基于电磁感应加热的沥青路面裂缝快速应急修复方法

童丁 1 吴壮垚 2

杭州路通市政园林工程有限公司 1 浙江杭州 310002

杭州路通时代建设有限公司² 浙江杭州 310002

摘要:目前城市道路主要采用沥青路面，虽然沥青拥有铺设简单，原料价值不高的优势，但也容易出现各种裂缝，对构建城市正常交通秩序有严重的阻碍作用。传统的路面裂缝快速应急修复方法耗费的时间过长，严重影响交通，因此，设计了基于电磁感应加热的沥青路面裂缝快速应急修复方法。首先选择了路面裂缝修复的原材料，然后确定了沥青混凝土配比，在测试路面高温稳定性后进行电磁感应修复加热。通过实例分析得出，所设计的沥青路面裂缝快速应急修复方法极大地减小了路面裂缝的修复时间，具有一定的推广意义。

关键词：电磁感应加热；路面裂缝；快速应急；修复；

中图分类号:TQ172文献标识码:A

0引言

随着经济以及科学的进步，交通发展得越来越快，交通使人们越来越方便，因此目前关于道路的建设和路面项目建设的研究越来越受到重视。随着科技的发展，城市道路也变得越来越美观^[1]，目前道路的铺设材料主要选择了沥青，这主要是因为其表面光滑，便于车辆的行驶，而且能控制车辆行驶的噪音，不光如此，沥青路面还具有施工方便性以及维修快速性，成为了路面铺设的王牌材料，广泛地被应用到各个工程中。但是，随着使用时间变长，沥青路面的缺点也逐渐显现出来，主要表现在路面损害问题方面，研究表明，沥青路面由于繁重的车流量和高频次的运行状态极其容易产生路面损坏^[2]，这种损害同时还受到温度反射性等因素影响，但目前的道路修复方式修复的路面常常存在裂缝、松散等问题，在修复时间和修复材料中都存在弊端。

研究发现，沥青路面的使用寿命与沥青的保养息息相关，沥青的保养问题必须重视起来。目前路面保养方式有很多种，需要根据具体情况来进行选择，预防和维修都是保养的一部分。经过调查发现，目前的路面修复方法由于复杂的内外部环境导致十分不完善，很多路面修复问题都得不到完美地解决，在这种情况下，就需要对路面的修复方法进行创新设计，来解决传统路面修复方法中的问题。目前，由于沥青自身的性质，其修复能力较强，在高温情况下性质也会得到改变^[3]，因此基于电磁感应加热设计了沥青路面的修复方法，以改善其路面的性能，该方法可以使沥青的愈合性能大幅度提升，从而修复路面裂缝。

1. 基于电磁感应加热的路面裂缝快速修复方法设计

   1. 选择路面裂缝修复原材料

路面修复材料一般选取填料、集料和沥青组成，其中作为沥青混合物中的粘合剂，沥青不仅提供粘弹性，而且还充当胶凝集料，这是沥青混合物的重要组成部分。选择沥青需要综合考虑各种因素^[4]，例如沥青路面的类型，交通量和天气状况。

表1 基质沥青的试验检测指标

出于便于实际应用的考虑，在这项研究中选取了浙江本地生产的基质沥青，并根据相关的规程法则要求对基础的沥青进行了相关的品质因数测试。测试的结果列于表1，由表可知测试的结果符合相关的规格要求。

组成沥青混凝土的材料有很多，本方法选取填料，粗细集料，以及沥青来构成沥青混凝土。各种材料都有其固定的量，集料是沥青混凝土中含量最多的物质，高达九成以上，决定了整个混凝土的性质。而混凝土的支撑物往往也是由集料中直径偏大的颗粒组成，剩余直径较小的集料将作为填补空隙的颗粒所应用。

表2 粗、细集料检测结果

表2展示了粗细集料的检测成果，由表可知，粗细集料的指标包含密度^[5]，石料压碎值，沥青粘附性，吸水率和颗粒含量均在标准的范围内，可以直接进行下一步，选取的集料的材料一般都是石灰岩，取样要按照相关的工程法规来进行。

在检测后需要选取在沥青混凝土中添加的导电材料，本方法选取的是钢丝绒，选择钢丝绒的原因就是其添加后会提高混凝土的加热愈合功能，对路面修复很有帮助。

1. 2. 确定沥青混凝土配比

确定沥青混凝土的配比是选择原材料之后必须进行的下一步骤，需要根据配比确定修复路面材料具有的性能，在满足我国沥青混合料配合比设计规范要求以及实际的试验和施工条件情况下，将混凝土的配比进行正确地设计，以此来提高沥青混凝土的使用性能，因此需要进行详细的配比研究。

研究所用的密实型沥青混凝土选用AC-13普通沥青混凝土，该混凝土在相关的规程中显现为中级状态，结合矿料所在地区的集料特征，进行合理的配比选择。沥青混凝土配比范围见下表3所示。

表3 沥青混凝土配比范围

在划分范围后，需要严格按照表3中规范的沥青混凝土配比范围进行配比，避免产生误差。

1. 3. 测试路面高温稳定性

路面的耐久性是研究中需要进一步提升的核心需求，将沥青混凝土的机械性能拆分研究，发现可以通过添加纤维来增强沥青混泥土的整体性能。选用的这种混泥土的主要功能由特定的添加材料实现，还可以增加混凝土中的部分材料厚度，来使其发挥调节特性，有两种类型的沥青并存在沥青混泥土中，将两种沥青进行结构性重组以此来改善沥青混泥土的性能。因此可以通过电磁感应加热手段，来使路面的自愈能力提高^[6]，并通过在致密的沥青混凝土中添加选定纤维来修复路面的裂缝。研究表明，在沥青混凝土中添加钢丝绒是提升沥青混凝土力学性能的较好方式，且能够满足沥青路面的长久使用。

不仅如此，沥青混凝土在抗变形方面的性能也非常卓越。但是这一切都在路面具有高温稳定性的条件下，反之则会受其他因素所限制。在使用中，沥青路面可能会出现划痕和缺损，这会降低路面性能并影响交通安全，因此需要进行测试，测试采用车辙测试。本次试验决定采用国内常用的评价方法，即60摄氏度，荷载为 0.7MPa试验条件下的车辙试验作为评价沥青混凝土高温稳定性。车辙试验方法及评价指标应符合我国试验规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20－2011）的要求，上面层和下面层的混合料的动稳定度按下式（1）计算。

（1）

式中， 代表动稳定度， 代表时间 变形量， 代表时间 变形量，N代表碾压速度。通过此公式，计算对应路面（混合材料的配比见表3）高温稳定性，得出当动稳定度不低于800次/mm的情况下路面具有高温稳定性。

1. 4. 进行电磁感应修复加热

虽然沥青混凝土具有非常好的自愈能力，但是这种自愈能力在一般的环境中不能得到体现，也无法应用到路面快速修复中，尤其是面临路面材料使用时间过久而老化时，自愈性更是达不到修复要求。因此需要考虑沥青混凝土的自愈能力触发条件，即在某种条件下可以刺激沥青混凝土的修复能力^[7]，增加其在一般环境中的性能，一般是通过检测其温度敏感性来实现。因此在研究中需要在短时间内提升沥青混凝土的温度，观察沥青混凝土的状态，检测其修复的最高值以及修复的速度和时间，来综合判定其温度敏感性，即通过电磁感应加热的方法来实现路面修复，提高沥青混凝土的自愈力，将沥青混凝土的修复性能提升至最高，应用到目前的路面裂缝修复中。

掺加不同类型和含量的导电材料会影响混合料的加热性能，如加热温度、加热速度等，同时影响着感应加热愈合效率。因此基于该性质，在电磁感应准备阶段需要选定并添加指定的导电材料，作为提高自愈力的基础。

研究增加沥青混凝土的热愈合性材料时需要提前将各个应用的原理摸清，也就是明确所添加的原材料是否在想要的范围内提升材料性能。简单来说^[8]，感应加热装置是交变磁场产生电流并随着导体传输的一种装置，在应用时需要以法拉第电磁感应为基础，将整个装置进行正确调试。另外，导体中由于导体自身的电阻发热，产生了感应电流发热效应。

电磁感应加热与对流、辐射、火焰或其他加热方法相比具有许多优势。首先，加热过程中消耗的能量可以转换，并且九成以上的热损耗都可以被准确地利用，因此热效率非常高；其次，这种方法的加热方法非常特殊，不需要接触。因此可以确保在加热过程中被加热的试件表面没有被污染，第三，直接在加热材料内部迅速产生热量，从而提高了加热效率。第四，由于焦耳热原因，可以忽略加热期间的变形部分。最后，电磁感应加热消除了与火焰加热或其他加热方法相关的一些不均匀性和质量问题，使用方便且易于操作。因此电磁感应加热具有改善工作环境，节约能源，保护环境，消除烟雾和废热的优点。

由电磁感应加热产生的感应电动势与电磁场的强度，以及磁场与感应电动势之间的关系成正比。感应电动势的大小取决于磁场强度和磁通速度的变化，在这种加热系统中，具有恒定频率和恒定电流强度的感应设备会产生恒定磁场和恒定电动势力量。实际上，当磁通量通过加热的测试件时，产生感应电流，并且当感应电流通过加热的测试件的导电材料时，由于导电剂的电阻而产生热量。其中，感应加热产生的焦耳热与试样的电阻率成反比。换句话说，电阻率越低，则样品的加热速率越高。

本文中使用的电磁感应加热设备是由领先的感应加热设备制造商生产的EASYHEAT 15 kW/50-150 kHz感应加热射频电源。感应加热系统可为感应线圈提供可靠的高速加热。由于本方法需要采用高频高效的加热，因此对设备要求较高。该设备用于许多领域，例如金属焊接或者与其他导电材料的性能变化相关的制造^[9]，在实验中该技术的应用也变得越来越成熟。与气体和电阻加热技术相比，通过使用该设备的电源控制系统，可以实现快速，高效和准确地加热，并通过降低能源使用率来提高投资回报。同时，系统的冷却系统是通过施加冷却剂来设计的，这可以进一步降低运行成本，但是水冷却系统必须与热交换器或其他散热器连接。

电磁感应施工的流程图如下图1所示。

图1 应急修复流程图

按照该流程应急修复时一定要注意路面高温稳定性能的状态，保持电磁感应修复的持续性。

2. 实例分析

2.1. 某市区路面概况

沥青混凝土为某市某区的试验路面的主要结构层。，道路位于市中心，整体路段车流量偏高，研究各个路面的厚度发现，该城区的大部分道路的路面厚度都不在标准范围内，路面破损修复痕迹较多。

2.2. 修复结果

根据修复流程，选择五组裂缝路面，分别使用文献[3]方法（精表处在沥青路面表层修复中的应用）和本文设计的路面修复方法进行路面修复，采集修复时间数据，将采集到的数据整合成表格如表4所示。

表4 修复结果

由表4可知，本文设计的路面裂缝修复方法在五组随机的路面修复检测中所消耗的时间均小于传统的路面修复方法，具有省时性。

为了进一步验证本文方法的优越性，对比两种方法的在修复上述路面所需的材料用量（经济效益）与拌和时间。具体数据如表5所示。

表4 经济效益与拌和时间对比

由表4可知，本文设计的方法在用料与拌和时间上均由于对比方法，节约了用料成本。

3 结束语

综上所述。，所设计的基于电磁感应加热的沥青路面裂缝快速应急修复方法在该城区的实例中取得优秀的结果，裂缝路段经过该修复方法产生的修复时间确实远远低于传统方法的修复时间，具有省时性。基于此，此方法可以应用于其他路面的裂缝修复中，为道路修复技术提供了一定的参考，具有一定的推广意义。

参考文献

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