瀝青路面就地熱再生加熱方式

李旋，馬登成， 2，楊士敏

瀝青路面就地熱再生加熱方式

李旋1，馬登成1， 2，楊士敏1

（1. 長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安，710064；2. 徐州工程機械集團 道路機械事業(yè)部，江蘇 徐州，221006）

為了提高瀝青路面就地熱再生加熱質量和加熱效率，基于傳熱學原理和有限元方法，利用有限元軟件ANSYS對瀝青路面加熱過程進行數值模擬。分析不同紅外輻射加熱方式對瀝青路面溫度場的影響，對比研究熱風加熱和紅外輻射加熱的性能，提出一種合理的間歇式紅外輻射加熱工藝。研究結果表明：紅外輻射加熱具有較高的加熱效率，但連續(xù)加熱容易引起路面起火焦化，采用間歇式紅外加熱工藝可以得到較好的加熱效果，同時還可降低能源消耗；不同的間歇加熱方式對瀝青路表溫度的影響較大，在間歇式加熱過程中應盡量使瀝青路表每次出現的溫度波峰值相接近，這樣可以有效地降低加熱過程中瀝青路面表層的最高溫度；采用熱風加熱路面不易發(fā)生老化現象，但加熱時間相對較長，影響施工速度。

瀝青路面；溫度場；有限元；紅外輻射加熱；熱風加熱

路面在使用過程中，由于氣象環(huán)境與交通載荷等各方面的綜合作用，瀝青路面會出現各種損壞現象。為了保證路面的路用性能，對路面進行養(yǎng)護顯得尤為重要［1-2］。在瀝青路面的翻修過程中會產生大量的廢舊瀝青混合料，廢舊瀝青料有一定的使用價值，若直接丟棄，則不僅會造成嚴重的資源浪費，而且不利于對生態(tài)環(huán)境的保護［3］。瀝青路面就地熱再生具有節(jié)約材料、相對于其他養(yǎng)護方式更加經濟環(huán)保、施工速度快、無需運輸卡車等優(yōu)點，該技術的應用是保護環(huán)境、重復利用資源的“可持續(xù)發(fā)展”戰(zhàn)略在公路建設中的具體體現［4-6］。瀝青路面就地熱再生時，路面的預熱效果與路面的銑刨以及拌合工藝密切相關，因此，路面的預熱效果是影響瀝青路面養(yǎng)護質量的重要因素［7］。另外，路面的預熱時間是影響瀝青路面就地熱再生施工速度的關鍵因素。路面的加熱質量和加熱效率仍然是影響瀝青路面就地熱再生施工質量和速度的主要因素，為此，本文作者從加熱方式方面考慮，通過建立瀝青路面分析模型，利用有限元軟件ANSYS對瀝青路面加熱過程中的溫度場進行數值模擬［8-10］。分析不同紅外輻射加熱方式對瀝青路面加熱效果的影響，將熱風加熱和紅外輻射加熱的加熱性能進行對比，尋求其合理的加熱方式，以便為路面養(yǎng)護工程中采用合適的加熱方式提供理論依據。

1　模型建立與參數設置

1.1瀝青路面結構

以典型的半剛性基層瀝青路面結構為研究對象，路面結構如表1所示［11］。從路表到路基各層的路面材料結構分別為瀝青磨耗層AK-16、瀝青混凝土AC-20、瀝青混凝土AC-25、水泥穩(wěn)定碎石、石灰土、土基。

表1　半剛性基層瀝青路面結構Table 1 Structure of semi-rigid asphalt pavement

1.2有限元模型

瀝青路面的加熱溫度場分布沿著加熱板的寬度方向和長度方向具有對稱性，為了減少計算量，將三維模型簡化為二位模型。建立二維平面模型對瀝青路面溫度場進行分析求解，模型的水平寬度為1 m。采用PLANE55單元，水平方向網格尺寸為2 cm，豎直方向瀝青層網格尺寸為0.5 cm，基層網格尺寸為1 cm，土基網格尺寸為 2 cm（其中對網格劃分進行了無關性驗證，發(fā)現在此基礎上進一步細化網格后的計算結果變化很?。?。對于紅外輻射加熱還需建立加熱板模型，由于加熱板和瀝青路面的輻射傳熱過程不是封閉系統，因此，還需建立空間節(jié)點，空間節(jié)點采用SURF151單元。紅外輻射的網格模型如圖1所示。

圖1　瀝青路面紅外輻射加熱網格模型Fig. 1　Mesh model of asphalt pavement with infrared radiation

1.3參數設置

瀝青混合料的熱物參數隨著溫度的變化而變化，若所有參數設置都隨著溫度不斷變化，則整個數值計算過程將變得過于復雜。鑒于整個加熱過程中瀝青材料層的比熱和密度變化不大，在計算過程中，將瀝青材料層的比熱和密度視為常數，瀝青材料層的導熱系數采用分段線性函數的方法定義。瀝青路面各結構層熱物特性參數如表2所示［12-13］，瀝青材料層在20，40，60，80，100，120，140，160和大于160 ℃時的導熱系數分別設定為1.07，1.25，1.59，1.95，2.07，2.15，2.32，2.52和 2.52 W/（m·K）［14］。瀝青路面發(fā)射率［15］ε1=0.9，紅外輻射加熱板發(fā)射率ε2=0.92，空間節(jié)點發(fā)射率ε3=1，空間節(jié)點溫度、大氣溫度和瀝青路面初始溫度均為20 ℃，大氣與路面之間的對流換熱系數h=20 W/（m2·K），Stefan-Boltzmann常數σ=5.67×10-8W/（m2·K4），采用熱風加熱時熱風的溫度為500 ℃。

表2　瀝青路面熱物理參數Table 2 Thermal physical parameters of asphalt pavement

2　瀝青路面溫度場數學模型

采用紅外輻射加熱方式時，瀝青路面與外界的熱交換包括［16］路面與大氣的對流換熱、路面與大氣之間的輻射換熱、太陽輻射以及紅外加熱板與路面之間的輻射換熱?？紤]到整個輻射傳熱過程不是一個封閉系統，需建立空間節(jié)點，通過建立AUX12輻射矩陣對整個輻射傳熱過程進行分析求解。采用熱風加熱方式時，瀝青路面與外界的熱交換方式有路面與大氣的對流換熱、路面與大氣之間的輻射換熱、太陽輻射以及煙氣與路面之間的對流換熱。

2.2平面溫度場數學模型

從熱量傳遞的機理上說，分為3種基本熱傳遞方式，即熱傳導、熱對流和熱輻射。瀝青路面的加熱過程中包含這3種傳熱方式。根據傳熱學基本原理平面溫度場熱傳導方程可由下式表示［17］：

式中：ρ為瀝青路面層密度；c為瀝青路面層比熱容；T為瀝青路面溫度；t為熱傳導持續(xù)的時間；k為材料導熱系數。

對于紅外輻射加熱瀝青路面，由太陽輻射、空氣對流、紅外輻射、空氣輻射產生的熱交換可由下列矩陣式表示：

通過上文對人工智能創(chuàng)作結果的版權法分析，我們還發(fā)現人工智能創(chuàng)作結果實際上具有雙重屬性。一方面，是其作為數據的內在本質屬性。人工智能創(chuàng)作結果對于人工智能程序本身而言與其他非創(chuàng)作性計算生成的結果并無不同，無非是一堆二進制數據而已，并無審美、情感或思想方面的意義可言。另一方面，是其類似版權法中的表達的外在屬性。對于自然人受眾而言，人工智能創(chuàng)作的作品與自然人創(chuàng)作的作品外觀上無法區(qū)分，同樣能夠在觀眾、讀者等自然人欣賞者身上引發(fā)審美、情感、思想等精神體驗。

式中：Tg為煙氣溫度。有限元瞬態(tài)溫度場微分控制方程由下式表示：

式中：［K］為熱傳導矩陣；［C］為比熱容矩陣；T為瀝青路面溫度；｛Q｝為施加的熱載荷矩陣；δ為迭代控制系數；t為時間；Δt為時間增量。

3　瀝青路面紅外加熱溫度場數值模擬及分析

3.1瀝青路面紅外加熱溫度場數值模擬

鑒于瀝青路面加熱過程的實際工況，對瀝青路面溫度場求解時提出以下假設：

1） 瀝青路面各層是結構均勻連續(xù)的各項同性體。

2） 各結構層之間接觸緊密，忽略各結構層之間的接觸熱阻。

3） 不考慮溫度變化對各層材料比熱和密度的影響。

4） 在加熱過程中，忽略太陽輻射對瀝青路面溫度場的影響。

分析研究不同紅外輻射加熱控制方式對瀝青路面溫度場的影響，紅外輻射加熱時間控制方式如表3所示。間歇式加熱方式采用的流程為“首次加熱→停止加熱→循環(huán)加熱→停止加熱→循環(huán)加熱→…→停止”，其中常用的是間隙式加熱方式 1，其規(guī)律為：首次加熱時間為40 s，循環(huán)加熱時長從30 s開始（即第2次加熱時長為30 s），以后每循環(huán)3次加熱時長縮短5 s（即第5次加熱時間為25 s，第8次加熱時間長20 s，依此類推）。間歇式加熱方式2是本文新提出的一種間歇式加熱方式，間歇式加熱方式3和4的加熱方式與方式1 和2的類似，僅點火和熄火時間不同。4種間歇式加熱方式總的加熱時間均為280 s，耗時720 s，持續(xù)式加熱的總加熱時間為540 s，耗時540 s。

采用有限元分析軟件ANSYS，通過編寫APDL語言和采用 TABLE表載荷加載的方式實現間歇式加熱，建立AUX12輻射矩陣對整個輻射傳熱過程進行分析求解，探討不同紅外加熱控制方式對瀝青路面加熱效果的影響。

表3　紅外輻射加熱時間控制方式Table 3 Time control mode of infrared radiation heating s

3.2紅外加熱結果分析

由于紅外線波長較短的部分難以滲透到瀝青路面深層，而瀝青混凝土又是熱的不良導體，在加熱過程中，瀝青路表面溫度在短時間內會急劇升高，甚至會造成瀝青路面焦化起火，而路面深層未達到施工要求的溫度。采用間歇式加熱工藝，同時必須合理選擇加熱時間，可有效提高瀝青混合料受熱均勻性。間歇式加熱方式的時間控制對瀝青路面加熱效果的影響起關鍵作用，對持續(xù)式加熱和不同的間歇式加熱方式進行數值計算，選取模型水平方向正中部位作為研究對象，計算結果如圖2～4所示，其中h為距離路表面的深度（不包括靠近邊界的點）。

圖2和圖3所示分別為2種不同間歇式加熱方式對瀝青路面加熱12 min路面的溫度變化情況。從圖2可以得出采用第1種較常用間歇式加熱方式對瀝青路面進行加熱時瀝青路表的最高溫度達到296.8 ℃。從圖3可以看出：采用本文新提出的間歇式加熱方式對瀝青路面進行加熱時瀝青路表最高溫度為279.9 ℃，與第1種間歇式加熱方式相比，路表的最高溫度下降15.9 ℃，降低路面加熱過程所出現的最高溫度可有效地降低混凝土的老化情況。

圖2　間歇式紅外加熱方式1的瀝青路面溫度Fig. 2　Temperature of asphalt pavement under intermittent infrared radiation heating mode 1

圖3　間歇式紅外加熱方式2的瀝青路面溫度Fig. 3　Temperature of asphalt pavement under method 2 of intermittent infrared radiation heating mode 2

圖4所示為對瀝青路面連續(xù)加熱9 min路面的溫度變化情況。從圖4可以看出：加熱9 min后瀝青路表溫度高達445.9 ℃，離路表4 cm深層的溫度達130℃。雖然深層到達了施工所要求的90 ℃以上，但瀝青的起火溫度一般為300 ℃，表層的溫度已遠遠超出瀝青的起火溫度，而且從路表到深層2 cm處的混凝土溫度均超過了200 ℃（一般瀝青的老化溫度為190 ℃），路面的加熱質量較差，加熱后大部分瀝青混凝土可能被烤焦或老化。比較間歇式紅外加熱方式2（見圖3），在加熱過程中，路表面的最高溫度在300 ℃以下，路面未出現起火焦化現象，離路表0.5 cm的混凝土最高溫度只有200 ℃左右，說明只有路表面的少部分瀝青混凝土會老化，路面加熱質量較好；此外，離路表4 cm深層的溫度也達到施工所要求的90 ℃。從節(jié)能方面考慮，雖然持續(xù)式加熱的總耗時更短，但是持續(xù)加熱的點火加熱時間為 9 min，間歇式加熱點火總的加熱時間只有4.67 min（見表3），減少了將近一半的點火加熱時間。因此，采用間歇式加熱在提高瀝青路面加熱效果的同時還大大降低了能源消耗，達到了節(jié)能的目的。

圖4　持續(xù)式紅外加熱瀝青路面溫度Fig. 4　Temperature of asphalt pavement under continuous infrared radiation heating

圖5所示為不同間歇加熱方式每次點火加熱結束時瀝青路表面對應出現的溫度波峰值。觀察間歇式加熱過程中瀝青路表面每次出現的溫度波峰值的波動情況可以發(fā)現：路表溫度波峰值的波動越小，在整個加熱過程中瀝青路表面所達到的最高溫度越低，因此，采用間歇式加熱工藝時路表面每次出現的溫度波峰值越接近，瀝青路面的加熱效果越好，在間歇式加熱過程中，要盡量保證點火加熱結束時瀝青路表所出現的最高溫度相接近，這樣可以有效地降低在整個加熱過程中瀝青路表面的溫度。

圖5　不同間歇式加熱過程中瀝青路表出現的溫度波峰值Fig. 5　Temperature wave of asphalt pavement surface in process of different intermittent heatings

4　瀝青路面熱風加熱與紅外加熱對比分析

熱風循環(huán)加熱方式是通過燃燒燃料油對空氣加熱，然后通過循環(huán)裝置使熱空氣不斷地進行循環(huán)而對地面進行加熱的方法。對熱風加熱瀝青路面的加熱過程進行數值模擬，選取模型水平方向正中部位作為研究對象計算模擬結果如圖6所示。分別對不同加熱方式加熱終了時瀝青路面的溫度沿深度方向的溫度變化情況進行分析，結果如圖7所示。

圖6　熱風加熱瀝青路面加熱效果Fig. 6　Heating effect of asphalt pavement with hot-air heating

從圖 6可以看出：采用熱風對瀝青路面加熱 23 min（即1 380 s）后瀝青路面表層溫度達到189.3 ℃，離路表4 cm深層的溫度達到91 ℃。將圖3和圖6進行對比可以發(fā)現：采用熱風加熱瀝青混凝土一般不會出現老化現象（路表面最高溫度未超過一段瀝青的老化溫度 190 ℃），更不會出現因路面溫度過高而引起的起火焦化現象，且距離路表4 cm深層的溫度也達到了施工要求，克服了紅外加熱少部分混凝土出現老化現象的不足。然而，采用熱風加熱需23 min瀝青路面才基本達到施工要求，采用紅外加熱只需12 min即可達到施工要求，熱風加熱需耗費更多的時間，這對施工速度影響較大。

根據圖7可以得出連續(xù)紅外加熱路表至1 cm深層的混凝土均會發(fā)生起火焦化現象，從1 cm深層至2 cm深層的混凝土溫度均超過了200 ℃，說明這些區(qū)域的混凝土均會出現老化現象。路面加熱質量較差，這種加熱方式不可取。采用合理的間歇式紅外加熱，路面1 cm深層混凝土溫度明顯低于200 ℃，說明只有路面表層的少一部分混凝土由于溫度過高會出現老化現象，加熱深度可達4 cm，即瀝青路面4 cm深處溫度達到 90 ℃。采用熱風加熱混凝土一般不會出現老化現象，加熱深度可達4 cm，適當延長加熱時間加熱深度可達5～6 cm。

圖7　不同加熱方式瀝青路面沿深度方向的溫度Fig. 7　Temperature of asphalt pavement along depth direction with different heating methods

為了進一步全面對比分析熱風加熱與紅外加熱對瀝青路面加熱效果的影響，選取瀝青路面的磨耗層作為研究對象，分析加熱結束后磨耗層的溫度場分布情況。圖8所示為熱風加熱磨耗層的溫度云圖。從圖8可以看出整個磨耗層的最高溫度為189.34 ℃，最低溫度為90.415 ℃。圖9所示為間歇式紅外加熱磨耗層的溫度分布云圖。從圖9可以看出磨耗層的最高溫度達到275.078 ℃，磨耗層邊緣2個底角的溫度最低，只有61.512 ℃，路面中間部位的溫度比兩端的高。這是由于采用紅外加熱瀝青路面時，路面中間部位紅外輻射強度更大。對比2種加熱方式磨耗層的溫度云圖可以發(fā)現：相對紅外輻射加熱方式熱風加熱方式加熱更均勻，溫度梯度更小且路面不易出現老化現象。

圖8　熱風加熱瀝青路面磨耗層溫度云圖Fig. 8　Temperature cloud figure of asphalt pavement wearing surface with hot-air heating

圖9　間歇式紅外加熱瀝青路面磨耗層溫度云圖Fig. 9　Temperature cloud figure of asphalt pavement wearing surface with intermittent infrared radiation heating

5　結論

1） 連續(xù)式紅外加熱會導致瀝青路面出現起火焦化現象，且大部分瀝青混凝土會由于溫度過高而老化。

2） 采用間歇式紅外加熱工藝可有效防止瀝青路面的起火焦化現象，且只有少部分瀝青混凝土會出現老化現象，提高了瀝青混合料受熱均勻性。此外，采用間歇式加熱所需的點火加熱時間更少，在提高瀝青路面加熱質量的同時還大大降低了能源消耗，達到了節(jié)能的目的。

3） 采用間歇式紅外加熱的過程中，瀝青路表溫度波峰的波動越小，瀝青路表面的最高溫度越低。因此，采用間歇式加熱工藝時，應合理選擇加熱時間，盡量使瀝青路表每次出現的溫度波峰相接近，這樣可以有效地降低加熱過程中瀝青路面表層的最高溫度。采用本文新提出的間歇式加熱方式相比常用的間歇式加熱方式路表的最高溫度下降15.9 ℃，在一定程度上提高了路面的加熱效果。

4） 采用紅外加熱時，瀝青路面中間部位的溫度比兩端的高，這是由于路面中間部位紅外輻射強度更大。熱風加熱克服了紅外加熱少部分混凝土出現老化現象的不足，加熱更均勻，溫度梯度更小，但采用熱風加熱相同深度的瀝青路面耗時是紅外加熱的2倍多，這對施工速度影響較大。

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（編輯 陳燦華）

Heating method for in-place heat recycling of asphalt pavement

LI Xuan1， MA Dengcheng1， 2， YANG Shimin1

（1. Key Laboratory for Highway Construction Technology and Equipment of Ministry of Education，Chang’an University， Xi’an 710064， China；2. Business Department of Road Machinery， XCMG， Xuzhou 221006， China）

In order to improve the heating efficiency and characteristics of in-place heat recycling of asphalt pavement，numerical simulation of the heating process of asphalt pavement was carried out with the finite element software ANSYS based on the principle of heat transfer and the method of finite element. The influence of different infrared radiation heating methods on the temperature field for asphalt pavement was analyzed. The performance of hot-air heating and infrared radiation heating was compared. A rational heating process of intermittent infrared radiation was proposed. The results show that the infrared radiation heating is efficient， while continuous heating will cause the asphalt pavement on fire， and this phenomenon can be avoided by the process of intermittent infrared radiation， what’s more， the process will also reduce energy consumption. The influence of intermittent infrared radiation heating method on the temperature for the surface of asphalt pavement is obvious. Making the value of temperature wave approximate in the process of intermittent heating， the maximum temperature of the asphalt pavement surface can be reduced visibly. The aging performance of asphalt pavement is seldom by the process of hot-air heating. However， the method of hot-air heating will take larger more time.

asphalt pavement； temperature field； finite element； infrared radiation heating； hot-air heating

U416.26

A

1672-7207（2016）04-1290-07

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.04.027

2015-04-10；

2015-06-12

國家自然科學基金資助項目（11202036）；中央高?；穑▌?chuàng)新團隊）資助項目（2014G3252006）；陜西省重點實驗室開放基金資助項目（2013G1502059）（Project （11202036） supported by the National Natural Science Foundation of China； Project （2014G3252006）supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities； Project （2013G1502059） supported by the Key Laboratory Program of Shaanxi Province）

李旋，博士研究生，講師，從事工程機械理論及作業(yè)質量控制研究；E-mail：lixuan_78l@163.com