Autovindecarea mixturii asfaltice drenante cu

ajutorul nclzirii prin inducie

Mixtura asfaltic drenant prezint performane excelente n reducerea zgomotului, ct i n drenarea apei. Dei mixtura asfaltic drenant are aceste mari caliti, durata sa de via este mult mai scurt (uneori doar jumtate), comparativ cu drumurile din asfalturi dense. Degradarea, care este pierderea de particule agregate din stratul de suprafa, este mecanismul principal de deteriorare a suprafaei de asfalt poros. n aceast cercetare, o abordare de vindecare prin inducie (i anume, activarea procesului de vindecare a betonului asfaltic prin nclzire prin inducie) a fost dezvoltat pentru a spori durabilitatea drumurilor din mixtur asfaltic drenant. Fibrele metalice sunt adugate la un amestec de mixtur asfaltic drenant pentru a le face conductoare de electricitate i a fi potrivite pentru nclzire prin inducie. Atunci cnd microfisurile sunt de ateptat s apar n asfaltul turnat, temperatura masticului bituminos poate fi crescut la nivel local prin nclzire prin inducie a fibrelor de oel, astfel nct mixtur asfaltic drenant se poate repara i nchide fisuri prin vindecarea la temperatur nalt a bitumului (difuzie i a fluxului).nchiderea microfisurilor va preveni formarea de macrofisuri. ntr-un astfel de mod, degradariele pot fi evitate sau ntrziate.

Pentru a face asfaltul poros s fie conductor de electricitate i potrivit pentru ncalzire prin inducie, fibre (ln) de oel au fost ncorporate n compoziia lui. Exist un coninut optim al volumului de fibre de oel care se pot aduga n asfaltul poros pentru a se obine cea mai mare vitez de nclzire prin inducie. Adugarea de mai multe fibre de oel dect acest coninut optim de volum nu crete viteza de nclzire prin inducie. n plus, cea mai mare vitez de nclzire cu inducie corespunde rezistivitii electrice minime. Diametrul, lungimea i coninutul de fibr de oel sunt importante pentru conductivitate i viteza de nclzire a matricei de beton asfaltic. Este dovedit faptul c nclzirea prin inducie nu provoac mbtrnirea suplimentar a bitumului. Adaosul de ln de oel reduce, de asemenea, problema de drenaj a liantului din betonul asfaltic poros. Renclzirea nu scade rata de vindecare a betonului asfaltic poros, ceea ce nseamn c nclzirea se poate repeta cnd apar fisuri noi.

Avantajele i dezavantajele mixturii asfaltice drenant de uzur

Figura 1: Comparaie ntre o suprafaa de asfalt poros ( suprafaa din stnga, curata), i o suprafaa de asfalt dens (suprafaa din dreapta, umed cu ghea i ap) n stare umed

Caracteristici

Mixtura asfaltic drenant

Avantaje

Niveluri de zgomot reduse n structura rutier

Stropi i pulberi reduse

Evitarea fenomenului de acvaplanare i ap

Minimizarea hidroplanrii

Buna aderare a vehicul i vizibilitate

Reducerea contaminrii apei

mbuntirea rezistenei la derapare

mbunatatirea vizibilitii pe timp de noapte

Reducerea consumului de combustibili datorat drumului mai neted

Scderea uzurii pneurilor

Dezavantaje

Viata de exploatare relativ mai scurt

Costuri de construcie mai ridicate

ntreinere suplimentar iarna

Scaderea contribuiei structurii

Autovindecarea poate fi definit ca fiind capacitatea ncorporat a unui material de a vindeca (repara) automat avariile survenite n timpul duratei sale de utilizare.

Primul material sintetic care s-a autovindecat a fost expus de ctre White acesta fiind un exemplu de polimer compozit cu microcapsule [White 2001]. Conceptul de autovindecare este ilustrat in Figura 2. Un agent de vindecare microcapsular este ncorporat ntr-o matrice structural compozita impreuna cu un catalizator capabil s polimerizeze agentul de vindecare. O fisura sparge microcapsule ncorporate, elibernd agentul de vindecare n planul fisurii prin actinea capilaritatii. Polimerizarea agentului de vindecare este declanat de contactul cu catalizatorul ncorporat, i rezulta nchiderea feelor fisurilor.

Figura 2.: Conceptul de auto-vindecare cu microcapsule [White 2001]

Principiile incalzirii prin inductie

Fibre de oel se adaug la amestecul de asfalt pentru ca acesta s devin corespunzator pentru nclzirea prin inducie. Reprezentarea schematic a nclzirii prin inducie pe mbracamintea rutier conductoare este ilustrata n figura 3. Principiile care se folosesc la nclzirea prin inducie sunt inducia electromagnetic i cldura prin efectul Joule. Conform legii lui Faraday de inducie electromagnetic, atunci cnd un material conductor electric, non-magnetic este expus la un cmp magnetic alternativ, n material se genereaz o for electromotoare indus. For electromotoare generat n material este proporional cu puterea indusa pe ea.

Figura3. Reprezentare schematica a inductiei caldurii printr o imbracaminte rutiera conductiva

Relatia dintre susa si forta electromotoare indusa poate fi exprimata astfel:

=BA=2fHA

unde: - forta electromotoare [V]

- frecventa unghiulara a campului magnetic [rad/s]

B- fluxul magnetic [Wb]

f- frecventa campului magnetic [Hz]

- permeabilitatea magnetica a materialului [Hm-1]

H- intensitatea campului magnetic [T]

A- Aria delimitate de fibra conductiva [m2]

Fora electromotoare indusa depinde de intensitatea cmpului magnetic i de rata de schimbare a fluxului cmpului magnetic. Pentru acest sistem de nclzire, o frecvena constant i o intensitate de curent constant a echipamentelor de inducie va genera un cmp magnetic constant i o for electromotoare constant.

n practic, acest lucru nseamn c un curent electric este indus prin fibrele atunci cnd fluxului magnetic atinge fibrele. Curentul electric genereaz cldur atunci cnd curge prin fibre conductoare. Acest lucru reprezint cldur prin efectul Joule. Viteza de nclzire indus de cldur prin efectul Joule este invers proporional cu rezistena electric a probei. Cu cat este mai mic rezistena, cu atat este mai mare rata de nclzire.

Experimentul de nclzire prin inducie a fost efectuat utiliznd un generator de nclzire prin inducie cu o capacitate de 50 kW i la o frecven de 70 kHz (Figura 4).Configuraia mainii de inducie i configurarea experimentului de nclzire prin inducie sunt prezentate n Figura 5. i Figura 6., unde se folosesc 6 condensatoare.

Figura 4. Geneatorul de ncalzire prin inducie

Figura 5. Configuraia generatorului de caldur prin inducie cu 6 condensatoare : numrul de condensatoare poate varia pentru a schimba frecvena campului magnetic

Figura 6. Modul de nclzire prin inducie

Distribuia temperaturii n prob

Pentru ncercarile de laborator s-au folit probe cilindrice de mixtura asfaltic drenant cu diametrul de 100 mm i grosimea de 50 mm. Ele au fost tiate din eantioane giratorii compactate pentru a obine suprafee plane.

Exista un volum optim al continutului de fibre de otel n mixtura asfaltica drenanta pentru a se obtine o viteza mai mare de ncalzire prin inductie. Adaugand un volum mai mare de fibre de otel nu se mareste viteza de ncalzire.

Tipul (diametrul) de fibra de otel este important pentru conductivitatea electrica i pentru viteza de ncalzirea prin inductie a mixturii asfaltice drenante. De asemenea lungimea initiala a fibrelor de otel este foarte importanta deoarece fibrele prea lungi trebuie sa fie evitate pentru ca sunt foarte greu de amestecat cu asfaltul i pot sa faca cocoloase.

Viteza de ncalzire prin inductie este dependent de distanta dintre proba i bobina generatorului de inductie. Cu cat mai mica este distanta cu atat viteza de ncalzire este mai mare. Distanta recomandata este de 10 mm.

n figura 7 avem o proba de mixtura asfaltic drenant i o imagine cu camera cu infrarosu pentru a arata modul n care proba se ncalzeste. Se poate observa clar c temperatura mortarului este mai mare dect cea a agregatelor (agregate sunt mai ntunecate dect mortarul). n plus, se dovedete c eantionul simplu, fr fibre de oel nu pot fi nclzit prin inducie. Din acestea resulta ca prin ncalzirea prin inductie n primul rand se ncalzeste mortarul cu fibre de otel i mai apoi agregatele. Cu toate acestea, cldura se transfer de la mortar la agregate foarte rapid. Avnd n vedere viteza de nclzire mare, cu ajutorul nclzirii prin inducie se poate nclzi mortarul pentru a se nchide interiorul fisuri fr a deteriora structura scheletului de agregate. De altfel multa energie se pierde prin pietre. Din acest motiv este preferata o vitez de nclzire mai mare.

Figura 7. Imagine cu camera cu infrarosu a probei

Cu toate acestea temperatura prea mare poate produce umflarea partii carosabile unde mixture asfaltica drenanta nu poate suporta excesul de expansiune cauzata de ncalzirea prin inductie. Umflarea bitumului are influente negative asupra proprietatilor mixturii asfaltice drenante.

Pentru a se aplica tehnologia de ncalzire prin inductie aspupra unei sosele din mixture asfaltica drenanta, o sectiune de proba a fost construita in Olanda pe autostrada A58 n Decembrie 2010. Aceasta sectiune de proba a supravietuit n urma a doua ierni perfect. Experimentele au fost efectuate pe probe luate de pe sectiunea de drum i rezultatele coincid cu cele din laborator. Probele din teren au artat bun rezisten la pierderea de particule, nalt rezisten, rezisten bun la oboseal i capacitate mare de vindecare prin inducie. Pe baza experimentelor de laborator i a experienelor din teren, vindecarea prn inducie poate fi o abordare foarte buna pentru a spori durabilitatea mixturii asfaltice drenante.

Din aceste experimente au rezultat cateva recomandari pentru urmatoarele cercetari. Fibra de otel, tehnologia de mixtura i geneatorul de inductie trebuie sa fie optimizate. Modelarea este necesara pentru a se ntelege pe deplin mecanismele implicate n procesul de vindecare inducie.

Figura 8.Constructia portiunii de drum care va fi tratata cu caldura prin inductie

Un numar mare de probe (100 mm) a fost forate din sectiuea de drum (vazute n Figura 9.). Au fost forate i probe care nu contineau fibra de otel pentru comparate. Pentru a prezice performanta seciunii de drum, probele au fost folosite pentru a face experimente pentru a studia nclzirea, proprietile mecanice i de vindecare a materialelor prezentate.

Figura 9. Probe prelevate din sectiunea care a fost tratata cu caldura prin inductie