微波加熱對RAP和集料的加熱效果及機理分析

胡學亮 樊 超 闞 濤

(山東高速集團有限公司1) 濟南 250000) (山東高速工程檢測有限公司2) 濟南 250002)

瀝青混合料再生利用得到越來越關注,傳統的加熱方式是采用熱傳遞的方式加熱廢舊瀝青混合料,加熱過程中會出現瀝青表面焦化現象[1],而且此方式對舊瀝青混合料的利用率較低,這成為制約再生瀝青技術發展的關鍵因素[3-5].

針對瀝青混合料加熱方式的研究,劉小明等[6-7]對微波加熱方式下瀝青混合料的加熱效率進行了仿真研究.Luo等[8-9]研究了微波加熱下路面的融雪除冰效果.Liu等[10-13]研究了吸波材料對路面微波加熱效率的影響.高峰等[14]研究了不同微波照射方式下巖石試樣的內外升溫特征.

綜上,已有研究僅僅對瀝青路面的除冰雪效果、加熱效率和巖石升溫特性進行了相關研究,未開展瀝青路面回收材料(RAP)和集料在微波加熱方式下的升溫效果研究.基于此,文中對RAP和新集料在微波加熱方式下的升溫效果開展試驗研究,以期為微波加熱技術在瀝青路面再生中的大規模推廣應用奠定基礎.

1 原材料和試驗方案

1.1 原材料

1.1.1RAP

RAP為山東省某高速公路改擴建工程,主要集料為玄武巖和石灰巖.將RAP材料分為0～5,5～10和10～15 mm三檔,其技術指標見表1.

表1 RAP技術指標

1.1.2新集料

新集料選用玄武巖和石灰巖,技術指標見表2～3.將試驗樣品放在自然條件下進行風干處理,當樣品的質量不再產生變化時,然后開始相關試驗.

表2 粗集料技術指標

表3 細集料技術指標

1.2 試驗方案

微波加熱設備選擇容積為23 L的家用微波爐,微波頻率2.4 GHz,輸出功率可調,最大輸出功率為700 W,為保證加熱統一條件和加熱效果,試驗時采用最大輸出功率對集料進行微波加熱.

采用Fluke NEC-TH7700手持式紅外熱像儀,測量范圍-20～+250℃,測量精度±2℃.

為研究集料吸收微波效率影響機理,樣品的物相結構采用德國布魯克公司的D8ADVAHCL X型射線衍射儀(Cu靶Kα輻射X線,波長λ=0.154 18 nm,管電壓40 kV,管電流40 mA,掃描范圍10°～90°,掃描速度12(°)/min,步長0.02°)測試玄武巖和石灰巖的礦物組成.

2 試驗結果及分析

2.1 集料微波加熱試驗結果

對三種集料分別稱取相同質量的樣品放入微波爐中進行加熱,加熱時間為0,60,120和180 s,加熱完成后取出測試集料溫度,試驗結果見圖1.

圖1 微波加熱結果

由圖1a)可知:三檔RAP在0～120 s內加熱效果明顯,在120～180 s時間段內加熱效率降低.集料的粒徑對微波加熱效果有顯著的影響,粒徑越大,加熱效果越低,因此加熱過程中,三檔料中10～15 mm的RAP溫度最低,但0～5和5～10 mm兩檔料加熱規律有所變化,分析其原因是在加熱到115 s之前,集料吸收微波將其轉化為熱量,表現為細集料溫度比粗集料溫度高,但加熱到115 s之后,RAP已經加熱到120℃左右,瀝青吸收集料熱量逐漸由固態轉化為液體狀態,且0～5 mm檔的RAP中瀝青的含量較大,吸收較多的熱量,因此在115 s之后5～10 mm檔RAP溫度反而要高一些.10～15 mm檔的RAP溫度最低,因為集料的粒徑對微波吸收得影響遠大于瀝青吸收熱量(試驗中RAP瀝青含量范圍內)對RAP溫度提升的影響.

由圖1b)可知,石灰巖集料的加熱速率與加熱時間成正比的關系,0～5,5～10,10～15 mm集料的擬合結果斜率分別為0.70、0.54、0.43,集料的加熱速率從大到小依次是0～5>5～10>10～15 mm,說明粒徑的大小對集料吸收微波的效果有一定的影響.0～5,5～10和10～15 mm三檔的平均升溫速率分別是41.0,32.7和26.3℃/min,相鄰兩檔集料升溫速率相差8.3和6.4℃/min,在一定粒徑范圍內,粒徑增大對集料溫度提升的影響是逐漸減小的.

由圖1c)可知,對玄武巖集料的加熱數據進行直線擬合,三檔料擬合的直線斜率相差不大,在0.99～1.08范圍內,集料溫度提升的效果比較明顯.玄武巖0～5,5～10和10～15 mm在3 min內的加熱速率分別為64.3,58.7和58.3℃/min,0～5 mm集料的加熱速率稍微大一點,而5～10和10～15 mm兩檔集料的加熱效率幾乎沒有差別,說明集料粒徑的大小對微波的吸收效率影響不大,且這種影響隨著粒徑逐漸增大而降低.不同規格集料加熱效果見圖2.

圖2 不同規格集料加熱效果

由圖2可知:在每檔集料加熱過程中,玄武巖的微波加熱效果始終最好,RAP和石灰巖微波加熱效果的高低與粒徑有關.0～5 mm檔集料加熱到115 s左右之前,RAP的加熱溫度高于石灰巖集料,當加時間在115～180 s時,石灰巖的溫度超過RAP;5～10和10～15 mm兩檔量的微波加熱規律相同,在整個加熱過程中,加熱效果從高到低依次是:玄武巖>RAP>石灰巖.對比三檔集料的整體升溫規律發現,瀝青對0～5 mmRAP前期微波加熱影響較小,但溫度升高之后,瀝青會吸收集料的熱量融化,從而降低RAP加熱效果.

2.2 紅外熱像儀測量結果

溫度計測溫能夠直接與集料接觸,真實反映加熱后集料溫度,集料粒徑較小時,溫度計與集料貼合比較嚴密,但隨著粒徑的增大,顆粒與顆粒之間的形成較大的空隙,溫度計在測量時可能存在接觸不到集料的情況.因此提出采用紅外熱像儀對微波加熱后的集料進行測溫,對溫度計測溫方法測得的溫度復核,同時,根據成像的圖片能夠直觀的觀察出集料各部分溫度分布情況,可以對微波加熱均勻性進行驗證,見圖3.

圖3 不同集料紅外成像結果

由圖3可知:紅外熱像儀成像的圖片中顯示溫度與溫度計測量溫度存在一定偏差,但相差不大,這主要是由于紅外測溫受目標物與紅外測溫儀之間的距離、目標物的發射率、外界環境條件(如環境溫度、環境濕度、環境輻射和風力)等因素影響,紅外熱像儀測得的溫度僅能作為一種驗證手段,而不能作為精確測量的方法.此外,分析圖片中集料溫度分布情況可以看出,集料中間溫度高,周圍溫度有所降低,這主要是因為四周的集料直接與空氣、容器接觸,熱量散失較快,而中間部分集料的周圍均是加熱的集料,熱量基本沒有損失,因此產生中間溫度高、四周溫度低的現象.中間溫度與四周溫度的差隨著集料溫度的升高而增大,溫差范圍在10～25℃范圍內.考慮到周圍集料熱散失的影響,通過熱成像的圖片可以總結出,微波加熱快速均勻的將集料加熱.

2.3 XRD結果及分析

針對不同集料種類的微波加熱效果存在差異,采用XRD對石灰巖和玄武巖礦物組成進行研究,分析造成微波吸收效果不同的原因.其中RAP中含有玄武巖、石灰巖、瀝青及各種添加劑和其他雜物,成分非常復雜,而且取樣不具有代表性,因此不對RAP做試驗分析.玄武巖和石灰巖礦物組成見圖4.

圖4 玄武巖和石灰巖礦物組成分析

由圖4可知:玄武巖組成較為復雜,數據圖中峰值較多,分析結果得出,玄武巖樣品中含有頑火輝石、黑云母、透閃石和方石英等礦物,而石灰巖峰值較為簡單,樣品中方解石和白云石為主要成分.相關文獻中顯示,礦物的微波吸收能力可分為強微波吸收類礦物、中等微波吸收類礦物、弱微波吸收類礦物3類,微波吸收能力越強則礦物微波加熱效率越高,其中頑火輝石為強微波吸收類礦物,黑云母為中等微波吸收類礦物,方解石、石英、白云石為弱微波吸收類礦物.因此,玄武巖使用微波加熱的效果最好,而RAP為玄武巖和石灰巖的混合產物,微波加熱的效果較玄武巖差、比石灰巖好,石灰巖的礦物組成對微波吸收能力較弱,為三種集料中加熱效果最差.

3 結 論

1) RAP中含有一定量的瀝青,對集料溫度的提升有一定的影響,加熱時間在0～115 s時間內,加熱速率從大到小依次是0～5>5～10>10～15 mm,當加熱時間在115～180 s內時,加熱速率從大到小依次是5～10>0～5>10～15 mm,RAP中的瀝青吸收熱量,降低集料的升溫速率.RAP的整體升溫速率變化規律呈先變大、后減小趨勢.

2) 石灰巖粒徑的大小對微波較熱效果影響較大,粒徑越大,集料升溫速率越小.玄武巖粒徑對微波加熱效果有一定影響,但影響較小,當粒徑達到一定程度后,基本對微波加熱效果幾乎沒有影響.

3) 用紅外熱像儀和溫度計測量對三種集料溫度進行測量,排除一些干擾因素,兩種方式的測量結果相差不大,且分析熱像儀成型的圖片可以得出,微波對集料加熱比較均勻.

4) 根據XRD的分析結果可知:玄武巖組分比較復雜,含有頑火輝石、黑云母、透閃石和方石英等礦物,頑火輝石、黑云母屬于強微波吸收類礦物、中微波吸收類礦物,因此玄武巖的微波加熱效果較好.而石灰巖主要成分為方解石和白云石,屬于弱微波吸收類礦,因此微波加熱效果較差.