诱导愈合多孔沥青混凝土试件的材料特性外文翻译资料

 2022-10-29 21:29:07

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诱导愈合多孔沥青混凝土试件的材料特性

摘要：为提高多孔沥青磨耗层的使用寿命，一种诱导愈合方法被提出。钢丝绒在沥青混合料中被混合，当损伤被预计时应用热感应法局部加热沥青混合料中的钢丝绒。由于感应加热的结果，可能的裂缝和损害内的多孔沥青可以愈合。本文的目的是描述从诱导愈合多孔沥青材料试验中获得的结果。加热速度用红外摄像机测量。我们发现这些沥青混凝土与钢丝绒可以使用感应加热。然后对沥青混凝土的粒子损失值，间接抗拉强度、水敏和芯纳米压痕模量进行了研究。结果表明，钢丝绒的加入提高了粒子的阻力损失和多孔沥青混凝土材料的延性。钢丝绒增韧沥青混凝土拥有比普通沥青混凝土更高的压痕模量。这些研究结果意味着钢丝绒可以增加多孔沥青混凝土的脱散性。最后，用四点弯曲试验研究无感应加热的多孔沥青混合料的愈合潜力。感应加热可以大大延长梁的疲劳寿命。研究还发现，在感应加热下，用衰老光束照射材料可以获得更快更强的自愈合效果。基于这结果，预测可以添加钢丝绒和使用感应加热来提高多孔沥青路面的耐用性。

关键词：多孔沥青混凝土 感应加热 自愈合 钢丝绒 四点弯曲试验

1 引言

多孔沥青混合料作为一种公路表面材料因为可以减少噪声而被广泛地使用。疏松这种路面的缺点，是多孔沥青磨耗层的主要缺点[1-3]。脱散是坑洼等重大缺陷的开始，一旦有一粒石子已送，那么它周围的石子也会因为缺少支撑而向各个方向移动[4]。松散导致了频繁的道路维修，从而减少路面网络能力[5]。为了提高多孔沥青的使用寿命，应防止脱散。

为了防止脱散，在实验室进行感应加热（即通过感应加热激活沥青混凝土的愈合过程）。这种方法是基于两个内在特性的沥青混凝土：沥青混凝土本身是一种自愈材料[6-8]，它的愈合能力在高温下要好得多[9,10]，在较短的时间内恢复更快响应测试的温度上升的结果[10]。沥青混凝土已经在较高的温度下显示出较好的自愈率，在以后的研究中，诱导愈合的方法是非常有前途的。

接下来的诱导愈合方法中的作者认为，重要和快速的愈合是因为沥青开始扩散并且在一定温度以上是牛顿流体[11,12]：如果粘合剂表现为牛顿流体，压力差会出现在裂纹表面的接触点，这将是粘合剂毛细管流动来驱动裂缝的驱动力。为了使该方法起作用，将钢丝绒加入到多孔沥青混合物中以使其导电并适合于感应加热。当多孔沥青中发生微裂纹时，感应加热将被施加到材料上以局部地提高多孔沥青混合物的温度。微裂纹可以通过沥青的高温愈合（扩散和流动）封闭，微裂缝的封闭防止了宏观裂缝的形成，最终形成了裂缝[13-15]。已经表明，这种新开发的多孔沥青与普通多孔沥青相比具有两个优点。第一种是钢丝绒的增强效果，另一种是通过感应加热提高多孔沥青混凝土的愈合能力和速度[13-19]。可以预期，这种感应愈合多孔沥青由于钢丝绒增强而具有优异的机械抵抗力，并且在服务期间可以通过感应愈合获得进一步的阻力。因此，路面的耐久性将得到改善。

为了真正应用这种诱导愈合方法，在2010年12月在Vlissingen附近的荷兰高速公路A58上铺设了诱导愈合多孔沥青试验段[20]。这种特殊的多孔沥青混合料包含多孔沥青PA0 / 16和1.5％钢丝绒00型（总混合物的质量含量）。沥青级沥青70/100（未改性）用于混合物中，沥青含量为石，砂和填料总重量的5.2％。钢丝绒的长度为10mm，直径范围为8.89〜12.79 mu;m。在混合前使用木材切割机分离钢丝绒，并使用优化的混合程序在沥青设备中生产混合物：将钢丝绒，沥青和填料混合在一起100秒。通过加入石头和沙子并混合200秒，制成不含簇的良好混合物。多孔沥青试验段由Breijn-Heijmans建造，建筑试验段空气含量约为17.2％。审判部分在2010 - 2011年冬季和2011-2012年寒冷的冬季中幸存下来，专家检查没有任何损害甚至小裂缝。

为了预测这个试验部分的性能，从这个试验部分钻了大量的核心（[100毫米]）。 为了比较的目的，还从参考部分钻了没有钢丝绒的平纹芯。 此外，Breijn-Heijmans在实验室中制备了梁（50times;50times;400 mm3），在试验过程中使用了材料。本文进行了研究，研究了这些试样的加热，机械和愈合性能。

2实验方法

预计来自试验区的核心可以用感应能加热。 钢先为你也将加强芯。 为了证明这两个期望，我们进行了实验研究了磁场的感应加热速度和机械性能。 此外，从核心切割出一个小块，并用纳米CT扫描仪扫描，以观察其分布情况。最后，通过感应愈合引起的梁的疲劳寿命延长用于指示测试轨迹的愈合潜能。 在间接拉伸疲劳和加热试验期间，现场核心将遭受永久变形，可适用于加热试验。

2.1感应加热试验

感应加热试验的目的是测量芯的加热速度。考虑到感应加热速度，可以计算测试轨迹获得一定温度所需的加热时间。通过使用容量功率为50kW，频率为70kHz的感应加热系统进行感应加热实验。该加热设备的有用功率（加热效率）取决于加热样品的导电性和尺寸。感应加热机的线圈为500mmtimes;9times;150mm的矩形。线圈与样品表面之间的距离在30至20mm和10mm之间变化，以研究其对样品加热速度的影响。将核心加热3分钟，并用320times;240像素的全色红外相机测量芯的温度变化。为了说明如何研究感应加热，多孔沥青混凝土芯的感应加热图像如图1所示。

图1 红外图像的加热场核心

2.2 Cantabro测试

为了耐久性，多孔沥青磨损过程本身应具有良好的颗粒损失（耐磨性）。为了比较试验段和正常的多孔沥青路面的耐磨性，在Cantabro试验中测量了钢丝绒和普通芯的芯的颗粒损失值。该测试是根据欧洲标准EN 12697-17 at21.5做了什么？在洛杉矶磨耗机无钢球。每个样品最初称重（W1），并分别放入洛杉矶鼓。此后，在鼓（W2）的300转之后，再次对每个样品进行称重，以确定测试期间的重量损失。为了实验的重现性，对于两种混合物重复五次试验。颗粒损失值以相对于初始重量（1-W2 / W1）的重量损失的百分比表示。这种减肥是混合物耐磨性的指标。低重量减轻意味着更好的内聚力和更好的耐磨性。

2.3间接拉伸强度和水敏性试验

间接拉伸强度是指示粘合剂如何粘结聚集体的强度并可用作混合物内聚力的指标的参数[21,22]。 在本研究中，进行间接拉伸试验，以表征钢丝绒对多孔沥青混凝土的机械性能的影响。 该实验在推荐的标准测试温度5℃下进行，以获得“正确的”间接拉伸断裂线。 所使用的设备是单轴压缩设置。 如图2所示，使用两个LVDT来监测样品在试验过程中的垂直变形，另外两个LVDT用于记录样品的水平拉伸变形。 通过施加50mm / min的垂直变形率直至达到根据欧洲标准EN 12697-23的峰值载荷来确定样品的间接拉伸强度。

为了检查数据的重现性，测试了每种组合物的三个样品。 试验后，样品的间接拉伸强度可以用下式计算：

其中，ITS是Pascal中的间接拉伸强度，F是牛顿失效时的总施加垂直载荷，D是试样的直径，以米为单位，H为试样的高度。

水分（水分）可能导致沥青粘合剂与骨料表面之间的粘合力丧失，并可能加速其他遇难事件的发展，如坑洞，裂缝和裂缝。本文采用间接拉伸强度比（ITSR）作为 用钢丝绒芯芯的水敏感性分为干和湿组。 根据欧洲标准EN 12697-12，干组直接用于在15℃下以50mm / min的变形速度测试间接拉伸强度。将湿基团在40℃水浴中浸泡72小时，然后用于测试间接拉伸强度。 ITSR根据公式 2：

其中，ITSR为间接拉伸强度比（以百分比表示），ITSw为三种湿样品的平均间接拉伸强度，ITSd为三种干样品的平均间接拉伸强度。

图2 间接拉伸装置

2.4纳米压痕试验

纳米压痕试验是研究微观材料的机械性能的方法。 该试验的主要目的是研究钢丝绒对多孔沥青混凝土中砂浆（石头之间的桥梁）力学性能的影响。 为了制备用于纳米压痕测量的样品，从原始的[100mm芯]钻出40mm的芯，然后用双组分环氧树脂浸渍以保护样品并避免在随后的锯切过程中的破碎问题[23]。 浸渍后，从芯中切出小块（4mmtimes;9mmtimes;30mm），用金刚石粉抛光。 样品在抛光后准备进行纳米压痕测量，如图3所示。

图3 纳米压痕测试样品

用于纳米压痕测试的设备是Agilent Nano Indenter G200。 纳米压头G200系统由显微镜和三叉金字塔Berkovich压头组成。 在测试之前，显微镜对压头的位置进行了校准。 显微镜可用于精确地观察样品的砂浆（图3中的矩形区域），并确定测试点。 图4显示了石头之间的桥梁内的测试点的分布。 压头用于对样品施加负荷。 从装载 - 卸载曲线可以计算出砂浆的压痕模量。

图4 在小梁中压痕的位置

在-20℃下在1000nm的深度测量样品中的砂浆的局部压痕模量（投影接触面积约为1.9times;10-2 mm2）。 图5显示了压痕测试的典型力穿透曲线。 每个测量包括三个阶段：加载阶段，峰值保持阶段和卸载阶段。 进行位移控制压痕直至深度达到1000nm，然后保持在峰值1s并最终卸载。 记录的压痕数据可以转换成压痕模量。 使用力 - 穿透曲线[24]中卸载分支的初始斜率计算压痕模量。

图5 一个典型的压痕力-穿透曲线缩进测试

2.5 CT扫描测试

为了对多孔沥青混凝土中钢丝绒的分布进行高分辨率目视检查，从纳米压痕样品中切出一个小立方体，并用Phoenix Nanotom X射线CT扫描仪进行扫描。 扫描后，进行了重建，分析了钢丝绒的分布情况。

2.6愈合试验

研究多孔沥青混凝土的诱导愈合潜力的方法包括：通过四点弯曲疲劳破坏梁样本，然​​后通过感应能量加热，最终破坏了目标物的吸收。使用感应加热后的疲劳损伤梁的疲劳寿命延长量化沥青混凝土的愈合能力。首先，以8Hz的频率将300微应变（正弦波）的应变振幅施加在梁上50,000次循环在20℃。然后，将样品感应加热至85℃（在前研究中找到的最佳加热温度[16]），并静置18小时或直接静置18小时。之后，在梁上施加另外50,000次循环疲劳载荷，随后第二次加热和休息或静止（自然愈合）过程。单独的破坏性，加热和休息或休息，以及重建过程重复几次。最后，梁被疲劳，直到刚度减小到初始值的一半。

此外，还研究了老化梁（在烘箱中85℃下老化10天）的愈合潜力。 这种老化方法相当于5年的老化[25]。 老龄梁分为两组，分别用于自然加热和感应愈合测量。 第一组样品在20微米，300微克和8赫兹下首次疲劳，然后休息3或18小时，并以相同的负载再次疲劳。 疲劳标准是将刚度降低到其初始值的一半。 第二组样品首先受到损伤，如第一组样品，然后感应加热至85℃（顶部表面温度），静置3-24小时，最后再次疲劳。 使用疲劳寿命延长率（第二次疲劳寿命除以原始疲劳寿命）作为愈合的指标。

3结果与讨论

3.1现场磁芯的感应加热速度

诱导愈合方法的主要目标是防止路面流失，加热后路面的表面温度最为重要。因此，加热实验的焦点在于加热期间芯的顶表面的温度升高速度。使用红外摄像机的软件，计算样品顶表面的平均加热速度（升温除以加热时间）。对于每种情况，测量三根钢丝绳的加热速度，结果总结在表1中。当它们更靠近感应加热器时，可以加快芯的加热速度。当样品的顶表面和线圈之间的距离为10mm时，三次测量的平均加热速度为0.3442℃/ s。利用这种感应加热速度，将样品从20℃加热到85℃需要190s。然而，这个加热时间在现场是不实用的。因此，需要对感应加热机进行优化，以提高加热速度。在最近的一项研究中，已经表明，在德国的感应发电机制造公司Huttinger中，现场核心可以以2.5℃ / s的高速度被加热，从而对加热设备进行加热。

表1 掺钢丝绒铁芯的感应加热速度

3.2场磁芯的粒子损耗电阻

图6显示了钢丝绒，新鲜和老化的平纹芯和芯的颗粒损失值（Cantabro试验中的重量损失百分比）。样品的颗粒损失值分散很多，这归因于 不均匀的施工。 五次测量的平均粒子损失值被用作游隙电阻的指示（颗粒损失值越低，起搏电阻越高）。 钢丝芯的平均颗粒损失为23.6％，远低于普通芯34.7％。 对于具有钢丝绒和普通芯的两芯，由于老化，颗粒损失值略有增加。 钢丝绒老化芯粒的平均粒子损失为27.5％，仍远低于老化芯的37.7％。 因此，钢丝绒改

善了多孔沥青混凝土的颗粒损失阻力。因此，试验部分的延误将会延迟。

图6 普通芯与掺钢丝绒芯的颗粒损失值

3.3场磁芯的间接拉伸强度和水敏性

间接拉伸强度试验的结果如表2所示。钢丝芯的间接拉伸强度为2.13 MPa，略高于普通芯。钢筋加固在强度方面并不重要。其原因可能在于钢丝绒的含量有限。然而，如表3所示，对于具有钢丝绒的普通芯，失效时的芯的平均拉伸变形分别为0.095和0.135mm。这意味着钢丝绒的加入大大提高了芯的抗拉强度，达到42.1％。预计由于添加钢丝绒而导致的延展性的提高会增加试验部分的耐磨性。

如表4所示，湿芯的间接拉伸强度（在15℃下测得）比干芯低。ITSR为94.1％，远高于荷兰规定的80％要求。这意味着这种多孔沥青混凝土与钢丝绒的防水性能相当好。

表2 场磁芯的间接拉伸强度（在5℃时测量）

表3 场磁芯失效时的间接拉伸形变

表4 掺钢丝绒场磁芯的间接拉伸强度

3.4样品中砂浆的压痕模量

为了确定样品中砂浆的压痕模量，对每个样品进行了200次测量。 测量的平均值不包括高于5GPa（涉及砂）的模量。 结果如表5所示。可以看出，钢丝绒砂浆表现出较高的压痕模量，说明钢丝绒强化了沥青混凝土。 钢丝绒砂浆在前一次间接拉伸强度测试中也具有较高的延展性。根据该技术，预计钢丝绒试样具有比参考部分

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