沥青路面是中国高等级公路重要的路面结构形式，具有表面平整、行驶舒适、噪声低、养护简便等优点。然而，随着高速公路交通渠化程度越来越高及恶劣天气的频繁出现，导致沥青路面早期损坏现象相当普遍。裂缝是沥青路面的典型病害之一。若不能及时进行修补和养护，雨、雪沿裂缝渗入到路面面层和基层，在交通荷载的重复作用下导致路面结构逐渐弱化甚至破坏，这将严重影响道路的使用性能，缩短道路的使用寿命。

1967年，Bazin等^[1]首次提出沥青混合料具有自愈合性能。为了增强沥青混合料的自愈合性能，国内外学者进行了大量的研究，包括光诱导法^[2-6]、微胶囊法^[6-9]、感应加热法^[10-13]、微波加热法^[14-15]等。其中，微波加热是一种新型的热能技术，是通过介质与微波间的相互作用使微波能转化成热能的加热方法，具有穿透性好、温度梯度小、体积加热、非接触加热等优点，已广泛应用于食品、陶瓷、镁基材料、金属等加工行业中。近年来，微波加热技术逐渐应用于沥青路面养护和融雪除冰领域^[16-18]。微波加热沥青混合料自愈合是一种快速、均匀、节能的诱导方式，应用前景非常广阔。

针对目前国内外微波加热沥青混合料自愈合性能研究发展现状，通过广泛查阅文献资料，介绍了沥青自愈合机理、微波加热机理、微波加热材料、微波加热沥青混合料自愈合性能影响因素、微波加热沥青混合料自愈合性能评价方法等内容。最后，对微波加热沥青混合料自愈合性能工程应用进行了探讨和展望。

当两个断裂表面在高于玻璃化转变温度下接触时，断裂变得无法从任何表面分辨，且伴随着机械强度增加，材料原始性能恢复，称为聚合物自愈合^[19]。沥青为黏弹性材料，且具有时间和温度相关性，受高分子材料自修复的启发，广大研究学者均在实验室或者实际路面中证实了沥青材料的自修复特性。由于沥青成分、微观结构以及复杂的相互作用，沥青材料的愈合机制尚未完全清楚。沥青材料自愈合机理主要包括裂缝表面分子扩散理论、裂缝表面能理论和毛细流动理论3种。

分子扩散理论描述了基于聚合物链动力学的自修复行为。Wool等^[20]从分子扩散的角度提出聚合物裂缝的愈合包括5个阶段：表面重排、表面接触、润湿、扩散和随机分布，并认为愈合是在润湿过程和扩散过程产生的，提出用卷积分函数来描述由于润湿和扩散过程而引起的愈合。基于分子扩散理论的愈合机理很好地描述了聚合物的裂缝愈合过程，然而沥青材料作为高分子材料，其复杂的化学组分、微观结构以及相互作用与聚合物有一定的差异。因此，不能简单套用分子扩散理论对沥青的愈合过程进行解释。

在断裂力学中，沥青混合料开裂和愈合的过程实际上是裂缝表面积的变化，而裂缝愈合过程实际上是裂缝表面能的降低^{[15, 21]}。Lytton^[22-23]从细观损伤力学角度出发，提出材料中的裂纹愈合公式，并通过试验建立了沥青混合料愈合速率与其短期愈合速率及长期愈合速率的数学关系。为了更清晰地描述沥青混合料的愈合过程，Lytton和Schapery^[24-25]建立了愈合速率与材料表面能的相关性，借助损伤力学基本理论，获得了长期愈合速率和短期愈合速率与材料性质参数的关系。基于裂缝表面能理论较好地从能量角度解释了材料自愈合特性产生的原因，但是断裂力学多应用于脆性材料，对于成分、微观结构、相互作用复杂的黏弹性沥青材料应用具有局限性，也不能解释混合料自修复的发展过程和发展规律^[21]。

荷兰学者García等^[26]建立了沥青自愈毛细流动理论模型，并认为在适宜温度条件下，两个裂缝接触时，会有接触点和空隙，当黏合剂表现为牛顿流体时，接触点将出现压力差，这将驱动沥青毛细流动，进而有助于裂缝修复，如图 1所示。在裂纹中驱使沥青发生毛细作用的力主要包括沥青表面张力、沥青黏结力和重力(被认为静水压力)，平衡方程为^{[15, 27-28]}：

(1)

图 1 愈合过程中作用于沥青混凝土裂缝的力示意图[26] Fig. 1 Schematic diagram of forces acting on asphalt concrete cracks during healing process[26]

图选项

假定愈合过程的速度在所有方向上都是恒定的，一定数量的接触点(C_p)可能发生愈合的方程表示为

(2)

(3)

式中，r为裂纹宽度；γ为液体的表面张力；h(t)为随时间变化的高度；ρ为黏合剂的密度；h_p为梁表面到裂缝底部的距离；β为耗散参数(考虑愈合过程中可能的能量耗散源)；A (t)为一定时间愈合后的有效面积。

基于毛细流动愈合模型的前提是沥青材料要处于牛顿流体状态，且考虑温度的限制，因此，毛细流动模型的应用具有一定的局限性。

微波是一种波长1~1 000 mm，频率0.3~300 GHz的电磁波。通过微波辐射对材料的有效加热主要取决于材料的物理性质。一般来说，材料分为3类：介质(可吸收微波能量)、导体(微波被反射)和绝缘体(微波通过时几乎没有衰减)^[29-31]。

微波加热是通过激发被辐射材料中的偶极子来传递电磁场的能量。由于微波可以穿透材料，热量可以在材料的整个体积中产生。因此，微波加热方式能够实现快速、均匀的加热^[32-35]。传统加热和微波加热两种加热机制如图 2所示。

图 2 发热机制 Fig. 2 Heating mechanism

图选项

介质内作无规则运动的偶极子，在电磁场的作用下将按照电场的极性排列。因此，在高频交变电磁场的影响下，偶极子围绕其轴震荡，产生类似摩擦的作用，从而以热的形式表现出来^[36-37]，如图 3所示。

图 3 偶极子的排列 Fig. 3 Arrangement of dipoles

图选项

在微波加热中，材料与电磁场的相互作用，很大程度上由该材料的介电损耗、磁损耗特性决定的。材料的复介电常数ε和复磁导率μ为^[38-41]：

(4)

(5)

式中，ε₀为真空介电常数；μ₀为真空磁导率；ε′_r为介电常数实部；ε″_r为介电常数虚部；μ′_r为磁导率实部；μ″_r为磁导率虚部；ε′_r和μ′_r为材料储存电能和磁能的能力；ε″_r和μ″_r为材料的损耗因子，反映材料对电磁波的损耗能力。

损耗角正切tan δ为：

(6)

式中，tan δ_e为电损耗角正切；tan δ_m为磁损耗角正切。当电损耗角正切值和磁损耗角正切值较大时，微波吸收材料能够减少电磁波在材料表面的反射、增强吸收和衰减，即材料的ε″ _r和μ″ _r越大，材料对电磁波的损耗能力越强^[40]。

微波加热是一种快速、高效的加热方式，但由于普通沥青混合料中沥青和集料的微波吸收性能较差，因此，需要添加良好的微波吸收剂以及替换较高微波敏感的集料，来提高沥青混合料的微波加热性能，从而促进沥青混合料的自愈合性能^[42]。

最先研究岩石对微波响应是辅助机械工具对岩石进行破碎。岩石内微波吸收强的成分被选择性地加热，使岩石内部产生温度梯度和不同的体积膨胀，进而降低破裂所需的机械能^[43-46]。然而，随着微波加热沥青混合自愈合性能研究发展，广大学者开始关注微波下骨料对沥青混合料加热性能的影响。

Benedetto等^[34]研究了玄武岩和硅钙质在微波加热下的加热性能。试验表明，两种骨料达到150 ℃的时间分别是9 min和12 min，微波加热对玄武岩更加有效。Peinsitt等^[45]通过测试岩石的介电常数，分析了砂岩、花岗岩和玄武岩微波作用下的加热差异性。结果表明：随着岩石介电常数虚部的增加，骨料的加热性能逐渐增大。Gallego等^[47]研究了10种集料在微波下的加热效果。结果表明，集料之间产生了不同的加热响应，并提出T70参数(初始温度20 ℃，通过加热达到70 ℃的加热时间)对集料加热敏感性进行了分类。

由于集料占沥青混合料质量的90%以上，因此，在沥青混合料中使用微波敏感集料，将有助于微波加热下沥青混合料的自愈合。沥青混合料微波加热过程如图 4所示。

图 4 微波加热过程 Fig. 4 Microwave heating process

图选项

微波吸收材料根据损耗材料可分为磁损耗型和电损耗型。磁损耗型主要是以磁损耗为主，在较低频率范围内表现出良好的吸收率。电损耗型主要受电场作用，通过提高导电性来引起介电损耗，密度比磁损耗型材料低^[48-50]。

Norambuena等^[51]研究发现掺入钢丝绒能够很好的提升沥青混合料的自愈合性能，但钢丝绒容易集中，呈现出局部加热现象。Phan等^[52]研究了钢丝绒掺量对沥青混合料的微波加热性能和愈合性能的影响。结果表明，随着钢丝绒掺量的增加，加热速率逐渐增加；当添加2%时，沥青混合料表现出较好的温度分布以及愈合效果。Gulisano等^[53]研究了钢丝绒掺量和形状对沥青混合料微波加热能量的影响。结果表明，添加含量2%、长10 mm的钢丝绒沥青混合料表现出较好的能量效率，且与电磁感应加热相比，钢丝绒掺量减少了10倍。Li等^[54]研究了钢渣替代石灰石填料提高沥青胶浆愈合性能的可行性。结果表明，掺入0.2%钢渣的沥青胶浆，与原样沥青胶浆相比，复数模量、疲劳寿命和耗散能分别提高了39.99%，10.15%，5.82%。Sun等^[55]对比研究了钢纤维沥青混合料与钢渣沥青混合料的加热性能和自愈合性能。结果表明，钢渣沥青混合料表现出更好的加热均匀性和愈合性能。向阳开等^[56]根据钢渣替换集料的粒径范围，研究了钢渣沥青混合料的自愈合性能。结果表明，与普通沥青混合料相比，粗石细钢型、粗钢细石型以及全钢型沥青混合料的愈合率分别提升了11.7%，14.7%，11.7%。Zhu等^[57]研究了不同铁氧体粉末掺量对沥青混合料自愈合性能的影响。结果表明，添加80%铁氧体粉末的沥青混合料，疲劳寿命延长率和刚度模量恢复率分别提高了31.1%，41%。Wang等^[49]研究发现掺入7%羰基铁粉的沥青混合料，微波反射率峰值达到了― 19.1 dB。Liu等^[58]研究了羰基铁粉对沥青混合料自愈合性能的影响。结果表明，与普通沥青混合料相比，添加羰基铁粉的沥青混合料愈合率提高了37.5%。

Li等^[59]研究了碳纳米管和石墨烯对沥青材料自愈合性能的影响。结果表明，掺入石墨烯、碳纳米管的沥青愈合指数提升了55.26%，61.31%，且很好地提高了沥青的应力松弛能力和高温流变性能。Gulisano等^[53]研究了1%，2%石墨烯纳米材料对沥青混合料自愈合性能的影响。结果表明，当掺入2%时，沥青混合料表现出较好的愈合性能，且能节省50%的热能。Jahanbakhsh等^[60]研究了炭黑对沥青混合料微波加热性能的影响。结果表明，当掺入10%炭黑时，导热性能达到最佳水平，加热速率提高47%，且炭黑的掺入提高了沥青混合料的高温性能，降低了低温性能。李诗琦等^[61]研究了炭黑对沥青混合料自愈合性能的影响。结果表明，掺加炭黑的沥青混合料愈合性能提高了20.4%。

综上，磁损耗型、电损耗型吸波剂都能很好地提升沥青混合料的自愈合性能。然而，这些吸波材料也存在一些问题。其中，金属废料的掺入在沥青混合料中容易产生团簇现象，增大空隙率，降低耐久性^{[52, 59, 62]}；钢渣的掺入将增加了沥青混合料的沥青用量，且钢渣成分中f-CaO的存在，也可能会引起沥青混合料的体积不稳定^[63-64]；铁氧体的掺入降低了沥青混合料的水稳定性和低温抗裂性，且铁氧体产量小，成本高^[50]；羰基铁粉的掺入是否对沥青混合料的性能产生影响，目前研究比较缺乏；碳纳米管和石墨烯两种微波吸收剂的成本高，投入使用将大大增加道路建设成本。此外，炭黑作为一种质量轻、便宜以及有较高耐酸耐磨性的导电材料，炭黑的掺入沥青混合料中不仅能提高自愈合性能，而且能很好提升高温性能。因此，炭黑是一种较理想的微波吸收剂，具有一定的应用前景。微波吸收材料性能比较如表 1所示。

朱洪洲等^[65]研究了不同微波功率下沥青混合料的愈合性能。结果表明，功率越小，沥青混合料能够达到的愈合温度越低，且与350 W相比，700 W功率的愈合性能提升了46.33%。高子渝等^[66]研究了微波频率对沥青混合料加热性能以及穿透深度的影响。结果表明，5.8 GHz频率的温升幅度是2.45 GHz的3.26倍，但5.8 GHz频率的加热深度仅为2.45 GHz的69%左右。因此，提高功率、降低频率将能够很好地提升沥青混合料的自愈合性能。

徐辰等^[67]基于能量密度比评价了70^#，90^#，SBS改性沥青的愈合性能。结果表明，3种沥青的愈合性能优劣为70^#＞90^#＞SBS改性沥青。朱洪洲等^[68]采用70^#、SBS改性沥青制备沥青混合料，研究了沥青种类对沥青混合料愈合性能的影响。结果表明，在相同愈合条件下，采用70^#、SBS改性沥青的混合料愈合率分别为80%，85%。陈瑞璞等^[69]研究了90^#、SBS改性沥青制备的沥青混合料随着老化程度的愈合性能。结果表明，随着老化程度的增加，愈合率均逐渐下降，90^#基质沥青混合料愈合率下降了44.11%，SBS改性沥青下降了8.40%，改性沥青较好的抗老化性，减缓了老化对沥青流动性的影响。朱洪洲等^[70]分析了AC-13、SMA-13级配类型对沥青混合料自愈合性能的影响。结果表明，AC-13型表现出更好的愈合性能，SMA-13中粗集料较多，在断裂面愈合时需要更多的沥青，降低了其愈合性能。因此，沥青性能及沥青混合料类型对沥青混合料自愈合性能的影响，主要表现在沥青的黏度、沥青老化后的流动性以及沥青在断裂面与集料的裹附。

Norambuena等^[51]研究了加热时间对沥青混合料愈合性能的影响。结果表明，加热40 s时，沥青混合料的愈合率是30 s的2倍，且随着加热时间的增加愈合率逐渐增加。Zhu等^[57]研究了加热30，60，90，120，150，180 s沥青混合料的愈合性能。结果表明，随着加热时间的增加，愈合率大幅提高。但超过最佳加热时间，愈合率下降。这是因为高温对沥青性能产生了一定的影响以及裂纹处的温度与裂纹周围的温度差值过大，影响了沥青流入裂缝的能力。Benedetto等^[34]研究了集料含水率对微波加热的影响，发现在0.5%~1.0%之间存在最佳含水率，超过最佳含水率将会对加热产生不利影响。Sun等^[71]研究了含水率对沥青混合料愈合性能的影响。结果表明，当含水率较低时，加热速率将显著提高，愈合性能略微增加。孙艺涵等^[72]通过真空饱水稳定度试验对沥青混合料进行水损处理，研究了饱水状态下沥青混合料的自愈合性能。结果表明，与干燥状态相比，饱水下的愈合率下降了28.2%。水分能够提升沥青混合料的加热效率。但随着水分的增加，水的汽化需要大量的热量，且水分的存在润湿了沥青与集料界面，因此，对愈合过程产生一定的阻碍作用^[35]。Zhu等^[64]通过冻融循环来模拟沥青混合料不同程度的损伤。结果表明：随着冻融循环次数的增加，恢复率逐渐降低，当疲劳寿命降低到初始值的30%时，愈合率降低了62.9%。Phan等^[52]研究了不同损伤程度对沥青混合料愈合性能的影响，如图 5所示。结果表明，愈合性能随着裂纹的形成而显著变化，当裂缝增大时，愈合性能逐渐降低，且试件伴随着骨料的破损5(b)，愈合性能将大幅度降低。

图 5 样品损伤程度 Fig. 5 Sample damage degree

图选项

综上所述，沥青混合料的自愈合性能受到微波特性、沥青性能及沥青混合料类型以及外部环境等因素的共同影响。其中，微波特性主要是影响沥青混合料达到愈合温度的加热时间来影响愈合性能。沥青性能及沥青混合料类型主要是通过沥青材料性能和黏附性影响自愈合性能。外部环境对沥青混合料自愈合性能的影响最为显著，当超过最佳加热时间，含水率过高，损伤程度较大时，沥青混合料的自愈合性能显著下降。

微波加热沥青混合料自愈合性能是一种有效的修复技术，能够很好地减少路面养护成本，延长路面寿命。微波加热方式呈现出的快速、节能、均匀等特点，为快速修复沥青路面早期损伤提供了新思路。因此，其推广应用前景非常广阔。但从实际工程应用来看，微波加热沥青混合料自愈合性能研究的现实可行性仍然有待进一步研究。主要表现在：

(1) 加热时机：针对路面的预养护施工中，大多数情况均是产生了较大的破坏或者有了裂纹发展趋势，才会进行养护处理。然而随着损伤的发展，微裂缝融合成宏观裂纹，使得活化能垒变得过高，沥青分子无法攀爬，导致自愈合不能进行。因此，如何确定沥青混合料的最佳养护时机，还需进一步的研究。

(2) 加热时间：由于现行所铺筑的路面具有不同的类型，且沥青路面所处外界环境不同，因此，微波加热路面施工时，不能很好地确定路面的最佳加热时间。如果加热时间过长，将容易造成路面的损坏、增加经济成本。反之，将导致沥青路面不能很好地愈合。

(3) 微波加热设备：目前，微波加热沥青混合料自愈合试验更多的是室内研究，微波加热设备主要是家用微波炉。在实际工程应用中大型微波加热移动设备主要应用于路面再生、融冰除雪的施工中，微波加热自愈合方面的研究还较少。因此，需要进一步研究微波加热设备及方式，从而推动微波加热沥青混合料自愈合性能研究的工程应用。