吸波材料在沥青路面修复中的应用

王宇豪，陈雪琴，范 进

(南京理工大学，江苏 南京 210094)

路面交通量较大时，路面裂纹产生的速度大于沥青混凝土自修复的速度，最终会产生疲劳开裂。沥青含有大量的高分子聚合物组分，具有溶解、沉淀等热力学可逆过程的性能，是一种可以自愈合的材料。同时，作为一种黏-弹-塑性材料，沥青对温度变化较为敏感，并且在高温作用下会展现出流动的特性，因此，提高温度可以加速裂缝表面沥青分子的润湿与扩散速度，使得自愈合率大幅增加。

沥青路面材料加热方式包括电磁感应加热、微波加热和红外加热等。和其他加热方式相比，微波加热具有加热效率高、加热均匀、无污染、操作便捷等优点。在道路工程领域，微波加热主要用于融雪除冰和微裂纹自修复。微波渗透深度比红外线渗透深度大。相比感应加热，微波加热所需导电物质用量少，达到相同温度用时短，修复裂纹效果好。微波加热下沥青温度升高，使沥青膨胀、流动和扩散，裂纹宽度减小直至闭合。

微波作为一种高频的电磁波，其加热机理为材料吸收微波后可以引起材料内部分子的激烈震动，摩擦生热。研究表明, 集料吸收微波的能力主要与其所含的金属性成分及其吸波性能有关。传统沥青混合料中集料的微波吸收能力较差，微波加热技术的修复效率较低。为提高沥青混凝土的吸波效率，可以用微波吸收材料替代部分传统的集料。按照微波吸收机制的不同，可以将这些材料分为介电损耗材料和磁损耗吸收材料。

1 介电损耗吸波材料

常见的介电损耗吸波材料有碳纤维、碳纳米管、石墨和炭黑等，这类材料往往具有优异的介电性能，因此这类材料的微波吸收主要是由介电损耗引起的。介电损耗角正切是指电介质在单位时间内每单位体积中，将电能转化为热能(以发热形式)而消耗的能量，是表征介质材料在施加电场后介质损耗大小的物理量，从而可以反映介质材料的微波吸收能力，其定义如下。

(1)

式中：ε′为复介电常数的实部，ε″为复介电常数的虚部。

沥青混合料通常由5%沥青和95%集料、矿粉组成，纯沥青介电损耗角正切常数非常小，难以通过微波加热使得温度升高，而增强集料的微波吸收能力可以更有效地提高沥青混合料的加热与升温效率。

Wang等[1]在沥青中加入了活性炭粉，以研究其在沥青材料中增强微波加热的可能性，并首次研究了活性炭粉对沥青胶浆力学性能的影响，进行了包括多重应力蠕变和恢复测试、温度扫描测试、时间扫描测试和线性幅度扫描测试在内的机械测试，以评估耐车辙性、耐疲劳性。结果表明，通过添加活性炭可以使沥青变硬，耐车辙性也得到改善。活性炭替代物的体积分数达到100%时，抗疲劳性得到改善，疲劳寿命也会大大延长。含有大量活性炭粉的胶浆在微波辐射下温度会快速升高，因此具有良好的吸波性能。

Norambuena等[2]把两种不同类型金属废料(钢丝绒纤维、刨花)加入沥青混合料，并评估了添加金属废料对沥青混合料的电、热物理和微波裂纹修复性能的影响。结果表明：沥青混合料的电阻率随纤维含量的增加而降低。当加热时间超过30 s时，裂缝可以被密封，且40 s是最佳加热时间，沥青混合物可以在40 s的最高愈合水平和最低损伤之间达到平衡。但是钢丝绒纤维的分布会导致沥青混凝土中较高的空隙，从而导致耐久性较差。

Hamid等[3]将炭黑作为导电成分添加到沥青黏合剂中，用于提高沥青混凝土的导电性，加快该材料的加热修复速度。试验使用了硅质和石灰石骨料类型制造样品。结果表明，炭黑作为导电组分能够充分地加热和修复沥青混凝土，并且可以提高沥青混凝土对微波的导电性。

Chao等[4]使用两种纳米吸波材料——碳纳米管和石墨烯，分别表征了两种纳米微波吸收剂的表面织构、抗裂性以及改性沥青在加热过程中的高温流变性，测试了基于流动行为指数、放热率和沥青愈合效果的初始自愈温度。通过疲劳—愈合—疲劳试验测试改性沥青的微波加热愈合性能。结果表明：纳米微波吸收剂显著加速了加热过程，并使改性沥青比基础沥青具有更长的扩散和修复时间。沥青的自愈过程由部分修复，然后逐渐扩散到整个裂纹界面，而不是完全润湿整个裂纹的界面并通过分子扩散而一起愈合。

王昊鹏[5]研究表明石墨和钢纤维等导电相材料的掺加可以大幅提高沥青混合料的微波加热速率。通过“疲劳—愈合—再疲劳”的试验程序，并定义愈合指数表征沥青混合料的愈合程度，结果表明：相同微波加热时间下，由于导电沥青混合料吸收了更多热量，因此其愈合效率高于普通沥青混合料。

2 磁损耗吸波材料

这类材料往往既有磁损耗，也有介电损耗，因此微波吸收特性是由电损耗和磁损耗两部分的总损耗所产生的，介电损耗性能仍用介电损耗正切值tanδe表示，而磁损耗性能用磁损耗角正切值tanδm表示，其中：

(2)

式中：μ′为复磁导率的实部，μ″为复磁导率的虚部。材料的总电磁损耗为介电损耗正切值tanδe和磁损耗正切值tanδm之和[6]。

Zhao等[7]将NiZn铁氧体颗粒加入沥青基复合材料中，用以提高微波吸收效率，以及进一步提高复合材料的自愈速度。通过研究3种骨料和3种填料的微波吸收能力，发现与其他测试材料相比，NiZn铁氧体在2.45 GHz下具有出色的微波吸收能力。

Liu等[8]研究了由羰基铁粉(CIP)和炭黑(CB)组成的单层涂层在2 GHz～18 GHz范围内的微波吸收特性。研究结果表明，随着CIP比例、CB含量或厚度的增加，吸收带的频率会向较低的频率范围偏移。因此，通过调节复合材料中CIP或CB的含量，可以在所需的频率范围内应用吸波涂料。CIP含量较高的样品在较低的频率范围内总体上具有较好的吸收效率。随着CIP含量的增加，每单位体积的非磁性矩阵中的磁极数会增加，μ′和μ″均增强。较高的μ″对于改善较低频率范围内的微波吸收特性非常有益。

刘为[9]用化学共沉淀法对普通玄武岩集料和钢渣集料进行改性处理，在集料表面生成具有磁性的Fe3O4纳米颗粒，以此来增强集料的吸波性能。结果表明，改性钢渣和改性玄武岩集料的沥青混合料试件在微波炉中的加热效果明显优于普通集料的试件，说明磁性材料可以显著提高沥青混合料的微波加热速度。

3 结论与展望

传统沥青混合料的微波损耗机理主要是介电损耗，而掺有磁性材料的沥青混合料的微波损耗机理既有介电损耗，也有磁损耗，因此，具备良好的吸波性能。Peng等[10]推导了量化微波辐射下材料磁损耗的简化方程，以证明磁损耗在微波加热中的重要性。他们通过计算发现，在铁氧体的微波加热中，磁损耗高达电介质损耗的大约4倍。这些结果从理论上证明了磁性介电材料在磁场中的加热速度比微波施加器的电场中的加热速度快得多。另外，从制备难度上讲，磁损耗材料比电损耗吸波材料更具有应用潜力，因为电损耗型材料对微波表现为吸收或反射很大程度上取决于其电阻率。一般情况下，良导体对微波以反射为主，半导体以吸收为主，绝缘体以穿透为主。电损耗型材料与水泥或沥青混凝土复合后，若吸波材料发生聚集、搭接等现象，则引起局部为导体，其他部位为绝缘体的现象。为解决这一问题需要更加精密的设备与更复杂的添加工艺[11]。