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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1.本发明涉及沥青路面愈合修复领域，具体涉及一种冻土区微波加热自愈合路面的材料组成设计方法。
技术背景：
2.沥青路面在荷载与气候因素的长期作用下，会产生裂缝等病害，若不及时修复，会导致路面的承载力大幅降低，不仅会影响驾驶员的行车舒适性，甚至会造成较为严重的行车事故，为了使得沥青路面的裂缝处能均匀、高效的修复，可以采用微波加热的方法对沥青路面的裂缝病害进行修复。
3.目前所采用的微波加热法修复沥青路面，有着高效节能、施工方便的优点，但对于冻土地区的沥青路面，由于无法同时控制微波的加热效率与加热深度，会出现加热深度小，裂缝受热不均匀、愈合不充分或是加热深度大，冻土路基受热融化等不利影响，不仅无法修复冻土地区的沥青路面，甚至还会对道路带来更为严重的损坏；
4.现有的控制微波加热的方式通常是在沥青路面中添加一定量的铁氧体颗粒，来提高微波加热的效率，但是由于路面的厚度和具体路面环境的差异，在沥青路面中铁氧体颗粒的添加量也一直没有具体的添加比例，往往是根据施工时经验常规添加，容易造成原料的浪费或效果的降低，同时单纯铁氧体颗粒的添加并不能控制微波的加热范围，在实际对冻土路面加热时仍然会造成冻土路面的融化，给实际施工和养护带来较大的困扰。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种冻土区微波加热自愈合路面的材料组成设计方法，克服了现有技术的不足，通过对沥青路面掺杂适量的铁氧体颗粒，同时设置带有钢丝绒的屏蔽层，有效实现利用微波加热使得路面裂缝自愈合，同时能保护路面下的冻土不会被加热的目的。
6.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
7.一种冻土区微波加热自愈合路面的材料组成设计方法，所述冻土区微波加热自愈合路面包括自基层上方依次设置的屏蔽层和沥青混合料层，所述屏蔽层包括两层sbs改性沥青层和两层sbs改性沥青层之间设置的一层钢丝绒层，所述沥青混合料层包括自上而下设置的上面层、中面层和下面层，所述上面层、中面层和下面层为沥青混合料掺杂铁氧体颗粒制成；
8.所述路面的材料组成设计方法，包括以下步骤：
9.(1)制备具有不同铁氧体颗粒掺量的沥青混合料半圆试件，在底部切割出长度为l的裂缝，进行半圆弯拉试验，得到半圆试件在第一次破坏时的断裂功w
f1
；
10.(2)利用微波装置对破坏的半圆试件加热，完成后静置24h，并再次进行半圆弯拉试验，得到半圆试件第二次破坏时的断裂功w
f2
；
11.(3)计算步骤(1)中半圆试件的抗裂指数k1、步骤(2)中半圆试件微波加热愈合后
的抗裂指数k2，以及对应的愈合率并拟合出铁氧体颗粒掺量与愈合率之间的关系图像；
12.(4)根据沥青路面的设计厚度，计算当微波穿透深度为路面面层厚度时，铁氧体颗粒的掺量，作为铁氧体颗粒的最大掺量；
13.(5)将铁氧体颗粒的最大掺量绘制在铁氧体颗粒掺量与愈合率之间的关系图像中，根据两者的交点位置，获得铁氧体颗粒的最佳掺量；
14.(6)制备均匀撒布不同掺量钢丝绒的屏蔽层，进行层间剪切试验，得到不同钢丝绒掺量时，屏蔽层的剪切强度；
15.(7)根据步骤(6)中撒布的钢丝绒质量与密度、屏蔽层的体积，求出屏蔽层中钢丝绒的体积分数，并计算出对应的屏蔽系数；
16.(8)在同一坐标轴下分别绘制出钢丝绒掺量与剪切强度、屏蔽系数之间的关系曲线，取两曲线的交点作为屏蔽层中钢丝绒的最佳掺量。
17.优选的，所述半圆试件的制备方法如下：
18.(1)将铁氧体块碾碎，经筛分得到不同粒径的铁氧体颗粒；
19.(2)根据路面设计，选出对应粒径和质量的集料，在每一粒径的集料中加入相同掺量的铁氧体颗粒，得到混合集料，将所有混合集料倒入搅拌锅中搅拌均匀，之后倒入沥青加热搅拌，得到沥青混合料；
20.(3)利用上述步骤所得到的沥青混合料，制备马歇尔试件；
21.(4)切除马歇尔试件的上表面，并取中间部分切割成圆柱体试件，沿圆心将圆柱体试件切割成均匀的两部分，得到半圆试件。
22.优选的，所述抗裂指数的计算方式为：
[0023][0024]
式中：k
i
—第i次破坏时的抗裂指数；w
fi
—第i次破坏时的断裂功(j)；m—荷载
‑
位移图像中，峰值后荷载为0.5倍最大荷载处的切线斜率(kn/mm)；r—半圆试件的半径(mm)；l—半圆试件底部裂缝的长度(mm)。
[0025]
优选的，所述穿透深度的计算方式为：
[0026][0027]
式中：h—微波穿透深度(cm)；λ0—微波的波长(cm)；ε
r1
—沥青的相对介电常数；ε
r2
—集料的相对介电常数；ε
r3
—铁氧体颗粒的相对介电常数；ε
″1—沥青的介电损耗因子；ε
″2—集料的介电损耗因子；ε
″3—铁氧体颗粒的介电损耗因子；a1—面层材料中沥青的体积分数；a2—面层材料中集料的体积分数；a3—面层材料中铁氧体颗粒的体积分数。
[0028]
优选的，所述确定铁氧体颗粒的最佳掺量的具体方式为：
[0029]
(1)当交点在铁氧体颗粒掺量与愈合率的关系曲线的峰值之前，则交点处对应的铁氧体颗粒掺量为最佳掺量；
[0030]
(2)当交点在铁氧体颗粒掺量与愈合率的关系曲线的峰值之后，继续比较峰值处
与交点处的铁氧体颗粒掺量对应的抗裂指数，取抗裂指数较大时的铁氧体颗粒掺量为最佳掺量。
[0031]
优选的，所述屏蔽层对应的屏蔽系数的计算方式为：
[0032][0033]
式中：sf—屏蔽系数；a—屏蔽层的长度(m)；a—屏蔽层上表面的面积(m2)；v—屏蔽层的体积m3；α—屏蔽层中钢丝绒的体积分数(％)；μ1—沥青的相对磁导率(h/m)；μ2—钢丝绒的相对磁导率(h/m)。
[0034]
有益效果：
[0035]
(1)本发明在路面的面层中入铁氧体颗粒，提高路面的升温速度和愈合效率，并研究铁氧体颗粒的掺量与路面的抗裂指数、愈合率、微波穿透深度之间的关系，拟合出铁氧体颗粒掺量与愈合率的关系图像，通过路面设计厚度得到铁氧体颗粒的最大掺量，根据关系图像和最大掺量交点的位置，得到铁氧体颗粒的最佳掺量，若交点在铁氧体颗粒掺量与愈合率关系图像的峰值前，取交点处对应的铁氧体颗粒掺量为最佳掺量，若交点在铁氧体颗粒掺量与愈合率关系曲线的峰值后，则比较峰值处与交点处的铁氧体颗粒掺量对应的抗裂指数，取抗裂指数较大时的铁氧体颗粒掺量为最佳掺量，同时对于不同的路面设计厚度，均可得到铁氧体颗粒的最佳掺量，提高路面在微波加热中的愈合率，并实现均匀受热。
[0036]
(2)本发明在传统路面结构的基础上补充了屏蔽层，由sbs改性沥青和钢丝绒组成，不仅可以提高路面面层与基层之间的粘结性，还起到了屏蔽微波的作用，使得在路面的自愈合工作中，穿透了面层的微波无法射入到路面底部造成冻土路基融化，同时，引入屏蔽系数，通过计算，得到钢丝绒掺量与屏蔽系数之间的关系，并对屏蔽层进行层间剪切试验，得到钢丝绒掺量与层间剪切强度之间的关系，并将上述两种关系绘制在同一坐标轴内，取交点处作为钢丝绒的最佳设计掺量，实现屏蔽微波的作用。
[0037]
(3)本发明同时设计铁氧体颗粒与钢丝绒的最佳掺量，实现沥青路面裂缝的快速愈合，同时提高裂缝的愈合率，使得路面在微波加热修复后，仍能保持较好的性能，同时，当微波穿透深度超过路面面层厚度时，具有最佳钢丝绒掺量的屏蔽层可以屏蔽从面层中射入的微波，防止其射入到冻土路基处，实现利用微波加热修复冻土地区的沥青路面裂缝，且不会损伤到路面以下的冻土路基，保障道路的安全。
[0038]
(4)本发明将冻土地区的沥青路面简化成试验室内的简单试件，结合抗裂指数、愈合率、穿透深度、屏蔽系数和剪切强度，依次确定铁氧体颗粒的最佳掺量和钢丝绒的最佳掺量，同时，本发明在试验时不需要铺设实际的冻土路基，使得试验操作简单、易于实现，而且结果可靠。
附图说明：
[0039]
1、图1是本发明对应的沥青路面面层结构示意图；
[0040]
2、图2是本发明的半圆试件制备示意图；
[0041]
3、图3是本发明的具有裂缝的半圆试件示意图；
[0042]
4、图4是本发明的铁氧体颗粒最大掺量示意图；
[0043]
5、图5是本发明的荷载
‑
位移图像中所需斜率的取值示意图；
[0044]
6、图6是本发明的屏蔽层结构示意图；
[0045]
7、图7是本发明的设计方法流程图。
[0046]
图中：1—上面层、2—中面层、3—下面层、4—屏蔽层、5—铁氧体颗粒、6—sbs改性沥青层、7—钢丝绒层、8—半圆试件、9—裂缝。
实施例：
[0047]
一种冻土区微波加热自愈合路面的材料组成设计方法，所述冻土区微波加热自愈合路面包括自基层上方依次设置的屏蔽层4和沥青混合料层，所述屏蔽层4包括两层sbs改性沥青层6和两层sbs改性沥青层6之间设置的一层钢丝绒层7，所述沥青混合料层包括自上而下设置的上面层1、中面层2和下面层3，所述上面层1、中面层2和下面层3为沥青混合料掺杂铁氧体颗粒5制成；
[0048]
所述路面的材料组成设计方法，包括以下步骤：
[0049]
(1)制备具有不同铁氧体颗粒掺量的沥青混合料半圆试件，具体制备步骤如下：
[0050]
①
将铁氧体块碾碎，经筛分得到不同粒径的铁氧体颗粒；
[0051]
②
根据路面设计，选出对应粒径和质量的集料，在每一粒径的集料中加入相同掺量的铁氧体颗粒，得到混合集料，将所有混合集料倒入搅拌锅中搅拌均匀，之后倒入沥青加热搅拌，得到沥青混合料；
[0052]
③
利用上述步骤所得到的沥青混合料，制备马歇尔试件；
[0053]
④
切除马歇尔试件的上表面，并取中间部分切割成圆柱体试件，沿圆心将圆柱体试件切割成均匀的两部分，得到半圆试件；
[0054]
(2)在半圆试件底部切割出长度为l的裂缝，进行半圆弯拉试验，得到半圆试件在第一次破坏时的断裂功w
f1
；
[0055]
(3)利用微波装置对破坏的半圆试件加热，完成后静置24h，并再次进行半圆弯拉试验，得到半圆试件第二次破坏时的断裂功w
f2
；
[0056]
(4)计算步骤(2)中半圆试件的抗裂指数k1、步骤(3)中半圆试件微波加热愈合后的抗裂指数k2：
[0057][0058]
式中：k
i
—第i次破坏时的抗裂指数；w
fi
—第i次破坏时的断裂功(j)；m—荷载
‑
位移图像中，峰值后荷载为0.5倍最大荷载处的切线斜率(kn/mm)；d—半圆试件的厚度(mm)；r—半圆试件的半径(mm)；l—半圆试件底部裂缝的长度(mm)；
[0059]
求出对应的愈合率并拟合出铁氧体颗粒掺量与愈合率之间的关系图像，如图4所示；
[0060]
(5)根据沥青路面的设计厚度，计算当微波穿透深度为路面面层厚度时，对应的铁氧体颗粒的体积分数，作为铁氧体颗粒的最大掺量：
[0061]
[0062]
式中：h—微波穿透深度(cm)；λ0—微波的波长(cm)；ε
r1
—沥青的相对介电常数；ε
r2
—集料的相对介电常数；ε
r3
—铁氧体颗粒的相对介电常数；ε
″1—沥青的介电损耗因子；ε
″2—集料的介电损耗因子；ε
″3—铁氧体颗粒的介电损耗因子；a1—面层材料中沥青的体积分数；a2—面层材料中集料的体积分数；a3—面层材料中铁氧体颗粒的体积分数；
[0063]
(6)将铁氧体颗粒的最大掺量，绘制在铁氧体颗粒掺量与愈合率的关系图像中，观察交点的位置，得到铁氧体颗粒的最佳掺量，若交点在铁氧体颗粒掺量与愈合率的关系曲线的峰值之前，则交点处对应的铁氧体颗粒掺量为最佳掺量，若交点在铁氧体颗粒掺量与愈合率的关系曲线的峰值之后，则分别制备与峰值处、交点处铁氧体颗粒掺量相对应的半圆试件，对其进行半圆弯拉试验并计算其在第一次破坏时的抗裂指数，取此抗裂指数较大时的铁氧体颗粒掺量为最佳掺量；
[0064]
(7)制备均匀撒布不同掺量钢丝绒的屏蔽层4，进行层间剪切试验，得到不同钢丝绒掺量时，屏蔽层4的剪切强度；
[0065]
(8)根据步骤(7)中撒布的钢丝绒质量与密度、屏蔽层的体积，求出屏蔽层中钢丝绒的体积分数，并计算出对应的屏蔽系数：
[0066][0067]
式中：sf—屏蔽系数；a—屏蔽层的长度(m)；a—屏蔽层上表面的面积(m2)；v—屏蔽层的体积m3；α—屏蔽层中钢丝绒的体积分数(％)；μ1—沥青的相对磁导率(h/m)；μ2—钢丝绒的相对磁导率(h/m)；
[0068]
(9)在同一坐标轴下分别绘制出钢丝绒掺量与剪切强度、屏蔽系数之间的关系曲线，取两曲线的交点作为屏蔽层中钢丝绒的最佳掺量。
[0069]
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。
[0070]
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。