CN115652721A - 一种用于自愈合路面的分层微波诱导结构的掺量设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于自愈合路面的分层微波诱导结构的掺量设计方法，涉及沥青混凝土微波加热领域。所述微波加热路面的上面层为掺有热阻材料和电阻型微波诱导材料的环氧沥青混合料制成，中、下面层为掺有短切碳纤维的沥青混合料制成，所述路面掺量设计方法为通过设置断裂—愈合—断裂试验，结合试验拟合上面层各组分掺量与愈合率之间的关系，得到上面层的初始掺量与愈合时间，将愈合时间代入温度补偿公式，从中解出中、下面层的初始掺量，通过试验判断初始掺量是否需要修正，获得最佳掺量。本发明通过控制不同材料的掺量，改变各面层的热物参数与吸波能力，实现在微波加热自愈合过程中减少路面各层垂直温度梯度、改善自愈合不均匀现象的目的。

Description

一种用于自愈合路面的分层微波诱导结构的掺量设计方法

技术领域：

本发明涉及沥青混凝土微波加热领域，具体涉及一种适用于自愈合路面的分层微波诱导结构掺量设计方法。

背景技术：

沥青混凝土路面经受行车荷载、老化或低温收缩后，会在路面内部产生微小的裂缝，经积累传播后逐渐发展成为宏观的可见裂缝，并最终导致更严重的路面疲劳损坏如冻胀和坑槽，严重影响道路使用性能。而沥青作为一种热塑性材料，具有在合适的温度下自我修复愈合微裂缝的能力。微波加热技术作为发展迅速的环保型感应加热技术，已经在大量领域得到广泛的运用。普通的沥青混合料路面对微波的响应较差，直接通过微波加热能量利用率很低。因此有研究者提出在路面材料内掺入微波诱导材料，在微波照射下，路面中的微波诱导材料可以将微波的能量转换为热能，再以热传递的形式加热路面。

但实践中发现，在传统的微波加热自愈合路面设计中，当使用微波加热较厚的路面时会出现这一现象：靠近微波发射口的位置温度较高，远离微波发射口的位置温度较低。因此靠近微波发射口的上面层容易过愈合，甚至受热老化，而远离微波发射口的位置尚未达到愈合温度，无法有效地自愈合。并且由于温度分布不均，在路面内部中将会产生热应力，不仅会影响路面的自愈合效果，甚至会对结构造成新的损伤。因此需要提出新的路面结构和掺量设计方法，降低微波加热时路面纵向的温度梯度，使得路面不同纵深处的自愈合程度良好、均匀。

发明内容：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于自愈合路面的分层微波诱导结构的掺量设计方法，有效实现路面结构中的上面层产热较多而升温慢，中、下面层产热较少而升温快的功能，并通过计算合适的掺量，可以实现路面上、中、下三面层温度均匀的目的。

为实现上述目的，本发明的掺量设计技术方案是由以下步骤实现的：

一种用于自愈合路面的分层微波诱导结构的掺量设计方法，所述路面结构包括上面层、中面层和下面层，所述上面层由掺有热阻材料和电阻型微波诱导材料的环氧沥青混合料制成，中面层和下面层均由掺有短切碳纤维的SBS改性沥青混合料制成；

优选的，在上面层组分设计中，热阻材料可以是陶粒、空心瓷珠、玻璃微珠中的一种，电阻型微波诱导材料可以是炭黑、导电石墨、碳化硅中的一种；

掺量设计的具体方式为：

S1：确定沥青混合料中使用的沥青型号以及集料、掺料的种类，并结合现场条件与所使用沥青型号，确定所需要的愈合温度T_h；

S2：设置不同掺量的热阻材料和电阻型微波诱导材料各n组(n≥4)的正交试验，制备对应掺量比例的沥青混合料三点断裂小梁试件进行断裂—愈合—断裂试验，拟合愈合率和掺量之间的关系，得到上面层的初始掺量和对应的愈合时间t_e；

优选的，所述三点断裂小梁试件可通过以下方式制备：

①：将热阻材料、电阻型微波诱导材料和其余集料在设定为120℃的烘箱中烘干4个小时。

②：将环氧树脂、沥青混合料、固化剂、生石灰按生产厂商的指导比例在120℃下充分混合，得到环氧沥青混合料；

③：将①中烘干后的全部集料在设定为120℃的拌锅中搅拌均匀，再加入S1-2中制备的环氧沥青混合料充分搅拌，并保温1小时以上作为留存时间；

④：对混合料进行双面击实75次，并放入设定为120℃的烘箱中养生4小时以上；

⑤：将养生完毕的混合料放置室温脱模，得到不同掺量下规格为25mm*30mm*250mm的小梁试件；

⑥：在制成的小梁跨中、偏中20mm和偏中40mm处切出深为15mm的预切口；

具体试验步骤如下：

S2-1：在20-40mm/min的加载速度下，对小梁试件施加荷载直至断裂，记录极限荷载H₁和小梁从承受荷载到断裂的时间t₁；

S2-2：将断裂的试件放置在微波照射下，当试件温度下表面温度达到T_h时，停止加热，并将小梁置于常温下冷却24h，得到愈合后的试件；

S2-3：对愈合后的试件重复S2-2中的试验，记录极限荷载H₂和小梁从承受荷载到断裂的时间t₂；

S2-4：根据愈合率计算公式

在不同的掺量设计下，以HI为因变量，热阻材料、电阻型微波诱导材料的掺量为自变量，在三维坐标系中绘制函数图像；

S2-5：由于随着热阻材料与电阻型微波诱导材料的掺量增大，愈合率均呈现为先增大后减小的趋势，所以绘制的图像中存在唯一的峰值，取图像峰值处的横纵坐标作为上面层的初始掺量，并以此掺量制备新的小梁试件，记录在微波照射下该试件下表面位置被加热到T_h的时间t_e；

S3：结合愈合温度T_h、愈合时间t_e、以及微波热功率P_i，计算出中、下面层的初始掺量：

所述中、下面层的初始掺量通过给出的温度补偿公式计算：

其中：η_j—第i层沥青混合料中成分j的体积分数；C_i(η_j)—第i层结合料的热容量(J·kg^-1℃^-1)；ρ_i(η_j)—第i层结合料的密度(kg/m³)；a—微波加热设施的有效加热面积(m²)；L_i—第i层面层的厚度(m)；T₀—环境温度(℃)，P_i—第i层的微波热功率(J/s)；

式中的微波热功率P_i由以下公式给出：

P_i＝2πfε₀ε″_i(η_j)E_i ²

其中：P_i—第i层的微波热功率(J/s)；f—微波频率(s^-1)；ε₀—真空介电常数；ε″_i(η_j)—第i层结合料的介电损耗常数；E_i—第i层处的微波电场强度(V/m)；

所述式中环境温度T₀在现场测量获得，ρ_i(η_j)、C_i(η_j)、ε″_i(η_j)均与各组分掺量η_j相关，第i层材料的厚度L_i由相应道路设计规范获得，微波频率f、有效加热面积a由实际所使用的设备参数获得，第i层处的微波电场强度E_i可以通过电磁强度分析仪测量获得；

S4：按照S3计算获得的初始掺量制作小梁试件，进行断裂—愈合—断裂试验，根据试验结果评价梯度愈合率，根据评价结果判断是否需要对掺量进行修正，具体包括以下步骤：

S4-1：按照计算出的初始掺量制备中、下面层的三点断裂小梁试件；

S4-2：在20-40mm/min的速度下，将三层的小梁分别施加荷载至断裂，记录各层的断裂极限荷载H₁和负载时间t₁，之后将三层小梁按上下顺序叠加在微波照射下愈合，愈合时长为t_e，并记录愈合停止时各面层的下表面温度T_zi；

S4-3：将小梁试件按上下顺序叠加放置在室温下冷却24h，对愈合过后的三层小梁再次分别施加荷载至断裂，记录各层的断裂极限荷载H₂和负载时间t₂，计算各层的愈合率

S4-4：计算第i层的愈合均匀度评价指标

式中，

为三层试件愈合率的平均值，σ为愈合率的标准差，若某层的Z_i值为负且≤-1.5，则认为该层的愈合效果欠佳，需要对掺量进行修正；

S4-5：对于需要调整掺量的面层，比较该层的

和T_h，若：

①

则判断该层为欠愈合，需要适当增加电阻型微波诱导材料的掺量；

②

则判断该层为过愈合，需要适当减少电阻型微波诱导材料的掺量；

并重复上述试验步骤，直到各层的Z_i值均满足要求，获得最佳掺量。

有益效果：

(1)本发明提出一种能够减少在微波加热自愈合时梯度愈合现象的沥青混凝土路面结构，通过在上面层掺入热阻材料与电阻型微波诱导材料，在中、下面层掺入短切碳纤维，实现路面上面层产热较多而升温慢，中、下面层产热较少而升温快的功能，在合适的掺量设计下，具有此种功能的路面可以实现在微波照射时路面三层的温度都比较均匀的效果，从而减小沥青路面不同纵深处在微波加热过程中的温度梯度，有效提升路面自愈合水平的均匀程度。

(2)本发明给出了有益效果(1)中所述路面结构中各组分掺量的设计方法，只需对上面层进行一次试验，通过拟合上面层掺量与愈合率之间的函数图像，取曲线峰值处的坐标为上面层的最佳掺量，并记录获得此掺量下所需要的愈合时间t_e，将t_e代入温度补偿公式计算，即可解出中、下面层的掺量，在此最佳掺量设计下的路面接受微波加热自愈合时，经过t_e时长的微波照射，三层路面结构将同时接近愈合温度T_h，避免大量试验，节省经济成本和时间。

(3)本发明的掺量设计方法基于最大愈合率，首先设置断裂—愈合—断裂试验，依据三点断裂试验结果拟合以愈合率为因变量，热阻材料与电阻型微波诱导材料的掺量为自变量的函数图像，结合图像峰值，即愈合率最大处取得初始掺量，因此本发明的设计方法在提升层间自愈合均匀程度的前提下，同时也能保证整体愈合效果良好。

(4)本发明在上面层组分设计中使用环氧沥青混合料，增强沥青混合料的黏结性，使热阻材料与混合料结合密实，路面结构更加稳定，并且环氧沥青具有较小的介电虚部，有利于更多的微波能量透过上面层通往中、下面层。

附图说明：

1、图1是本发明掺量设计方法的流程及对应的步骤示意图；

2、图2是本发明沥青路面面层结构示意图；

3、图3是本发明的三点断裂小梁试件示意图；

图中：1—上面层、2—中面层、3—下面层、4—热阻材料、5—电阻型微波诱导材料、6—环氧沥青混合料、7—短切碳纤维、8—SBS改性沥青混合料、9—预切口。

具体实施方式：

下面将进一步对本发明的具体实施方法进行详细说明：

用于自愈合路面的分层微波诱导结构的掺量设计方法，所述路面结构包括上面层、中面层和下面层；所述上面层由掺有热阻材料和电阻型微波诱导材料的环氧沥青混合料制成；

在上面层中，使用环氧沥青混合料不仅可以增强对热阻材料的粘附性，使路面结构更加稳定，并且环氧沥青具有较小的介电虚部，有利于更多的微波能量透过上面层通往中、下面层，电阻型微波诱导材料起到吸收微波能量的作用，热阻材料增大了上面层混合料的热容量，降低了上面层的传热和导热能力，避免上面层的沥青因温度过高而老化；

在中、下面层的组分中，短切碳纤维是一种导热性能优良的电阻型微波诱导材料，在利用微波能量发热的同时，还起到了增大中、下面层热扩散、热传导能力的作用；

在上面层组分设计中，所述热阻材料为陶粒、空心瓷珠、玻璃微珠中的任意一种，电阻型微波诱导材料为炭黑、导电石墨、碳化硅中的任意一种；

结合需求确认所使用的沥青型号以及骨料、填料、热阻材料、电阻型微波诱导材料的类别，并按以下步骤进行掺量设计：

S1：确定沥青混合料中使用的沥青型号以及集料、掺料的种类，并结合现场条件与所使用沥青型号，确定所需要的愈合温度T_h；

S2：设置不同掺量的热阻材料和电阻型微波诱导材料各n组(n≥4)的正交试验，制备对应掺量比例的沥青混合料三点断裂小梁试件进行断裂—愈合—断裂试验，拟合愈合率和掺量之间的关系，得到上面层的初始掺量和对应的愈合时间t_e；

具体试验步骤如下：

S2-1：在20-40mm/min的加载速度下，对小梁试件施加荷载直至断裂，记录极限荷载H₁和小梁从承受荷载到断裂的时间t₁；

S2-2：将断裂的试件放置在微波照射下，当试件温度下表面温度达到T_h时，停止加热，并将小梁置于常温下冷却24h，得到愈合后的试件；

S2-3：对愈合后的试件重复S2-2中的试验，记录极限荷载H₂和小梁从承受荷载到断裂的时间t₂；

S2-4：根据愈合率计算公式

在不同的掺量设计下，以HI为因变量，热阻材料、电阻型微波诱导材料的掺量为自变量，在三维坐标系中绘制函数图像；

S2-5：由于随着热阻材料与电阻型微波诱导材料的掺量增大，愈合率均呈现为先增大后减小的趋势，所以绘制的图像中存在峰值，取图像峰值处的横纵坐标作为上面层的初始掺量，并以此掺量制备新的小梁试件，记录在微波照射下该试件下表面位置被加热到T_h的时间t_e；

S3：结合沥青与各掺料的介电损耗、密度、热容量，将C_i(η_j)、ρ_i(η_j)、P_i使用η_j表示，把愈合温度T_h、愈合时间t_e、微波热功率P_i、第i层的热容量C_i(η_j)、第i层的密度ρ_i(η_j)代入温度补偿公式，解出中、下面层的各组分初始掺量：

其中：η_j—第i层沥青混合料中成分j的体积分数；C_i(η_j)—第i层结合料的热容量(J·kg^-1℃^-1)；ρ_i(η_j)—第i层结合料的密度(kg/m³)；a—微波加热设施的有效加热面积(m²)；L_i—第i层面层的厚度(m)；T₀—环境温度(℃)，P_i—第i层的微波热功率(J/s)；

式中的微波热功率P_i由以下公式给出：

P_i＝2πfε₀ε″_i(η_j)E_i ²

其中：P_i—第i层的微波热功率(J/s)；f—微波频率(s^-1)；ε₀—真空介电常数；ε″_i(η_j)—第i层结合料的介电损耗常数；E_i—第i层处的微波电场强度(V/m)；

所述式中ε″_i可以通过下式求出：

其中：η_j—第i层混合料中成分j的体积分数；ε″_j—第i层结合料中成分j的介电损耗

ρ_i可以通过下式求出：

ρ_i(η_j)＝∑η_jρ_j

其中：η_j—第i层混合料中成分j的体积分数；ρ_j—第i层结合料中成分j的密度。

C_i可以通过下式求出：

C_i(η_j)＝Ση_jC_jρ_j

其中：η_j—第i层混合料中成分j的体积分数；C_j—第i层结合料中成分j的热容量；

ρ_j—第i层结合料中成分j的密度；

所述式中，环境温度T₀在现场测量获得，第i层材料的厚度L_i由相应道路设计规范获得，微波频率f、有效加热面积a由实际所使用的设备参数获得，第i层处的微波电场强度E_i可以通过电磁强度分析仪测量获得；

S4：按照S3计算获得的初始掺量制作小梁试件，进行断裂—愈合—断裂试验，根据试验结果评价梯度愈合率，根据评价结果判断是否需要对掺量进行修正，具体包括以下步骤：

S4-1：按照计算出的初始掺量制备中、下面层的三点断裂小梁试件；

S4-2：在20-40mm/min的速度下，将三层的小梁分别施加荷载至断裂，记录各层的断裂极限荷载H₁和负载时间t₁，之后将三层小梁按上下顺序叠加在微波照射下愈合，愈合时长为t_e，并记录愈合停止时各面层的下表面温度

；

S4-3：将小梁试件按上下顺序叠加放置在室温下冷却24h，对愈合过后的三层小梁再次分别施加荷载至断裂，记录各层的断裂极限荷载H₂和负载时间t₂，计算各层的愈合率

S4-4：计算第i层的愈合均匀度评价指标

式中，

为三层试件愈合率的平均值，σ为愈合率的标准差，若某层的Z_i值为负且≤-1.5，则认为该层的愈合效果欠佳，需要对掺量进行修正；

S4-5：对于需要调整掺量的面层，比较该层的

和T_h，若：

①

则判断该层为欠愈合，需要适当增加电阻型微波诱导材料的掺量；

②

则判断该层为过愈合，需要适当减少电阻型微波诱导材料的掺量；

并重复上述试验步骤，直到各层的Z_i值均满足要求，获得最佳掺量。

当在此最佳掺量设计下的路面接受微波加热自愈合时，经过t_e时长的微波照射，三层路面结构同时接近愈合温度T_h，从而改善梯度自愈合现象。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种用于自愈合路面的分层微波诱导结构的掺量设计方法，其特征在于，所述适用于微波加热的分层热诱导路面包括在基层之上自上而下设置的上面层、中面层和下面层，所述上面层为掺有热阻材料和电阻型微波诱导材料的环氧沥青混合料制成，所述中、下面层均为掺有短切碳纤维的SBS改性沥青混合料制成；

所述路面结构的掺量设计方法包括以下步骤：

S1：确定沥青混合料中使用的沥青型号以及集料、掺料的种类，并结合现场条件与所使用沥青型号，确定所需要的愈合温度T_h；

S2：设置不同掺量的热阻材料和电阻型微波诱导材料各n组，其中n≥4，进行正交试验，制备对应掺量比例的沥青混合料三点断裂小梁试件进行断裂—愈合—断裂试验，拟合愈合率和掺量之间的关系，得到上面层的初始掺量和对应的愈合时间t_e；

具体试验步骤如下：

S2-1：在20-40mm/min的加载速度下，对小梁试件施加荷载直至断裂，记录极限荷载H₁和小梁从承受荷载到断裂的时间t₁；

S2-2：将断裂的试件放置在微波照射下，当试件温度下表面温度达到T_h时，停止加热，并将小梁置于常温下冷却24h，得到愈合后的试件；

S2-3：对愈合后的试件重复S2-2中的试验，记录极限荷载H₂和小梁从承受荷载到断裂的时间t₂；

S2-4：根据愈合率计算公式

在不同的掺量设计下，以HI为因变量，热阻材料、电阻型微波诱导材料的掺量为自变量，在三维坐标系中绘制函数图像；

S2-5：在所绘制的图像中，取图像峰值处的横纵坐标作为上面层的初始掺量，并以此掺量制备新的小梁试件，记录在微波照射下该试件下表面位置被加热到T_h的时间t_e；

S3：结合愈合温度T_h、愈合时间t_e、微波热功率P_i，计算出中、下面层的初始掺量；

S4：按照S3计算获得的初始掺量制作小梁试件，进行断裂—愈合—断裂试验，根据试验结果评价梯度愈合率，根据评价结果判断是否需要对掺量进行修正，具体包括以下步骤：

S4-1：按照计算出的初始掺量制备中、下面层的三点断裂小梁试件；

S4-2：在20-40mm/min的速度下，将三层的小梁分别施加荷载至断裂，记录各层的断裂极限荷载H₁和负载时间t₁，之后将三层小梁按上下顺序叠加在微波照射下愈合，愈合时长为t_e，并记录愈合停止时各面层的下表面温度

S4-3：将小梁试件按上下顺序叠加放置在室温下冷却24h，对愈合过后的三层小梁再次分别施加荷载至断裂，记录各层的断裂极限荷载H₂和负载时间t₂，计算各层的愈合率

S4-4：计算第i层的愈合均匀度评价指标

式中，

为三层试件愈合率的平均值，σ为愈合率的标准差，若某层的Z_i值为负且≤-1.5，则认为该层的愈合效果欠佳，需要对掺量进行修正；

S4-5：对于需要调整掺量的面层，比较该层的

和T_h，若：

①

则判断该层为欠愈合，需要适当增加电阻型微波诱导材料的掺量；

②

则判断该层为过愈合，需要适当减少电阻型微波诱导材料的掺量；

并重复上述试验步骤，直到各层的Z_i值均满足要求，获得最佳掺量。

2.如权利要求1所述的一种用于自愈合路面的分层微波诱导结构的掺量设计方法，其特征在于，在上面层组分设计中，所述热阻材料为陶粒、空心瓷珠、玻璃微珠中的任意一种，电阻型微波诱导材料为炭黑、导电石墨、碳化硅中的任意一种。

3.如权利要求1所述的一种用于自愈合路面的分层微波诱导结构的掺量设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，各组分的掺量体积分数η_j通过给出的温度补偿公式解出：

其中：η_j—第i层沥青混合料中成分j的体积分数；C_i(η_j)—第i层结合料的热容量(J·kg^-1℃^-1)；ρ_i(η_j)—第i层结合料的密度(kg/m³)；a—微波加热设施的有效加热面积(m²)；L_i—第i层面层的厚度(m)；T₀—环境温度(℃)，P_i—第i层的微波热功率(J/s)；

式中的微波热功率P_i由下式给出：

P_i＝2πfε₀ε″_i(η_j)E_i ²

其中：P_i—第i层的微波热功率(J/s)；f—微波频率(s^-1)；ε₀—真空介电常数；ε"_i(η_j)—第i层结合料的介电损耗常数；E_i—第i层处的微波电场强度(V/m)。

4.如权利要求1所述的一种用于自愈合路面的分层微波诱导结构的掺量设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，与组分体积分数相关的参数获取方式为：

ε″_i可以通过下式求出：

其中：η_j—第i层混合料中成分j的体积分数；ε″_j—第i层结合料中成分j的介电损耗

ρ_i可以通过下式求出：

ρ_i(η_j)＝∑η_jρ_j

其中：η_j—第i层混合料中成分j的体积分数；ρ_j—第i层结合料中成分j的密度；

C_i可以通过下式求出：

C_i(η_j)＝∑η_jC_jρ_j

其中：η_j—第i层混合料中成分j的体积分数；C_j—第i层结合料中成分j的热容量；ρ_j—第i层结合料中成分j的密度。

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