一、概述
由于对铺路材料持久性需求的不断增长，沥青混合料中的聚合物改性已成为具有吸引力的解决方案。感应加热诱导聚合反应是一种用于环氧沥青（EA）体系的原位固化技术，保留着温度驱动聚合的大部分优势，并解决了允许通车前需要在较低温度下经历较长固化时间的问题。
分散在混合料中的钢纤维暴露于感应线圈产生的交变电磁场时受热升温，从而快速引发环氧沥青的聚合反应。本研究对试样进行 CT 扫描，重建含钢纤维的成型压实混合料微观结构，采用有限元模拟计算有效电导率。通过已有模型的扩展对电磁感应诱导环氧沥青的聚合进行模拟，预测固化进程的演变和进一步的力学性能，验证电磁感应是一种可靠的 EA 体系聚合方法。
二、图像处理和模拟
将钢纤维与沥青砂浆混合制备试样，钢纤维的长度和直径分别为 2.5 mm 和 0.083 mm，沥青砂浆中粘合剂、填料和细砂的重量百分比为 28:38:34。使用高分辨率的 X 射线 CT 设备对试样扫描，获得的图像数据导入 Simpleware 软件进行处理。基于阈值将试样分割为钢纤维和沥青砂浆两相，测得钢纤维的体积分数为 4.7%。在 Simpleware FE 模块为边长 1.18 mm 的立方体模型生成体积网格，包含约 50 万个四面体单元。
将生成的高质量体积网格模型导入 COMSOL Multiphysics 进行模拟，设置沥青和钢纤维的电导率分别为 10 × 10-6 S/m 和 4.8 × 106 S/m。在模型的两个对立面施加 10 V 的电势梯度，视其余四个侧面为电绝缘。
本研究模拟沥青路面感应热产生和温度发展所用多物理模型为已开发模型的扩展版本，可预测由交变电磁场引起均匀连续介质/路面中的热量发展。交变磁场的来源为沿介质移动单匝感应线圈的系统，三维模型中约包含 70 万个四面体单元。
假设连续介质为各向同性的路面结构（高度 0.3m），整个介质/路面的相对磁导率为 1，相对介电常数为 6。结合计算获得的感应介质电导率数量级为 1 S/m，这里设置有效电导率为 10 S/m。感应线圈选用铜（电导率 6 × 107 S/m），原型线圈的运行条件：供电电压 2 kV，频率 70 kHz，速度 0.01 m/s。线圈与顶层表面的距离为 0.025 m，单匝线圈间的水平距离为 0.2 m。
三、结果与分析
3.1 有效电导率
如材料中的电势空间分布所示，随机取向纤维上的电流密度更高。由于巨大的电导率差异，沥青部分中的电流密度远低于纤维。结果表明，掺入高电导率材料如钢纤维对整个复合体系的有效电导率具有显著作用。复合材料也会受到基体中掺杂含量的影响，大量掺杂物相互接触将在基体中形成导电通路。因此，材料超过渗滤阈值，作为导体被交变磁场诱导。
3.2 感应加热
感应系统能够在介质表面产生高温（最高达 101.7 °C），且在结构内部形成温度梯度的有效传播。值得注意的是，感应加热产生的最高表面温度及当前方法的加热效率与感应线圈在表面的移动速度呈函数关系，通过加快线圈的移动速度可以提高加热效率。工业级高效感应系统的理想移动速度应至少达到 1 m/s（3.6 km/h），与常规铺路/压实工艺速度相当。通过数值模拟预测介质的温度和转化率分布，评估感应技术对 EA 交联反应的影响。
可以通过更改 EA 体系的化学特性（反应性）或电磁源的运行条件调节反应速率，在原位感应加热过程中施加较大的功率将获得更高的加热速率。
本研究的重点是探究影响 EA 聚合过程的化学相关参数，特别是活化能与反应速率。当活化能为 30 kJ/mol（较低值）时，转化率快速增至近乎完全固化状态。对于具有更高活化能的 EA 体系，需要通过提高感应功率或降低线圈移动速度才能获得与在低活化能体系介质表面相似的转化率。在感应加热诱导聚合的过程中，转化率的演变和沿高度的分布随介质的活化能变化。将反应速率由 500 1/s 提高至 1000 1/s 和 1500 1/s 可略微加速聚合，但整体交联性能主要受通过感应加热控制聚合效率的活化能影响。采用感应加热方法固化环氧树脂改性沥青混合料的优势在于可以调控加热条件，从而实现从感应介质表层至深层的加热和固化。
四、总结
本研究探讨了利用电磁感应技术诱导热硬化性材料（EA 体系）固化的可行性，在路面施工后适时可控地激发 EA 的交联反应，从而加速形成结构的服役性能（即开放交通）。核心思路是在施工现场配置含感应线圈的专用车辆，在铺设/压实后沿路面移动，通过加热 EA 层加速材料聚合过程，根据需求可采用单次或多次操作。
五、参考
- Apostolidis P, Liu X, van de Ven M, et al. Control the crosslinking of epoxy-asphalt via induction heating[J]. International Journal of Pavement Engineering, 2020, 21(8): 956-965.