瀝青路面養護維修中微波加熱技術的應用

王貴波

(山西交通控股集團有限公司長治高速公路分公司,山西 長治 047300)

0 引 言

瀝青混凝土路面因使用性能優異而在我國高速公路建設中廣泛應用,但是使用期間因行車荷載反復作用及降雨等外界因素的影響,會出現裂縫、坑槽、車轍等病害,影響行車安全、舒適性及路用性能的正常發揮。傳統的養護方式工期長、效率低、養護效果一般,對病害舊料銑刨、挖除處理還會產生大量建筑廢料。微波加熱技術對于舊瀝青路面裂縫、坑槽、車轍等病害修復效率高,效果好,且能充分利用舊料,無建筑廢料產生。但是該技術在國內并未得到大范圍推廣和應用,為此,依托具體公路瀝青路面病害實際,對微波加熱技術原理及應用展開分析探討,以資借鑒。

1 微波加熱技術原理

1.1 技術原理及特征

微波加熱并非通過熱傳導過程達到加熱目的,而是依靠熱量輻射實現加熱,介質材料在吸收微波能量后將其轉化為熱能,并在微波電磁場的作用下在材料中偶極子;此后,隨著高頻交變電磁場擺動速度的增大,分子必須克服原熱運動及相互作用而重新排列。在重新排列的過程中,分子之間的摩擦作用會釋放大量熱量[1],最終達到介質材料自身吸熱并升溫的目的。

通過比較微波加熱和常規加熱過程見圖1,微波加熱區箱體屬于多模諧振腔,該區域的微波功率主要用于腔壁能耗、腔體內能量儲存、充填介質功率損耗[2]。箱體采用金屬材料,故腔壁因吸收微波而產生的損耗占比并不大,腔體內所進入的微波能量大部分均能被充填介質所吸收,說明微波加熱技術具有能量利用率較高的優勢。圖中1、2、3分別表示溫度梯度方向、熱量傳遞方向及蒸汽擴散方向。充填介質對微波功率的損耗[3]按照下式確定

(1)

根據熱傳遞方程

T=T0+(ω/4k)(R2-r2)+ωR/2α

(2)

式中:T0為結構周邊溫度;ω為結構內部平均功率密度;R為結構外徑;r為結構內徑;α為熱量散失系數;其余參數含義同前。據此可以得出,微波加熱技術加熱均勻且高效,微波加熱介質自身即為發熱體,無需熱傳導,可在短時間內達到預計加熱效果[4]。

1.2 微波加熱對瀝青溫度的影響

性能試驗在該工程試驗室進行,采用1臺額定功率800 W,頻率2.45 GHz,容量為25 L的微波爐進行瀝青、集料和混合料微波加熱,以模擬微波加熱施工過程。加熱時將瀝青等材料均放置在透明的耐熱玻璃燒杯中,按照試驗規程進行加熱,加熱過程中瀝青等材料溫度通過紅外溫度計實時測量。根據測量結果,將瀝青材料在微波爐中的溫度隨加熱時間的變化趨勢繪制成曲線,瀝青的微波升溫曲線及室溫環境下降溫曲線見圖2。由圖可知,瀝青材料對微波具有一定的吸收效果,將瀝青從23 ℃加熱至150 ℃,所需要的時間為45 min;升溫過程近似呈線性趨勢,且升溫速率基本穩定在2.3 ℃/(min·kg);降溫速率則與環境溫差有關,環境溫差越大,則降溫速度越快。

圖2 微波加熱過程中瀝青溫度變化曲線

根據試驗結果,微波加熱次數分別為2次、4次和6次時,針入度依次下降3.2%、4.3%和5.2%,延度分別減小6.8%、24.3%和32.5%,軟化點依次增大1.2%、5.9%和11.8%。隨著微波加熱次數的增多,瀝青材料老化特征明顯,為此,應當嚴格控制瀝青材料加熱時間和加熱次數。

2 工程概況

山西某高速公路于2009年建成運營,因公路建筑材料選用、施工工藝等要求較為嚴格,在公路運行前幾年瀝青路面各類病害較少。此后隨著交通量的逐漸增長,交通運營逐漸表現出車輛大型化、超載化趨勢特征,再加上降雨等不利環境,部分路段瀝青路面先后出現車轍、裂縫、水損等病害。為積極探索養護新技術、新工藝及新養護機械在該病害路段中應用的可行性,公路管理部門采用瀝青道路微波養護車和微波加熱技術,對該公路瀝青路面病害進行處治和修復。在病害處治前,通過常規路面檢測車及人工對病害路段路面損壞情況展開調研,并將病害分成橫向裂縫、車轍、坑槽、沉陷等種類,記錄病害具體位置坐標及嚴重程度。

3 微波加熱技術應用

3.1 再生設備選用

該瀝青路面微波加熱施工的主要設備是熱再生機組,加熱墻是提供輻射熱能的關鍵部件,對舊路面既要控制加熱時間和深度,又要避免因加熱時間過長、溫度過高而造成瀝青材料老化,影響再生性能。該路面所使用的微波加熱設備同時具備熱銑刨、新混合料添加及拌和、攤鋪等功能。該設備發電機組輸出功率為150 kW,額定頻率50 Hz,正常加熱深度為80～120 mm,持續加熱時間為15～25 min;其加熱墻分隔為數個區域,能在15 min以內將厚度為10 cm的瀝青路面加熱至140 ℃高溫狀態。輔料加熱器則能按照800～1 000 kg/h的量固定供應熱瀝青混合料。通過裝置所噴灑的乳化瀝青可同時作為再生劑和粘結層使用。該設備還以水冷型大功率磁控管為功率源,冷卻效果好。微波加熱養護設備功能模量及技術特點如表1所示。

表1 微波加熱養護設備功能模量及技術特點

3.2 微波加熱修補車轍

該瀝青路面車轍類型分為壓密型和失穩型兩種,根據車轍類型及微波加熱技術原理,可將車轍修復工藝分為直接碾壓和耙松兩種,兩者分別適用于壓密型和失穩型車轍的修復[5]。

(1)直接碾壓。根據室內試驗結果,在利用微波加熱設備加熱后立即碾壓,能在不破壞原路面結構的基礎上起到較好的補充壓實效果,尤其在較大的壓實功下,會明顯減小瀝青混合料孔隙率,提升舊瀝青路面抗變形性能和密實度。在施工開始前,將病害區域雜物、積水、塵土等徹底清除,確保待處理路面清潔干燥;對于寬度在2.5 cm以內的車轍,直接加熱;而對于寬度超出2.5 cm的車轍,必須量化確定出所摻加新混合料的數量,將新混合料均勻攤鋪于舊瀝青路面后再通過加熱設備予以加熱;對于深層車轍,為保證處治效果,必須分層加熱,分層壓實。

(2)耙松。與直接碾壓施工一樣,在施工前將病害區域雜物、積水、塵土等徹底清除,使待處理路面保持清潔干燥;通過施工機械微波加熱病害區,再將加熱后軟化的病害區耙松,通過向耙松料中噴灑乳化瀝青,使瀝青性能快速恢復,再按照設計要求添加新混合料并拌和均勻后鋪平;使用微波加熱設備的壓實功能碾壓修補區域至設計壓實度和平整度。

舊瀝青路面表層混合料經耙松處理后均勻性顯著提升,但對原路面結構會造成一定程度的破壞,修復的混合料穩定度會降低,孔隙率提高,即使施工溫度和壓實功與新建路面相同,力學性能也無法達到相等水平。

3.3 微波加熱修補裂縫

在應用常規灌縫修補工藝時,灌縫料與周圍舊瀝青料粘結難度大,影響灌縫修補效果。而微波加熱技術可快速預熱裂縫周圍舊瀝青料,加強灌縫料和舊料的粘結效果。在加熱前徹底清掃裂縫病害部位,通過微波養護車將裂縫四周舊料加熱至120～150 ℃,灌注瀝青灌縫料,待修補后的區域材料溫度降至環境溫度時即可開放交通。

3.4 微波加熱修復坑槽

使用微波加熱設備直接加熱該公路病害瀝青路面坑槽部位,待加熱至設計溫度后再噴灑改性瀝青再生劑,翻拌、碾壓后達到路面熱再生的目的?；谖⒉訜岬呐f瀝青路面坑槽修補過程工藝簡單、加熱速度快,可有效避免傳統坑槽修補方法對舊料的銑刨、切割、破碎和挖除,能充分利用舊料,廢料產生率為零,還能省去現場熬制瀝青的環節,直接噴灑改性瀝青再生劑實現舊料性能的恢復與再生。

將微波加熱養護設備停放至坑槽上方,打開加熱開關后結合病害深度確定加熱時間,此后將病害區域持續加熱至120～150 ℃,這一過程中應嚴格控制加熱時間,避免因加熱過長引發瀝青性能老化。使用鐵鍬等工具將加熱后的病害區域舊料全部疏松翻拌,再按照0.5 L/m2的使用量向翻松的舊料均勻噴灑乳化瀝青,邊噴灑邊翻拌,確保拌和均勻。結合試驗段所確定的松鋪系數及病害面積,摻加熱拌瀝青混合料,按設計要求攤鋪至設計平整度。最后,通過微波加熱養護設備多遍碾壓,達到設計壓實度和平整度,并不得與原路面存在高差。

坑槽處治結束后按照《公路瀝青路面養護技術規范JTG 5142-2019》、《公路路基路面現場測試規程JTG E60-2018》等規定,應用3 m直尺測量路面平整度,使用核子密度儀檢測壓實度,并采用相應檢測技術展開對表面構造深度及滲水系數等參數值的檢測。在試驗段共設置5個測點,檢測結果如表2所示。應用微波加熱養護技術處治后瀝青路面壓實度、平整度及構造深度均滿足相關規范,也說明微波加熱技術對具體瀝青路面病害處治較為適用。

表2 坑槽處治施工效果檢測

4 結 論

綜上所述,應用微波加熱技術處治病害瀝青路面后可使瀝青混合料高溫抗變形性能顯著提升,水穩性和低溫性能略微降低。車轍修復后混合料密實度、動穩定度均有所提高,對于車轍修復期間可能出現的泛油問題,可在舊料加熱后溫度較高期間均勻撒布粒徑3～5 mm粗砂,并碾壓平整,以有效解決。微波加熱修復裂縫后接縫處與灌縫材料可較好結合,養護質量有保證?？硬鄄『Φ奈⒉訜崽幹魏托迯筒粫癯Ｒ庛娕?、挖除處理過程產生大量舊料,而是在舊料上均勻噴灑乳化瀝青再生劑改性后重新利用舊料,處治效果完全符合相關規范,經濟效益、社會效益和環境效益十分顯著。