熱再生瀝青路面養護車RAP加熱均勻性分析

曹源文，黃興生，李 成，吳 鵬，仇曉駿

(1. 重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶 400074； 2. 浙江美通筑路機械股份有限公司，浙江 海寧 314400)

0 引 言

根據交通運輸部于2020年11月19日公布的數據，截至2019年末，我國公路養護里程495.31萬公里，占公路總里程98.8%。大量瀝青路面的養護，必然會產生大量舊瀝青混合料。舊瀝青混合料的再利用，有助于減少對不可再生資源的依賴，不僅有利于環境保護，而且能降低路面養護成本[1-2]。因此，圍繞熱再生瀝青路面養護車展開的研究成為了瀝青路面養護的重要研究方向，又由于養護車的攪拌加熱技術關系到RAP的加熱均勻性，是影響熱再生瀝青混合料質量的關鍵因素，所以針對熱再生瀝青路面養護車RAP加熱均勻性的研究，成為熱再生瀝青路面養護車關鍵技術研究內容。

SONG Fuqiang等[3]通過建立環形多孔燃燒器的數值模型，數值分析數據與其之前的試驗數據十分吻合，發現徑向增加孔或軸向減少孔能提高燃燒火焰穩定性；SHI Junrui等[4]建立了二維多孔燃燒器的物理模型，根據離散顆粒交錯排列方式對CO2和CH4進行了孔級模擬，模擬結果與ZENG Hongyu等[5]根據數學模型的預測結果基本相同，發現在CH4燃料中加入一定量的CO2能減少CO2凈排放而不降低熱值；B.B.TELTAGEV等[6]根據有限元法建立了多層瀝青路面瞬態溫度分布模型，借助MATLAB對瀝青路面溫度分布進行了仿真；王計敏等[7]、劉輝等[8]、陳是楠[9]、CHEN Shinan 等[10]、SHI Junrui等[11]各自研究了燃燒器的不同布置方式對加熱效果或加熱效率的影響。目前，國內外已經有較為成熟的加熱方式。根據MA Yuetan等[12]的研究，瀝青混合料加熱均勻與否直接影響著RAP質量的好壞，也間接影響著RAP的生產率，而這方面的研究成果及專著尚不多見。

依托浙江美通MTL5140熱再生瀝青路面養護車，根據離散單元法和傳熱學理論，借助離散元軟件EDEM仿真和實際施工現場試驗相結合的方式，分析了攪拌加熱裝置增加三葉片螺旋攪拌刀前后的混合料溫度場分布和加熱速度，并與原始攪拌加熱裝置進行了對比分析，提出的增加三葉片螺旋攪拌刀，能夠有效改善熱再生瀝青路面養護車RAP的加熱均勻性，具有工程應用價值。

1 理論分析及模型建立

1.1 理論分析

以熱再生AC-13瀝青混合料為例，瀝青用量為4.5%～7.0%，在攪拌加熱過程中，可以近似看作純混合料剛體顆粒之間的運動和傳熱。因此，把瀝青混合料假設為剛體顆粒的組合，根據離散單元法基本理論和牛頓第二定律，每個顆粒的形心運動方程可描述為：

(1)

F=FC+FL+Fg

(2)

根據兩個顆粒間的相對位移即可根據方程組(3)求解兩個顆粒之間的法相作用力和切向作用力：

(3)

瀝青混合料可當作無數各向同性的顆粒組成，根據傅里葉定律式(4)可知，單位時間內傳熱量與傳熱面積和溫度成正比。根據熱量計算式(5)可知，增大導熱率或增加傳熱面積或增大傳熱溫差均可增大傳熱量：

(4)

式中：Q′為傳熱速率；k為比例常數；T為導熱點溫度；x為導熱點x坐標；A為傳熱面積。

Q=pSΔt

(5)

式中：Q為傳熱量；p為導熱率；S為傳熱面積；Δt為傳熱溫差。

1.2 熱再生瀝青路面養護車攪拌加熱裝置結構分析

熱再生瀝青路面養護車主要由汽車底盤、瀝青箱、舉升裝置、進出料裝置、攪拌加熱裝置、除塵裝置、以及固定裝置等組成。如圖1，攪拌加熱裝置包含傳動裝置、熱風通道、RAP攪拌鍋、燃燒器、進料裝置、攪拌裝置、出料裝置、底部燃燒室等。

1—傳動裝置；2—熱風通道；3—RAP攪拌鍋；4—燃燒器； 5—進料裝置；6—攪拌裝置；7—出料裝置；8—底部燃燒室圖1 熱再生養護車攪拌加熱裝置Fig. 1 Mixing and heating device of hot recycled asphalt pavement maintenance vehicle

根據浙江美通MTL5140熱再生瀝青路面養護車建立了簡化的攪拌加熱裝置如圖2，加熱裝置直徑為1 700 mm，深度為500 mm。攪拌裝置為漸變分布的五鏟爪式結構，其中心沒有攪拌結構。因此，加熱裝置中心突出一個直徑377 mm，高285 mm的圓柱體，不僅會減少攪拌加熱裝置的容量，而且會增加加熱裝置的制造難度。

1—RAP；2—入料斗；3— 出料門；4—出料斗； 5—RAP攪拌鍋；6—原始五鏟爪式攪拌裝置圖2 原始攪拌加熱裝置Fig. 2 Original stirring and heating device

1.3 添加三葉片螺旋攪拌刀加熱裝置模型建立

劉明智[13]和梁慶慶等[14]研究了瀝青路面的抗滑性能，給出了參考擺式摩擦系數為60左右。經過式(6)、式(7)計算得出摩擦角約為30.9°：

φ=arctanf

(6)

(7)

式中：φ為摩擦角；f為摩擦系數；K為擺式摩擦系數。

考慮到尺寸及制造難易程度，筆者分析了外圓螺旋升角為30°和35°的情況。由計算式(8)計算出葉片螺距，三葉片螺旋攪拌刀主要參數如表1，幾何模型如圖3。

P=2πRtanθ

(8)

式中：P為螺距；R為螺旋半徑；θ為螺旋升角。

表1 三葉片螺旋攪拌刀主要參數Table 1 Main parameters of three blade spiral stirring knife

圖3 三葉片螺旋攪拌刀Fig. 3 Three-blade spiral stirring knife

將三葉片螺旋攪拌刀安裝在攪拌裝置軸心位置，隨之取代加熱裝置中心突出的圓柱體，既增加了攪拌加熱裝置容量，也降低了加熱裝置制造難度。改進后的攪拌加熱裝置如圖4。

1—RAP；2—入料斗；3— 出料門；4—出料斗； 5—RAP攪拌鍋；6—增加三葉片螺旋攪拌刀的攪拌裝置圖4 增加三葉片螺旋攪拌刀的攪拌加熱裝置Fig. 4 Stirring and heating device with three blade spiral stirring knife

2 瀝青混合料溫度場仿真及加熱均勻性分析

2.1 計算方法與邊界條件設置

根據瀝青混合料攪拌加熱實際情況，對仿真模型給出如下假設：

1) 瀝青混合料是由不可壓縮的顆粒組成。

2) 加熱過程中瀝青混合料的物理性質(密度、比熱容、導熱系數、摩擦系數等)不變。

3) 混合料和攪拌加熱機構間為無滑移Hertz-Mindlin接觸模型。

4) 比熱容倍率C=20，所有顆粒比熱容縮小20倍以節省計算時間。

將前述三維實體模型導入EDEM軟件中，按表2設置材料參數，按表3設置部件參數。

表2 EDEM材料參數Table 2 EDEM material parameters

表3 EDEM部件參數Table 3 EDEM component parameters

根據JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》確定熱再生AC-13瀝青混合料中礦料級配如表4，瀝青混合料是由不同粒徑的同種材料顆粒，顆粒的CATIA模型如圖5，最大幾何長度為16 mm。導入EDEM中用球形單元填充，顆粒大小為用戶自定義設置，如圖6。

圖5 混合料顆粒三維Fig. 5 3D view of mixture particle

圖6 EDEM顆粒設置Fig. 6 EDEM particle setting

2.2 攪拌加熱裝置仿真結果及加熱均勻性分析

2.2.1 求解器設置與后處理

時間步的時域積分設置為歐拉形式，固定時間步長為3e-05 s，總仿真時間為227.5 s，每0.1 s自動保存計算數據，網格尺寸設置為5.5倍最小球形單元半徑，即18.27 mm，一共9 721 600個網格，開啟CPU和GPU并行計算。計算完成后，通過File>Export>Results Data導出csv格式的顆粒平均溫度數據。

2.2.2 瀝青混合料加熱溫度變化分析

將前述所得數據導入到MATLAB中繪制如圖7的不同結構攪拌加熱裝置的溫度變化折線圖。

圖7 不同結構仿真溫度變化折線Fig. 7 Simulation temperature change polyline of different structures

由圖7可知，把相同質量的熱再生瀝青混合料加熱到160 ℃，原始攪拌加熱裝置用時152 s，30°螺旋攪拌刀攪拌加熱裝置用時149 s，35°螺旋攪拌刀攪拌加熱裝置用時138 s。表明改進后的攪拌加熱裝置能縮短混合料加熱時間。

為進一步分析混合料溫度分布情況，將混合料攤鋪在一個理想絕熱的5 000 mm×5 000 mm的地面上，將該區域分割為10×10共100個區域，不同結構攪拌加熱裝置的混合料區域分割如圖8～圖10，再分別導出每個區域的平均溫度數據。

圖8 原始裝置混合料區域分割示意Fig. 8 The division of the original device mixture area

圖9 30°葉片混合料區域分割示意Fig. 9 The division of the 30-degree blade mixture area

圖10 35°葉片混合料區域分割示意Fig. 10 The division of the 35-degree blade mixture area

根據式(9)和式(10)計算得出不同結構攪拌加熱裝置的平均溫升和溫度方差如表5。

(9)

(10)

式中：Tm為平均溫升；Ti為第i時刻溫度；S2為方差；M為溫度平均值；xn為第n個溫度值。

表5 不同結構溫度仿真數據Table 5 Temperature simulation data of different structures

由圖7～圖10和表5可知，在攪拌加熱相同時間、相同質量的RAP時，原始攪拌加熱機構平均每分鐘溫度升高46.26 ℃，除以比熱容倍率C后，平均每分鐘升高2.31 ℃；與之相比，30°和35°葉片的攪拌加熱裝置平均每分鐘RAP溫度升高分別為46.84 ℃和48.43 ℃，除以比熱容倍率C后，平均每分鐘升高分別為2.34 ℃和2.42 ℃。表明增加三葉片螺旋攪拌刀的攪拌裝置有更快的RAP加熱速度，平均加熱效率提升分別為1.26%和4.70%。原始攪拌裝置的RAP溫度方差為9.04，增加30°螺旋攪拌刀和35°螺旋攪拌刀的RAP溫度方差分別為8.62和8.37，分別降低4.65%和7.41%。表明改進后的攪拌機構能提升RAP溫度分布均勻性，且更大的螺旋升角，有更好的RAP溫度分布。

3 試驗對比分析

對改進后的35°葉片攪拌加熱裝置進行試制，并與原始攪拌加熱機構進行試驗對比。試驗采用同一種RAP，在同一天完成試驗，以此控制一致的外界氣溫、混合料含水量等外界影響因素。試驗時每隔3 min 記錄一次MTL5140熱再生瀝青路面養護車車載溫度表所顯示的混合料溫度；出料時每隔15 s用手持紅外溫度傳感器測量并記錄一次出料口混合料溫度。將車載溫度數據導入MATLAB中，修正水分蒸發引起的溫度下降，繪制的不同結構攪拌加熱裝置試驗RAP溫度變化折線如圖11。

圖11 不同結構試驗RAP溫度變化折線Fig. 11 Experimental RAP temperature change line chart of different structures

再根據二次多項式以最小二乘法對數據進行擬合，改進前后擬合多項式分別為式(11)和式(12)，繪制的不同結構攪拌加熱裝置試驗RAP溫度變化擬合曲線如圖12。根據式(9)和式(10)計算得出平均溫升和出料時的溫度方差如表6。

P1(x)=42.341 4+2.185 0x+0.012x2

(11)

P2(x)=18.869 0+2.948 9x+0.009x2

(12)

圖12 不同結構試驗RAP溫度擬合曲線Fig. 12 Experimental RAP temperature fitting curve of different structures

表6 不同結構RAP溫度試驗數據Table 6 Experimental data of RAP temperature of different structures

由圖10、圖11和表6可知，在攪拌加熱相同質量的RAP時，原始攪拌機構平均每分鐘RAP溫度升高2.09 ℃；與之相比，改進后的攪拌加熱機構平均每分鐘RAP溫度上升2.72 ℃，有更快的RAP加熱速度，平均加熱效率提升29.73%。原始攪拌裝置的RAP溫度方差為6.83；增加35°螺旋攪拌刀的RAP溫度方差為6.16，降低9.81%。表明改進后的攪拌機構能提升RAP溫度分布均勻性。

4 結 論

分析研究了熱再生瀝青路面養護車RAP加熱均勻性，通過EDEM仿真和試驗驗證，對比分析了原始攪拌加熱裝置和增加三葉片螺旋攪拌刀的攪拌加熱裝置的RAP溫度場分布和加熱速度變化規律，并得出以下結論：

1) 增加三葉片螺旋攪拌刀的攪拌加熱裝置加熱均勻性更好，RAP溫度方差由原始攪拌加熱裝置的6.83降低到增加螺旋葉攪拌刀攪拌加熱裝置的6.16，RAP溫度場分布更加均勻。增加35°螺旋攪拌刀的攪拌加熱裝置加熱效率也比原始攪拌加熱裝置提升29.73%。

2) 隨著三葉片螺旋攪拌刀螺旋葉片外圓螺旋升角的增加，攪拌加熱裝置的加熱均勻性隨之變好，RAP溫度方差由30°螺旋葉片攪拌刀攪拌加熱裝置的8.62降低到35°螺旋攪拌刀攪拌加熱裝置的8.37；相比于原始攪拌加熱裝置加熱效率的提升，由30°螺旋葉片攪拌刀攪拌加熱裝置的1.26%增加到35°螺旋攪拌刀攪拌加熱裝置的4.70%。

3) 考慮到攪拌加熱裝置的尺寸及制造難易程度，建議采用外圓螺旋升角為35°的三葉片螺旋攪拌刀，從而達到提高RAP加熱均勻性和加熱速度的目的。