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