吸波瀝青混合料路面材料設(shè)計(jì)

袁 斌 劉鑾成 李敬才

0 引言

微波加熱養(yǎng)護(hù)是目前最新、最先進(jìn)的瀝青路面養(yǎng)護(hù)方法，它是將電能通過磁控管轉(zhuǎn)換成微波功率，經(jīng)過一定的安全保障結(jié)構(gòu)近距離向路面輻射。處于微波覆蓋范圍內(nèi)的瀝青混凝土吸收微波后，極性分子在高頻電磁的作用下做高速的輪擺運(yùn)動(dòng)，分子間產(chǎn)生摩擦，溫度隨之升高，由于是介質(zhì)自身產(chǎn)生熱能，因此其加熱效率是其他加熱方式無法比擬的。微波加熱瀝青混合料是一種全新的加熱方式［1］。

瀝青路面微波養(yǎng)護(hù)技術(shù)具有修復(fù)速度快、加熱均勻、溫度梯度小、熱量散失少、無明火、無弱接縫和弱接面、修復(fù)質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，并能實(shí)現(xiàn)舊瀝青料重復(fù)利用，符合國(guó)家節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)的要求［2］。微波加熱是介質(zhì)材料自身?yè)p耗電磁場(chǎng)能量而發(fā)熱。使用微波熱再生技術(shù)進(jìn)行瀝青路面病害修補(bǔ)有著明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠深層加熱路面，而且不會(huì)將原有的瀝青混凝土燒焦［3］。微波熱再生技術(shù)可應(yīng)用到瀝青路面的坑槽、壅包、裂縫、翻漿、沉陷、車轍、松散等病害的及時(shí)修復(fù)。它具有加熱均勻、控制及時(shí)、無污染等優(yōu)越性，應(yīng)用于瀝青路面的現(xiàn)場(chǎng)熱再生，滿足高等級(jí)公路快速進(jìn)入、快速作業(yè)、快速撤離的工作要求。

微波加熱的特點(diǎn)如下:

1)加熱速度快;

2)均勻加熱;

3)節(jié)能高效;

4)易于控制;

5)安全無害。

總之，采用微波加熱瀝青混合料技術(shù)可以提高施工效率，實(shí)現(xiàn)流水施工，降低能耗，減少瀝青老化，提高路面工程質(zhì)量［4，5］。

1 理論分析

微波是指頻率在300 MHz～300×103MHz的電磁波。在微波電磁場(chǎng)的作用下，介質(zhì)中的極性分子從原來的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)為跟隨微波電磁場(chǎng)的交變而排列取向。例如:采用的微波頻率為2 450 MHz，就會(huì)出現(xiàn)每秒24億5千萬次交變，分子間就會(huì)產(chǎn)生激烈的摩擦。在這一微觀過程中，微波能量轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的熱量，使混合料溫度呈現(xiàn)為宏觀上的升高(家用微波爐和微波養(yǎng)護(hù)設(shè)備均采用 2 450 MHz)，如圖1 所示［1］。由此可見微波加熱是介質(zhì)材料自身?yè)p耗電磁能量而加熱，微波加熱的基本條件是:材料本身要吸收微波。

圖1 微波加熱瀝青混合料熱傳遞原理

2 原材料

1)集料:采用連續(xù)級(jí)配的普通石灰?guī)r集料和鐵礦石集料，性能指標(biāo)見表1。

表1 集料的性能指標(biāo)

2)礦粉:石灰?guī)r礦粉和鐵礦石礦粉，密度分別為2.826 g/cm3和 3.141 g/cm3，無結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。

3)瀝青:90號(hào)道路瀝青，密度為 1.050 g·cm P－3P，針入度(25 ℃，100 g，5 s)為81 mm(0.01 mm)，軟化點(diǎn)(tBR＆BB)為68 ℃，延度(5 ℃，5 cm·min P－1P)為55 cm。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)JTG F40-2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中AC-13瀝青基復(fù)合材料級(jí)配要求，采用表2集料級(jí)配，最佳油石比為4.6%;同時(shí)根據(jù)等體積原則，將按級(jí)配設(shè)計(jì)范圍得到的配合比除以體積密度，作為各種集料的體積配合比，利用體積分?jǐn)?shù)30%的鐵礦石代替普通石灰?guī)r集料和石灰?guī)r礦粉。先將石灰石集料、鐵礦石集料和石灰石礦粉在175℃條件下烘干24 h，在185℃條件下將瀝青與集料拌和均勻，最后加入礦粉并拌和均勻，由此制備瀝青混合料。

表2 集料級(jí)配

在200 kN的壓力和170℃條件下壓制成直徑40 mm，厚度26 mm的統(tǒng)一尺寸試樣，在0.5 kW的微波輸出功率的微波爐內(nèi)進(jìn)行加熱試驗(yàn)，傳統(tǒng)瀝青混凝土和吸波瀝青混凝土微波加熱效果分別見圖2，圖3。

圖2 普通瀝青混合料微波加熱效果圖

圖2和圖3表明，傳統(tǒng)瀝青混凝土微波加熱60 s，溫度由19℃上升到24℃;而微波瀝青混凝土，加熱60 s后溫度由19℃上升到102℃;升溫效率提高了16倍。

圖3 吸波瀝青混凝土微波加熱效果圖

從理論角度分析可知，由電磁場(chǎng)理論知，作為微波加熱區(qū)的箱體是一個(gè)多模諧振腔，進(jìn)入該加熱區(qū)的微波總功率消耗分為充填介質(zhì)功率損耗、腔體內(nèi)貯能和腔壁能耗三部分。經(jīng)計(jì)算，單位體積充填介質(zhì)耗散吸收微波功率為:

W=55.61fε'tanδ·E2m×10－12。

其中，W為吸收微波功率，W/cm3;f為微波頻率，GHz;Em為電磁場(chǎng)強(qiáng)度，V/m;ε'為介電常數(shù)虛步;tanδ為損耗角正切。由于腔體為金屬材料制成，故腔壁吸收微波的損耗僅占總耗散功率的極小部分。因此，進(jìn)入腔體的絕大部分微波能量被充填介質(zhì)吸收耗散，從而可以看出微波加熱具有能量利用高的特點(diǎn)。

另外，物料最后的熱量等于介質(zhì)吸收的熱量和水分蒸發(fā)及物料輸送過程損失的代數(shù)和。若簡(jiǎn)化之，取物料為熱平衡穩(wěn)定狀態(tài)，并假定物料無水分蒸發(fā)相變和傳送，則結(jié)合熱邊界條件可知兩端為絕熱面的圓柱體在微波電磁場(chǎng)中成為體熱源時(shí)，其側(cè)向溫度場(chǎng)分布取決于體內(nèi)的功率密度平均值和散熱系數(shù)，并且具有柱體中心溫度高于柱體側(cè)向表面的對(duì)稱分布狀態(tài)。由此看出，微波加熱具有均勻性和高效性的特征。

4 結(jié)語(yǔ)

吸波瀝青混合料具有明顯的升溫效率高的特點(diǎn);傳統(tǒng)瀝青混凝土微波加熱60 s，溫度由19℃上升到24℃;而微波瀝青混凝土，加熱60 s后溫度由19℃上升到102℃，升溫效率提高了16倍。

［1］ 朱松青，史金飛，劉海寬，等.微波加熱濕舊瀝青混合料的傳熱傳質(zhì)研究［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2009，22(1):120-126.

［2］ Zhu Songqing，Shi Jinfe.Structural design and experimental research of microwave radiation heater for asphalt pavements［J］.Journal of Southeast University(English Edition)，2009，25(1):68-73.

［3］ 李萬莉，于睿坤，朱福民.瀝青路面再生機(jī)微波加熱機(jī)理及數(shù)值模擬［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，35(4):472-477.

［4］ 朱松青，史金飛，孫銅生.微波在瀝青路面養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用研究［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2007，21(11):286-290.

［5］ 高子渝，焦生杰.微波加熱舊瀝青混合料的應(yīng)用研究［J］.筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2006(10):29-31.