磁能利用率上的提升效果，对于新型路面结构的优化设计具有参考意义；
能量转化梯度优化系数β，用于表征磁诱导层对感应面层能量梯度转化的改善效果，表达式为：
当β增大时，表明带有磁诱导层的实验组比起无磁诱导层的对照组来说，距离线圈距离由远到近的小梁发热量数值变化更加平缓，证明交变磁场在感应面层中的分布更加均匀、衰减更加平缓，加热深度也因此更大；β直观地反映了新型路面相比于常规感应加热沥青路面的优势，即磁诱导层对于感应面层在能量梯度转化状况的改善和加热深度的优化效果，对于新型路面结构的优化设计具有参考意义。
本实施例中，所述步骤S3、S6和S8中，包裹小梁试件1的隔热布料由石棉纤维纺织而成，在不影响磁场通过的前提下，消除了试件之间的热量传递，同时减少了热量耗散，使得感应加热产生的热量集中用于自愈合，让计算出的热量更接近于小梁试件感应生热的总量，提升了实验的准确性；
紧固小梁试件1的夹具3由环氧树脂制成，一方面使得试件的裂缝两侧界面能够紧密贴合，减少了缝隙中的空气，使自愈合的效果更加明显，使得所吸收的热量更为准确地反映在断裂强度上，间接使计算出的热量更为准确，另一方面可以防止热胀冷缩带来的位移和石棉布脱落等问题，提高了实验的准确度。
本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.基于自愈合试验的感应加热功能路面能量转化率评价方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1、根据带有磁诱导层的感应加热沥青路面结构，模拟制作以软磁铁氧体颗粒为骨料的磁诱导层车辙板A1,模拟制作以铁屑为骨料的的感应面层车辙板A2，另制作不加入感应介质的车辙板A3作为对照组，车辙板A2切割成长条形的小梁试件；
S2、将制成的小梁试件取出m个和2×n个，通过三点弯曲试验机分别进行三点弯曲试验，获取初始断裂强度F0；
S3、将m个断裂小梁试件分别对应拼接，并用隔热布料包裹后夹具紧固，分别置于感应加热设备的加热范围内，进行m组自愈合试验一,加热时长为ti＝i×t0(i＝1、2、...m)，令t0内试件感应生热总量为Q0，m组试件的感应生热总量为Qi＝i×Q0；
S4、将步骤S3中自愈合的小梁试件静置24小时后取出，进行第二次三点弯曲试验，获取断裂强度Fi，将Fi与F0进行比较和计算，得到试件的强度恢复率ηi；
S5、根据强度恢复率ηi以及试件生热总量Qi的数据，拟合出试件生热总量和强度恢复率的函数关系式：Q＝f(η)；
S6、将第一组n个断裂小梁试件分别对应拼接，用隔热布料包裹后夹具紧固，并依次叠起，置于以车辙板A1为底层板的感应加热设备加热范围内，进行自愈合试验二；
S7、将步骤S6中自愈合的小梁试件取出，进行第三次三点弯曲试验，获取断裂强度Fj1，并将所得数据与F0进行比较，得到试件的强度恢复率ηj1(j＝1、2、…n)；
S8、作为自愈合试验二的对照组，将车辙板A1置换为车辙板A3并重复步骤S6，对第二组n个断裂小梁试件进行自愈合试验三，试验完成后将自愈合的小梁试件取出，进行第四次三点弯曲试验，获取断裂强度Fj2，并将所得数据与F0进行比较，得到试件的强度恢复率ηj2(j＝1、2、…n)；
S9、根据步骤S5所得试件生热总量和强度恢复率的函数关系式：Q＝f(η)，代入步骤S7所得强度恢复率ηj1(j＝1、2、…n)和步骤S8所得强度恢复率率ηj2(j＝1、2、…n)，得到Qj1和Qj2(j＝1、2、…n)，计算得出能量转化率提升系数γ和能量转化梯度优化系数β。
2.如权利要求1所述的基于自愈合试验的感应加热功能路面能量转化率评价方法，其特征在于：所述同一组实验组中使用的小梁试件均由一块车辙板切割而成，所有实验均设置三个平行实验组，参数由三组实验数据平均得出。
3.如权利要求1所述的基于自愈合试验的感应加热功能路面能量转化率评价方法，其特征在于：所述步骤S3中，单个小梁试件a1分别以预先设定好的功率法p、频率f参数启动感应加热设备，进行m组实验。
4.如权利要求1所述的基于自愈合试验的感应加热功能路面能量转化率评价方法，其特征在于：所述步骤S9中，能量转化率提升系数γ，基于感应面层将磁能转化为电能的原理，表达式为：
能量转化梯度优化系数β，用于表征磁诱导层对感应面层能量梯度转化的改善效果，表达式为：
5.如权利要求1所述的基于自愈合试验的感应加热功能路面能量转化率评价方法，其特征在于：所述步骤S3、S6和S8中，包裹小梁试件的隔热布料由石棉纤维纺织而成，紧固小梁试件的夹具由环氧树脂制成。
6.如权利要求1所述的基于自愈合试验的感应加热功能路面能量转化率评价方法，其特征在于：所述步骤S1中，小梁试件正中的一侧表面上切有预锯缝，进行三点弯曲实验时，带有预锯缝的一面向下摆放。
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|---|---|---|---|---|
| CN113789695A (zh) * | 2021-10-21 | 2021-12-14 | 安徽建筑大学 | 一种冻土区微波加热自愈合路面的材料组成设计方法 |
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| JP2009128171A (ja) * | 2007-11-22 | 2009-06-11 | Toyota Motor Corp | 耐熱材試験装置、耐熱材試験方法およびテストピース |
| CN107290212A (zh) * | 2016-03-30 | 2017-10-24 | 交通运输部公路科学研究所 | 一种排水沥青混合料接缝黏结强度的评价方法 |
| CN110453562A (zh) * | 2019-08-12 | 2019-11-15 | 南京林业大学 | 基于纳米碳纤维提高冷拌沥青混合料自愈合的方法 |
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2020
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| CN113789695A (zh) * | 2021-10-21 | 2021-12-14 | 安徽建筑大学 | 一种冻土区微波加热自愈合路面的材料组成设计方法 |
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