沥青混合料微波吸收增强机理与修复研究

发布时间：2020-06-01 09:27

【摘要】：由于自然环境和车辆荷载形成的沥青路面早期表面破损,可以通过适时的加热修复,以延长路面使用寿命。为了提高沥青路面的微波加热修复效率,大幅节约养护成本,本研究提出了集料表面磁损耗增强原理,并采用三种增强方式对沥青混合料进行了微波加热效率的研究。分别对沥青混合料中各个成分进行改性处理,采用化学共沉淀法对普通玄武岩细集料和粗集料分别进行改性处理;采用共沉淀法对含铁量25%左右的普通钢渣进行改性处理;采用羰基铁粉作为磁损耗吸波剂、炭黑作为电损耗吸波剂、沥青作为基质制备吸波材料对沥青进行改性处理。在此基础上,对制备的吸波材料样品分别进行XRD物相分析和微波加热测试,结果表明改性钢渣和改性玄武岩细集料表面成功生成了磁性纳米Fe3O4,平均晶粒径分别为22nm和30nm。在微波加热2min内,改性玄武岩细集料(MF)和改性玄武岩粗集料(MC)上升的温度几乎是普通玄武岩细集料(BF)和普通玄武岩粗集料(BC)的两倍,且MF的温度略高于MC;改性钢渣的温度较普通钢渣高出40℃。将吸波材料分别掺入到沥青混合料中以AC-13C级配制备成马歇尔试件和车辙板后,采用自由空间法测试了2-4GHz频率范围内的电磁参数,并使用红外热像仪和红外测温仪分别测试其在微波加热2min过程中的温度变化。结果表明改性玄武岩粗集料沥青混合料(MCAM)、改性玄武岩细集料沥青混合料(MFAM)、改性钢渣沥青混合料(MSAM)和羰基铁粉炭黑改性沥青混合料(AM CIP/CB)的复介电常数实部??相较于普通沥青混合料(BAM)分别增加了11.3%、11.3%、10.6%、1.89%;复介电常数虚部??分别增加了12.79%、12.72%、12.74%和4.41%;复磁导率实部??分别增加了30%、28.7%、27.3%和5.27%。四种改性沥青混合料在微波加热过程中温度随时间是呈线性增长的,且试件内部温度比表面温度在同一时刻高8-13℃左右。MCAM、MFAM、MSAM和AM CIP/CB的表面温度升温速率分别为0.4364、0.4564、0.4356和0.4162,相较BAM的升温速率分别提高了70.9%、78.8%、70.6%和63%。采用沥青混凝土板模拟微波加热,选择2.5cm、5cm、7.5cm、10cm和15cm深度处测试其平面上的温度场,并采用CST软件对其电磁场和温度场进行模拟,结果显示,在微波加热15min的过程中,同一深度的水平面上不同微波加热时间下的温度差异大部分小于8℃,微波加热在沥青混凝土板的水平方向具有较好的均匀性。沥青混凝土板在深度方向的温度是先升高后降低,且试件底部的温度会略低于表面和中部的温度,其中10cm深度处的温度最高,四种改性沥青混凝土板在此处的温度均超过120℃,满足实际路面养护的要求。CST软件模拟的结果显示温度场的分布与微波能量损耗密度有关,即损耗密度越大,温度越高;本文采用的模型中温度最高的深度是距模型表面11cm深度处的平面。可认为微波加热在沥青混凝土板中相较常规加热方式,具有良好的均匀性和恰当的加热深度。采用三点弯曲破坏试验和三点弯曲疲劳试验评价了改性玄武岩粗集料沥青混合料(MCAM)、改性玄武岩细集料沥青混合料(MFAM)、改性前钢渣沥青混合料(USAM)、改性钢渣沥青混合料(MSAM)、羰基铁粉炭黑改性沥青混合料(AM CIP/CB)和普通沥青混合料(BAM)六种沥青混合料的微波加热修复效果,结果显示通过微波加热,沥青混合料的强度不能实现完全恢复,且随着破坏-修复循环次数的增加,沥青混合料的抗弯强度恢复率在逐渐降低。其中抗弯拉强度恢复率和微波修复指数从大到小排序依次是MCAM、MFAM、MSAM、AM CIP/CB、USAM和BAM。在一定范围内,微波可以重复用于沥青混合料的裂缝修复,但不能无限次修复。微波修复指数主要取决于微波加热的时长和沥青混合料的微波吸收性能,当微波加热后六种沥青混合料的修复指数是常温修复的3倍左右。当微波加热相同时长,MCAM和MFAM的微波修复指数相较于BAM提高了41.4%;MSAM的微波修复指数相较于BAM提高了36.2%,而相较于USAM提高了16.1%;AM CIP/CB的微波修复指数相较于BAM提高了37.5%。六种沥青混合料的路用性能测试结果显示其高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和抗滑性能均能很好地满足规范要求。其中MCAM、MFAM、MSAM和AM CIP/CB的动稳定度和弯拉应变均优于BAM,三种改性方法可以提高沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性;USAM和MSAM的水稳定性会优于其他四种沥青混合料,而六种沥青混合料的抗滑性能没有明显的差异。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U414

【参考文献】