本文档发表于学术期刊 *Applied Thermal Engineering*（第129卷，2018年，第871–883页）。研究主要作者包括Yihan Sun、Shaopeng Wu（通讯作者，邮箱wusp@whut.edu.cn）、Quantao Liu、Jianfu Hu、Yuan Yuan和Qunshan Ye。作者所属机构包括武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室、浙江省交通规划设计研究院以及长沙理工大学道路结构与材料交通行业重点实验室（长沙）。该研究发表于2018年，论文于2017年10月10日在线发布。
研究的学术背景： 本研究隶属于道路工程与材料科学交叉领域，具体关注功能性沥青路面技术。冬季路面冰雪严重威胁寒冷地区的交通安全，据报道，寒冷冬季约25–30%的交通事故由路面积冰引起。传统的除冰雪方法（如化学融雪剂、机械清除、流体循环加热系统等）存在诸多局限：化学融雪剂在极低温下效果有限，且腐蚀基础设施、污染环境；而埋置管道的流体循环加热系统虽有效，但通常融雪效率较低，需要数小时才能完成。近年来，基于感应加热（Induction Heating）和微波加热（Microwave Heating）的自愈合沥青混合料技术成为研究热点，该技术能有效修复沥青路面微裂缝。研究者注意到，自愈合技术与冰雪融化过程均依赖于路面温度的提升。因此，本研究提出一个创新构想：将原本用于修复裂缝的自愈合加热技术，同时应用于路面冰雪的快速融化，旨在探索兼具自愈合能力与高效除冰雪功能的多功能沥青路面材料。
详细研究流程： 本研究包含五个主要部分：材料准备与性能测试、加热性能测试、融冰性能测试、融雪性能测试以及融冰过程中的自愈合性能评估。研究选用两种自愈合沥青混合料作为对象：钢纤维改性沥青混合料（以安山岩为骨料，掺加体积比为6.0%的钢纤维）和钢渣沥青混合料（以钢渣替代部分骨料）。两种混合料均采用AC-13级配，沥青用量为5.3%。
1. 加热性能测试： 采用800W微波炉和功率7.3kW、频率123kHz的感应加热设备，对标准马歇尔试件（直径101.6 mm，高63.5 mm）进行加热。加热过程中，使用光纤温度传感器记录试件顶面中心温度。结果显示，微波加热下，钢纤维改性沥青混合料和钢渣沥青混合料的加热速率分别为0.643°C/s和0.557°C/s；感应加热下，两者的加热速率分别为0.541°C/s和0.193°C/s。这表明钢渣沥青混合料在感应加热下的升温能力有限，因此在后续冰雪融化测试中，未包含“钢渣沥青混合料+感应加热”这一组合。此外，研究使用了红外热像仪来可视化加热和融化过程中的温度分布。
2. 融冰性能测试： 在试件表面制备厚度分别为5、10、15 mm的冰层，初始温度均控制在约-20°C。分别采用感应加热和微波加热进行融化。融冰测试的终点定义为冰块在其自重作用下能从试件表面分离的时刻，而非完全融化成水，这更符合实际工程中借助铲雪车清除的思路。对于微波加热，采用加热20秒、间歇10秒的循环模式以便记录数据；感应加热则连续加热120秒。测试记录了融化时间、融化冰块质量，并使用红外热像仪监测温度变化过程。每种条件均进行了多次测试以获取平均融化速度（定义为融化质量除以融化时间）。
3. 融雪性能测试： 在试件表面铺设15 mm厚的雪层并轻微压实。测试方法与融冰类似，但融雪终点定义为雪完全转化为水。同样记录融化时间和融化雪的质量，计算平均融化速度。
4. 自愈合性能评估（融冰过程中）： 为评估冰雪融化过程对裂缝愈合的影响，研究进行了三点弯曲试验。首先，使用动态力学分析仪在-20°C下将矩形沥青混凝土小梁（10 mm × 8 mm × 40 mm）断裂。然后，在断裂试件表面附着5 mm厚冰层，并采用感应或微波加热将试件温度升至约80°C（文献推荐的愈合温度）并保持约30分钟以模拟融冰愈合过程。融化愈合后，再次在-20°C下对试件进行断裂测试。通过比较愈合后的第二次断裂力与初始断裂力，计算愈合率，以评价水分（融冰产生）存在下的愈合效果。
主要研究结果： 1. 融冰性能： 三种有效组合（钢纤维+感应加热、钢纤维+微波加热、钢渣+微波加热）均表现出卓越的融冰能力。所有厚度的冰层都能在2分钟内被加热并从试件表面分离。红外图像清晰显示，加热能量（感应或微波）能穿透冰层直接加热沥青混合料，冰体本身温度保持很低（约-10°C），证明了冰对这两种电磁加热方式基本不吸收能量。平均融冰速度得到极大提升，从以往管道加热系统研究的不足1 g/min提高到超过10 g/min。其中，钢纤维改性沥青混合料在微波加热下获得了最高的平均融冰速度24.1 g/min。冰层厚度（在本研究范围内）对融冰过程影响甚微，因为电磁能量能有效穿透。研究特别指出，在微波加热过程中，界面处产生的少量液态水能被微波高效加热，从而显著加速了融冰过程。
2. 融雪性能： 微波加热展现了更高的融雪效率。钢纤维改性沥青混合料和钢渣沥青混合料在微波加热下的平均融雪速度分别达到53.9 g/min和48.5 g/min。而钢纤维改性沥青混合料在感应加热下的平均融雪速度为19.9 g/min，虽然低于微波加热，但仍远高于传统管道系统的约0.3 g/min。研究强调，微波加热下，融雪产生的液态水扮演了关键角色，水分子能高效吸收微波能并迅速升温，形成“自我增强”的加热循环，从而大幅提升融雪速率。此外，研究还展示了一个300 mm × 300 mm × 50 mm的钢纤维改性沥青混合料板在感应加热下，仅需7.5分钟的实际加热时间（总耗时15分钟，含间歇）即可完全融化15 mm厚的积雪，验证了该技术的实际可行性。
3. 融冰过程中的自愈合性能： 结果令人意外且重要：在模拟融冰过程的愈合条件下，三种自愈合沥青混合料的愈合率都非常低（钢纤维+微波加热：24.1%；钢渣+微波加热：16.4%；钢纤维+感应加热：18.9%）。这表明，来自冰雪融化的水分滞留在裂缝表面，严重阻碍了沥青的热愈合过程。这一发现揭示了同时实现高效融冰和有效愈合所面临的挑战。
研究结论： 本研究成功验证了自愈合沥青混合料结合感应加热或微波加热技术，能够显著提升路面冰雪的融化性能。冰层可在2分钟内分离，融雪速度相比传统方法有数量级上的提升。微波加热因其对水的高效加热特性，在融雪方面表现尤为突出。然而，研究也发现了一个关键问题：冰雪融化产生的水分会抑制沥青混合料裂缝的热愈合。因此，论文提出重要建议：在实际应用中，应在融冰/雪过程之后，增加一个单独的加热过程。这一后续加热的目的，一是为了蒸发裂缝中的水分，促进裂缝的充分愈合；二是为了防止残留在路表的融水再次结冰，保障持续的安全通行条件。
研究亮点与价值： 本研究的核心亮点在于提出了“多功能一体”的创新理念，将用于路面养护的自愈合加热技术，创造性地应用于冬季除冰雪难题，为智能路面系统的发展提供了新思路。其方法的新颖性体现在系统比较了感应和微波两种电磁加热方式在相同材料体系下的冰雪融化效能与机理差异，特别是明确了微波加热中“水”的关键媒介作用。研究结果的重要性在于，它不仅在实验室尺度上证明了该技术的高效性（融冰速度提升超过10倍），还通过板状试件试验初步验证了工程可行性。同时，研究揭示了一个潜在的矛盾——高效融冰与有效自愈合在水分存在条件下难以同时实现，这为后续技术优化（如提出两阶段加热策略）指明了方向。该研究兼具显著的科学价值（深化了对电磁加热下沥青混合料-冰-雪-水多相体系热传导与能量耦合机制的理解）和应用价值（为开发新一代主动除冰雪、自修复的低碳环保型智能路面提供了实验依据和理论指导）。
其他有价值内容： 论文对感应加热和微波加热的融化机理进行了详细的理论阐述。感应加热主要通过电磁感应在导电材料（如钢纤维）中产生涡流发热，冰和雪不吸收能量。微波加热则是通过介质损耗将电磁能转化为热能，沥青本身介电损耗低，但钢渣或钢纤维的加入可增强吸收；尤为关键的是，液态水具有极高的微波吸收能力，一旦形成便加速整个过程。这些机理分析很好地支撑了实验结果。此外，研究还对能量效率进行了讨论，虽然未给出精确的能耗对比数据，但通过对比不同方法的输出功率（微波800W vs. 感应7300W）和取得的融化速度，间接说明了微波加热在能量利用效率上的潜在优势。最后，论文致谢部分显示研究获得了中国国家自然科学基金等多个项目的支持，体现了该课题受到学术界的重视。