微波輔助加熱填料在瀝青路面修補中的應用

畢連居，朱浩然，焦生杰，于明明，張 楊

(1.江蘇連徐高速公路有限公司，江蘇 徐州 221111； 2.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112；3.新型道路材料國家工程實驗室，江蘇 南京 211112；4.長安大學 公路養護裝備國家工程實驗室，陜西 西安 710064)

0 引 言

瀝青路面綜合養護車是一種專用于及時、有效地修補瀝青路面小面積損壞部分的工程機械，是公路養護管理部門的重要配套養護機械。目前，市場上的養護車形式多樣，大多以紅外線加熱和熱風加熱為主，存在能量利用率低、加熱不均勻、瀝青因過熱而焦化、施工質量差、修補后路面使用時間短、加熱過程會產生大量有害氣體等問題。

微波加熱被稱為“內部加熱方式”，是國內外新近研究的一種路面加熱方式。與傳統的加熱方式不同，微波加熱瀝青路面技術具有深層加熱、均勻性好、減少老化、環保等特點[1-3]；國內相繼開發了用于坑槽修補、裂縫處治的微波加熱設備。然而傳統的瀝青混合料中的極性成分較少，微波吸收能力較差，采用微波加熱瀝青路面的效率較低，限制了微波加熱技術在路面養護中的應用。

研究表明，用磁鐵礦、二氧化錳、石墨烯和碳纖維替代全部或部分集料或礦粉制成的瀝青混合料，微波吸收能力遠大于普通瀝青混合料[4-6]。本文以磁鐵礦粉、石墨烯為主要成分，研發一種微波敏感添加劑，以此制備微波輔助加熱瀝青混合料；通過試驗研究，進行微波輔助加熱混合料的吸波升溫特性評價，分析微波輔助加熱瀝青混合料的路用性能，并將其應用于修補南京的干線公路瀝青路面。

1 微波加熱原理

微波加熱的原理為：當有極性分子的介質材料置于微波電磁場中時，介質材料中會形成偶極子，或已有的偶極子重新排列，在交變電磁場的作用下，以每秒數億次的速度擺動。分子要隨著不斷變化的高頻電場的方向重新排列，就必須克服原有的熱運動和分子間的相互干擾，產生劇烈摩擦，從而產生熱能，溫度隨之升高[7]。這種加熱方式無需傳導介質，物體本身就是熱源，故被稱為“內部加熱方式”。

材料對微波能的吸收效率通常與材料的電介質特性有關。瀝青混合料是一種組分復雜的復合路面材料，各組分的介質損耗系數和介電常數如表1所示[8]。由于純瀝青的介電常數較小，因此微波不能直接對瀝青加熱，而是通過加熱瀝青混合料中的集料，使集料溫度上升，再把熱量傳導給瀝青，從而達到加熱瀝青的目的[9]。為了提高瀝青混合料的吸波能力，需要添加微波敏感材料。

表1 瀝青混合料的介電常數和損耗因子

2 微波輔助加熱填料制備及試驗方法

2.1 微波敏感添加劑

本文將磁鐵礦、石墨烯破碎后磨成粉末，按一定比例復合，得到微波敏感添加劑，以此作為樣品進行試驗(圖1)。

2.2 微波輔助加熱瀝青混合料

選用改性瀝青石灰巖AC-13瀝青混合料，礦粉用量為5%，油石比為5.2%，級配如圖2所示。用上述微波敏感材料等體積替代礦粉，摻入AC-13瀝青混合料中，制備微波輔助加熱瀝青混合料填補料。

圖2 AC-13混合料級配曲線

2.3 吸波升溫性能測試方法

試驗采用美的微波爐M1-L213B，額定輸入功率為1 150 W，微波輸出功率為700 W，微波工作頻率為2 450 MHz。本文分別對松散的普通AC-13瀝青混合料和用馬歇爾擊實儀成型的普通AC-13瀝青混合料馬歇爾試件進行微波加熱，設定加熱時間為5 min，用插入接觸式數字測溫儀測量深度3 cm處松散瀝青混合料和馬歇爾試件的加熱溫度，試驗結果如表2所示。

從表2可以看出，松散瀝青混合料和馬歇爾試件的微波加熱溫度平均值相差不大，但松散瀝青混合料數據的變異系數明顯小于馬歇爾試件，說明采用松散瀝青混合料進行微波加熱溫度測試，數據離散程度(隨機誤差)更小，可用于評價瀝青混合料吸波升溫性能。分析原因，主要是用馬歇爾擊實儀成型的試件容易受試件均勻性、插入深度影響，干擾因素多。

表2 松散瀝青混合料和馬歇爾試件的微波加熱溫度

3 試驗結果及分析

3.1 微波輔助加熱瀝青混合料吸波升溫效果評價

采用微波爐加熱松散瀝青混合料的方式，分別測試微波加熱摻入微波敏感添加劑的瀝青混合料3 min和5 min后的溫度，并與普通AC-13瀝青混合料對比，評價微波輔助加熱瀝青混合料的吸波升溫效果，試驗結果如表3所示。

從表3可以看出，普通AC-13混合料的吸波升溫速率為15.2 ℃·min-1，而摻入微波敏感添加劑的瀝青混合料的吸波升溫速率為19.9 ℃·min-1，比普通AC-13混合料提高30.9%。說明本文研發的微波敏感添加劑可以顯著提高微波加熱瀝青混合料的效率。

表3 微波輔助加熱瀝青混合料的吸波升溫效果

3.2 微波輔助加熱瀝青混合料路用性能研究

通過車轍試驗、低溫彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗，全面評價微波輔助加熱瀝青混合料的路用性能，試驗結果如表4所示。

表4 微波輔助加熱瀝青混合料的路用性能

由表4可以看出，相對于普通AC-13瀝青混合料，微波輔助加熱瀝青混合料的高溫抗車轍、抗水損害性能及低溫性能均有一定程度的改善，高溫抗車轍性能提高尤其顯著。

4 瀝青路面修補應用測試

上述室內試驗結果表明，摻入微波敏感添加劑可以顯著提高瀝青混合料的吸波升溫效率，且微波輔助加熱瀝青混合料具有優異的路用性能。為了進一步驗證微波輔助加熱材料提升微波加熱效率的實際效果，采用徐工的新一代智能型瀝青路面微波養護車，在南京的干線公路坑槽修補過程中進行現場測試(圖3、4)。

圖3 微波輔助加熱填料

圖4 微波加熱

4.1 工藝流程

將微波輔助加熱材料用于瀝青路面修補的工藝流程如下。

(1)將坑槽內的松散料清理干凈，按照“圓洞方補、斜洞正補”的原則劃線，確定坑槽修補范圍。

(2)將適量的含有微波輔助加熱材料的預制瀝青混凝土添加到坑槽內，用鐵鍬、鐵耙均勻攤平。

(3)放下微波路面加熱墻，借助加熱墻上的標尺對準路面病害位置，設置合適的加熱面積，開始加熱，直至路面溫度達到140 ℃以上。

(4)移開加熱墻，用鐵耙將加熱后軟化的瀝青混凝土表面耙松、整平。耙松范圍要在熱烘范圍內，一般內縮5～10 cm以保證接縫為熱接縫，同時耙松面應成矩形。在耙松過程中，要剔除松散料中的超規格集料。

(5)使用自帶壓路機對路面進行壓實，先碾壓邊緣，再依次向中間推進，使修補面與周邊已加熱、但未耙松的路面融為一體，要求路面起壓溫度為120 ℃～140 ℃，碾壓后壓實度高于95%[10]。

4.2 測試數據記錄

分別用普通瀝青混合料和微波輔助加熱瀝青混合料修補瀝青路面坑槽，并詳細記錄修補完成時間、加熱溫度等參數，數據如表5所示。

表5 坑槽修補現場測試數據

從表5可以看出，采用微波輔助加熱瀝青混合料進行坑槽修補，微波設備只需12 min就可以將瀝青混合料加熱至140 ℃以上，而采用普通瀝青混合料需要17 min左右才能滿足修補的溫度要求。實踐表明，本文研發的微波輔助加熱瀝青混合料用于瀝青路面修補，可以使微波設備加熱效率提升30%左右，同時提高了現場作業效率，縮短維修作業的時間。

5 結 語

通過研究微波輔助加熱瀝青混合料的吸波升溫效果和路用性能，以及其在實際工程中的應用，得到以下結論。

(1)比較松散瀝青混合料和馬歇爾試件2種吸波升溫性能測試方法，發現采用松散瀝青混合料的方式得到的數據變異系數較小，離散程度較好，可用于評價瀝青混合料吸波升溫性能。

(2)吸波升溫性能試驗結果表明，微波輔助加熱瀝青混合料的吸波升溫速率為19.9 ℃·min-1，比普通AC-13混合料提高30.9%。

(3)相對于普通AC-13瀝青混合料，微波輔助加熱瀝青混合料的高溫抗車轍、抗水損害性能和低溫性能均有一定程度的改善，且各項路用性能均滿足規范要求。

(4)采用微波輔助加熱瀝青混合料進行坑槽修補，微波設備只需12 min就可以將瀝青混合料加熱至140 ℃以上，提高了現場作業效率，縮短了作業時間，取得了較好的實施效果。