鋼橋面澆筑式鋪裝層微波加熱試驗(yàn)研究

張翼飛,黃俊強(qiáng), 王慶先，解 睿

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路養(yǎng)護(hù)裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.重慶特鋪路面工程技術(shù)有限公司，重慶 401121；3.江蘇集萃道路工程技術(shù)與裝備研究所有限公司，江蘇 徐州 221001)

0 引 言

澆注式瀝青混凝土具有優(yōu)良的防水性、抗老化性能、抗疲勞性能以及對(duì)鋼橋面板優(yōu)良的隨從性，是一種理想的鋼橋面鋪裝材料[1]。鋼橋面鋪裝層出現(xiàn)車轍、裂縫等病害進(jìn)行修補(bǔ)時(shí)，舊橋面鋪裝層的去除既要使舊鋪裝層能完全脫離鋼板，又要保證去除的過(guò)程不對(duì)鋼橋面構(gòu)成損傷[2]。

目前國(guó)內(nèi)修補(bǔ)鋼橋面澆注式鋪裝層病害通常采用切割[3]、銑刨等冷補(bǔ)的方式，由于鋼橋面結(jié)構(gòu)剛性較大，傳統(tǒng)的銑刨工藝會(huì)帶來(lái)劇烈的震動(dòng)，影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全[4]。當(dāng)橋面平整度較差或預(yù)拱度等原因，局部可能銑刨過(guò)深而損傷鋼橋面板[5]。為了保護(hù)鋼橋面，銑刨時(shí)通常留有一定厚度的瀝青混凝土，通過(guò)人工或其他工具去除，施工工藝復(fù)雜，周期長(zhǎng)，成本高，而且修補(bǔ)質(zhì)量不高，因此需要尋求一種既容易剝離舊料又不損傷鋼橋面的維修方法。

為了能使瀝青混凝土從鋼橋面上較容易地剝離，需要破壞二者結(jié)合面的黏結(jié)性能。當(dāng)瀝青混凝土溫度較高時(shí)，瀝青產(chǎn)生軟化，具有一定的可塑性，力學(xué)性能下降，黏結(jié)能力降低，因而可考慮熱再生修補(bǔ)鋼橋面病害。

采用紅外、熱風(fēng)、明火等傳統(tǒng)熱再生方式加熱瀝青混凝土表面，由自上而下熱傳導(dǎo)的方式對(duì)內(nèi)部進(jìn)行加熱，溫度梯度大，加熱時(shí)間慢[6-7]。澆注式瀝青混凝土瀝青含量高，而瀝青為熱的不良導(dǎo)體，因而所需加熱時(shí)間更長(zhǎng)，加熱效率較低，容易造成瀝青老化、焦化，影響瀝青熱再生的質(zhì)量[8]，同時(shí)產(chǎn)生大量瀝青煙。與傳統(tǒng)加熱方式相比，微波加熱具有污染小、穿透深度大、溫度梯度小、無(wú)熱慣性、舊瀝青混凝土可100%循環(huán)利用、路用性能好等優(yōu)點(diǎn)[9]，更高效和節(jié)能環(huán)保。目前，關(guān)于微波用于鋼橋面病害維修的文獻(xiàn)較少。本文通過(guò)試驗(yàn)對(duì)微波加熱鋼橋面澆筑式鋪裝層后瀝青混凝土與防水層的剝離情況進(jìn)行研究。

圖1 試樣結(jié)構(gòu)

1 試驗(yàn)方法簡(jiǎn)介

1.1 試驗(yàn)試樣與儀器

制作2塊試樣,編號(hào)為試樣Ⅰ和試樣Ⅱ。試樣結(jié)構(gòu)如圖1所示，上層為澆注式瀝青混凝土，中間層為甲基丙烯酸樹脂防水黏結(jié)層，下層為鋼板。試樣Ⅰ鋼板尺寸為110 mm×100 mm×10 mm，瀝青混凝土尺寸為160 mm×150 mm×40 mm；試樣Ⅱ鋼板尺寸為1 000 mm×1 000 mm×10 mm，瀝青混凝土尺寸為820 mm×860 mm×35 mm。

試驗(yàn)儀器包括：磁控管、水冷系統(tǒng)(水泵、水管、接頭等)、開關(guān)電源、喇叭天線、微波養(yǎng)護(hù)車、dewe 2600數(shù)據(jù)采集儀(圖2)、自制屏蔽熱電偶(K型熱電偶線、細(xì)銅管、高溫膠水等)、K型鎧裝熱電偶、紅外測(cè)溫儀、電鉆、鉆臺(tái)等。

圖2 dewe 2600數(shù)據(jù)采集儀

1.2 試驗(yàn)方法

分別采用單個(gè)磁控管以及多個(gè)磁控管組成的陣列加熱試樣Ⅰ和試樣Ⅱ一定時(shí)間，測(cè)量試樣瀝青混凝土表面、中間層、混凝土與鋼板結(jié)合面及鋼板底部的溫度，嘗試分離瀝青混凝土與防水層，測(cè)試出瀝青混凝土與防水層分離的最低溫度，并比較瀝青混凝土與防水層結(jié)合面在不同溫度條件下的分離難易程度。

1.3 試驗(yàn)條件

環(huán)境溫度為30 ℃左右；微波頻率2.45 GHz；磁控管開關(guān)電源輸入功率為1.6 kW；加熱墻開啟部分磁控管，輸入功率為51 kW；喇叭天線端面距離試樣上表面50 mm[10]。

1.4 試驗(yàn)步驟

圖3 試樣測(cè)溫位置

圖4 試樣實(shí)物

(1)在試樣Ⅰ的距表層2 cm的瀝青混凝土中間層及瀝青混凝土與防水層結(jié)合面開深70 mm、直徑3 mm的孔，按圖3(a)所示測(cè)點(diǎn)布置自制屏蔽熱電偶，瀝青混凝土表面與鋼板底面的1號(hào)、2號(hào)、8號(hào)熱電偶應(yīng)貼合緊密，測(cè)溫孔中的5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)熱電偶頭應(yīng)與孔底部瀝青混凝土貼合緊密；在試樣Ⅱ距表層1.8 cm的瀝青混凝土中間層鉆深80 mm、直徑8 mm的孔，按如圖3(b)所示測(cè)點(diǎn)位置布置鎧裝熱電偶，瀝青混凝土表面與鋼板底面的1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、10號(hào)、11號(hào)、12號(hào)熱電偶應(yīng)貼合緊密，測(cè)溫孔中的4號(hào)、9號(hào)熱電偶首端應(yīng)與孔底部瀝青混凝土貼合緊密。試樣Ⅰ如圖4(a)所示，試樣Ⅱ如圖4(b)所示。

圖5 微波加熱鋼橋面試樣溫度曲線

(2)搭建試驗(yàn)臺(tái)，使喇叭天線端面與試樣Ⅰ瀝青混凝土表層平行，調(diào)整兩平面的距離為50 mm，檢查電源、水冷系統(tǒng)及屏蔽裝置，確認(rèn)正常后開啟一個(gè)磁控管加熱試樣Ⅰ,以秒表計(jì)時(shí)7.5 min，同時(shí)在數(shù)據(jù)采集儀中記錄溫度參數(shù)，加熱完成后嘗試分離瀝青混凝土與防水層，判斷能否分離及分離難易程度，以紅外溫度計(jì)測(cè)量剝離瀝青混凝土后的鋼板溫度。

(3)調(diào)整微波養(yǎng)護(hù)車加熱墻的位置，使加熱墻完全覆蓋試樣Ⅱ；調(diào)整加熱墻水平度和高度，使加熱墻輻射面平行于試樣Ⅱ?yàn)r青混凝土表面，二平面之間的距離為50 mm。

(4)用加熱墻加熱試樣Ⅱ5 min并采集數(shù)據(jù)，加熱完成后立即移開加熱墻，嘗試用鐵鍬分離瀝青混凝土與防水層，判斷能否分離及分離難易程度，用紅外溫度計(jì)測(cè)量剝離瀝青混凝土后的鋼板溫度。

(5)試樣Ⅱ冷卻至常溫后，用加熱墻加熱6 min并采集數(shù)據(jù)，加熱完成后立即移開加熱墻，嘗試用鐵鍬分離瀝青混凝土與防水層，判斷能否分離及分離難易程度，用紅外溫度計(jì)測(cè)量剝離瀝青混凝土后的鋼板溫度。

(6)試樣Ⅱ冷卻至常溫后，用加熱墻加熱8 min并采集數(shù)據(jù)，加熱完成后立即移開加熱墻，嘗試用鐵鍬分離瀝青混凝土與防水層，判斷能否分離及分離難易程度，用紅外溫度計(jì)測(cè)量剝離瀝青混凝土后的鋼板溫度。

(7)保存數(shù)據(jù)，整理儀器設(shè)備。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 單磁控管加熱試樣Ⅰ試驗(yàn)

將數(shù)據(jù)采集儀記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，如圖5所示，在t=0 s時(shí)刻，打開磁控管電源，開始加熱；0 s450 s時(shí)，磁控管處于停止?fàn)顟B(tài)，試樣Ⅰ冷卻。

圖5中測(cè)溫點(diǎn)1、2溫升速度最快。在微波加熱瀝青混凝土的過(guò)程中，微波能量呈指數(shù)衰減,如式(1)所示,瀝青混凝土表面功率最大，因而升溫速度最快。

P(z)=P0e-2αz

(1)

加熱過(guò)程中瀝青混凝土表層、距表層2 cm的中層升溫曲線分別如圖6、7所示。由圖6可知，單磁控管加熱試樣Ⅰ7.5 min，瀝青混凝土表層的平均溫度由34.5 ℃升至115.6 ℃，溫升幅度達(dá)到81.1 ℃。測(cè)溫點(diǎn)1、2溫度差異較大，原因主要有3個(gè)：喇叭天線發(fā)射出的微波存在主瓣和副瓣，而主瓣攜帶有大部分的微波能量，在主瓣輻射范圍內(nèi)瀝青混凝土單位體積的功率損耗密度大，所測(cè)溫度高，同理副瓣輻射區(qū)域所測(cè)溫度偏低；澆注式瀝青混凝土具有一定的孔隙率和平整度，加熱過(guò)程中瀝青混凝土溫度快速上升，達(dá)到某一溫度時(shí)開始軟化，瀝青蠕動(dòng)，由于孔隙率和平整度的關(guān)系，瀝青混凝土表面發(fā)生變化，導(dǎo)致熱電偶與瀝青混凝土表面貼合程度產(chǎn)生變化，造成溫度測(cè)量的差異；瀝青混凝土中的骨料吸收微波能力強(qiáng)[11]，而瀝青幾乎不吸收微波[12-13]，微波加熱瀝青混凝土本質(zhì)上是對(duì)骨料進(jìn)行加熱，熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)傳給瀝青，引起瀝青混凝土的整體升溫。如果熱電偶頭位置與骨料非常接近，則所測(cè)溫度較高。測(cè)溫點(diǎn)1、2溫升曲線為非線性，斜率先減小后增大。由式(2)所示的牛頓冷卻公式可知，加熱開始后一定時(shí)間，與空氣直接接觸的瀝青混凝土表層溫度急劇上升，與空氣的溫差越來(lái)越大，熱量散失到空氣中的速度越來(lái)越快，所以瀝青混凝土表層升溫速度逐漸變緩，曲線斜率減??；斜率變大是因?yàn)榧訜嵋欢螘r(shí)間后，測(cè)溫點(diǎn)附近空氣溫度逐漸上升，而實(shí)驗(yàn)室條件下無(wú)風(fēng)，空氣流動(dòng)性差，導(dǎo)致熱流降低，散熱能力變差，所以瀝青混凝土升溫速度變快。

圖6 瀝青混凝土表層升溫曲線

圖7 距上表面2 cm處瀝青混凝土內(nèi)部升溫曲線

q=h(Tw-Tf)

(2)

式中：q為熱流密度(W·m-2)；h為對(duì)流傳熱系數(shù)(W·(m2·K)-1)；Tw為瀝青混凝土表面的溫度(℃)；Tf為空氣溫度(℃)。

由圖7可知，在距離表面2 cm處的瀝青混凝土中層，測(cè)溫點(diǎn)3、4溫差不大，加熱7.5 min后最大溫差僅為17.2 ℃。溫升曲線基本呈線性變化，瀝青混凝土中間層平均溫升速度為5.2 ℃·min-1。由于瀝青混凝土導(dǎo)熱系數(shù)較低，為0.55 W·(m·K)-1[14]，微波加熱時(shí)瀝青混凝土內(nèi)部的熱傳導(dǎo)可忽略不計(jì)，內(nèi)部溫度關(guān)系[15]為

(3)

式中：T0為瀝青混凝土初始溫度(℃)；Ti為加熱時(shí)間t后第i個(gè)試樣的溫度(℃)；Pi為第i個(gè)試樣內(nèi)耗散的功率(W)；c為瀝青混凝土比熱容(J·(kg·K)-1)；ρ為瀝青混凝土密度(kg·m-3)。

測(cè)溫點(diǎn)5、6、7溫差較大，試驗(yàn)結(jié)束后從鋼板上剝離瀝青混凝土后發(fā)現(xiàn)，只有5、6兩個(gè)測(cè)溫點(diǎn)位于鋼板與瀝青混凝土接觸面上，測(cè)溫點(diǎn)7鉆孔時(shí)鉆頭傾斜，向?yàn)r青混凝土表面偏離，所測(cè)溫度不是瀝青混凝土與防水層結(jié)合面的溫度，故舍去，只取測(cè)溫點(diǎn)5、6的數(shù)據(jù)。加熱過(guò)程中測(cè)溫點(diǎn)5、6的溫度變化如圖8所示。由圖8可知，測(cè)溫點(diǎn)6位于天線口面中心正下方，處于主瓣輻射區(qū)域內(nèi)，而測(cè)點(diǎn)5位于天線口面邊緣位置，處于副瓣輻射區(qū)域，加熱7.5 min后二者溫度分別為93.5 ℃及89.7 ℃，差異很小，與主瓣、副瓣輻射區(qū)域內(nèi)瀝青混凝土溫度差異較大的情況不同，因?yàn)殇摪鍖?dǎo)熱速度快，可認(rèn)為瀝青混凝土與防水層接觸面的溫度是均勻的。

鋼板上下層升溫速度如圖9所示，上下層溫度與加熱時(shí)間呈線性關(guān)系，上表層溫升速度為7.7 ℃·min-1，下表層溫升速度為5.4 ℃·min-1。

圖8 瀝青混凝土與防水層結(jié)合面升溫曲線

圖9 鋼板上下表面升溫曲線

加熱7.5 min后停止，瀝青混凝土內(nèi)部溫降曲線如圖10、11所示。鋼板溫度變化如圖12及圖13所示，此時(shí)瀝青混凝土與防水層可容易分離。停止加熱后，鋼板溫度仍呈上升趨勢(shì)，但升溫速度逐漸減慢，4.5 min時(shí)溫度達(dá)到最高點(diǎn)，由79.9 ℃升至84.9 ℃，較加熱停止時(shí)刻升高5 ℃，并且維持1.5 min，隨后緩慢下降；停止加熱10 min后二者溫度趨于一致，為83.3 ℃，此時(shí)用螺絲刀可較容易地將二者分離。

2.2 加熱墻加熱試樣Ⅱ的試驗(yàn)

加熱墻加熱試樣Ⅱ6 min，各測(cè)溫點(diǎn)的溫度分布如圖14所示，升溫趨勢(shì)與單個(gè)磁控管加熱試樣Ⅰ時(shí)的升溫趨勢(shì)基本一致,瀝青混凝土上表面測(cè)溫點(diǎn)5的溫度由28 ℃升至82 ℃，測(cè)溫點(diǎn)8升至215 ℃，測(cè)溫點(diǎn)10升至104 ℃，測(cè)溫點(diǎn)11升至94 ℃，測(cè)溫點(diǎn)12升至135 ℃，瀝青混凝土表面的測(cè)溫點(diǎn)溫度差異較大的原因與單磁控管加熱試樣Ⅰ時(shí)的原因相同。距離表面1.5 cm處的瀝青混凝土中層在加熱6 min后最高溫度達(dá)到207 ℃；整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中試樣鋼板下表面的溫度上升比較緩慢，加熱6 min后鋼板底部溫度約為40 ℃，在加熱停止后，瀝青混凝土的熱量傳導(dǎo)給鋼板，所以鋼板下表面溫度呈上升趨勢(shì)，隨著瀝青混凝土溫度逐漸降低，鋼板溫度逐漸升高，二者的溫差越來(lái)越小，因而鋼板底部的升溫速度逐漸減慢，加熱停止后15 min，鋼板底部溫度達(dá)到84 ℃。單磁控管加熱后瀝青混凝土與防水層分離情況如圖15(a)所示，加熱墻加熱后的分離情況如圖15(b)、(c)、(d)所示。

單磁控管與加熱墻加熱試驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果見表1。由表1可以看出，當(dāng)瀝青混凝土與防水層結(jié)合

圖10 瀝青混凝土表層降溫曲線

圖11 距離表層2 cm處瀝青混凝土中間層降溫曲線

圖12 鋼板上表面降溫曲線(距表層4 cm)

圖13 停止加熱后鋼板上下表面溫度曲線

圖14 加熱墻加熱鋼橋面試樣溫度

圖15 瀝青混凝土與防水層分離試驗(yàn)

表1 加熱試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

面溫度達(dá)到80 ℃時(shí)，瀝青混凝土可通過(guò)人工與防水層剝離，因?yàn)闈仓綖r青混凝土中瀝青、粉料含量高，實(shí)際空隙率通常小于1%[16]，高溫時(shí)會(huì)產(chǎn)生黏彈性，而鋼橋面鋪裝的設(shè)計(jì)溫度最高為70 ℃，在80 ℃時(shí)瀝青開始軟化，瀝青混凝土具有了一定的可塑性，瀝青混凝土與防水層之間的黏結(jié)性能降低，二者可較容易地分離開來(lái)。加熱6 min時(shí)瀝青混凝土與防水層結(jié)合面溫度為93.5 ℃，此時(shí)二者容易分離；加熱8 min時(shí)，瀝青混凝土與防水層結(jié)合面溫度達(dá)到126.5 ℃，此時(shí)可非常容易地剝離，可見隨著瀝青混凝土與防水層結(jié)合面溫度的升高，二者分離變得更加容易。這是因?yàn)椋簻囟壬?，瀝青混凝土變得更松軟，可塑性更強(qiáng)，黏結(jié)性能更低；此外，隨著溫度的升高，防水黏結(jié)層的抗剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度迅速降低，且下降幅度較大[17]。當(dāng)加熱墻加熱8 min時(shí)，試樣Ⅱ?yàn)r青混凝土與防水層結(jié)合面溫度為126.4 ℃，可非常容易地分離，但此時(shí)瀝青混凝土表層溫度超過(guò)500 ℃，伴隨有大量瀝青煙和焦糊味，因而加熱時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，否則瀝青混凝土表面溫度過(guò)高會(huì)引起老化甚至燒焦。

單磁控管加熱試樣Ⅰ7.5min時(shí)表面溫度為104 ℃，磁控管陣列加熱試樣Ⅱ6 min，表層溫度達(dá)到215 ℃，二者升溫速度差異很大，可能原因?yàn)椋涸嚇英駷r青混凝土厚度為40 mm，試樣Ⅱ?yàn)r青混凝土厚度為35 mm，在喇叭天線輻射區(qū)域內(nèi)，試樣Ⅰ中瀝青混凝土質(zhì)量更大，升溫更慢；陣列加熱時(shí)，相鄰天線的電磁場(chǎng)疊加，單位體積瀝青混凝土吸收的微波能更多[18-19]。

2.3 試驗(yàn)結(jié)論

(1)單個(gè)磁控管加熱鋼橋面澆筑式鋪裝層7.5 min后表面溫度達(dá)到100 ℃左右，瀝青混凝土與防水層結(jié)合面溫度為92 ℃左右，1 cm厚鋼板底層溫度約為76 ℃，此時(shí)鋼橋面瀝青鋪裝層人工可容易分離；冷卻一定時(shí)間后瀝青混凝土與防水層結(jié)合面溫度將為83 ℃，此時(shí)二者較容易分離。

(2)微波陣列加熱鋼橋面澆筑式鋪裝層5～6 min后表面溫度約為170 ℃，瀝青混凝土與防水層結(jié)合面溫度為80 ℃左右，1 cm厚鋼板底層溫度約60 ℃，此時(shí)鋼橋面瀝青鋪裝層人工可容易分離。

(3)鋼板溫度來(lái)自瀝青混凝土的熱傳導(dǎo)，應(yīng)盡可能在瀝青混凝土熱量未大量傳輸給鋼板時(shí)剝離。

(4)防水層與瀝青混凝土結(jié)合處溫度均勻。

(5)加熱溫度不宜過(guò)高，否則會(huì)導(dǎo)致瀝青混凝土老化甚至燒焦。

(6)停止加熱后，開始時(shí)鋼板上下表面溫度相差比較大，達(dá)到15 ℃，經(jīng)一定時(shí)間熱傳導(dǎo)后，上下溫度趨于一致。

3 結(jié) 語(yǔ)

微波應(yīng)用于鋼橋面養(yǎng)護(hù)時(shí)，瀝青混凝土與防水層結(jié)合面的溫度是至關(guān)重要的參數(shù)，對(duì)瀝青混凝土與防水層分離的難易程度及瀝青的性能有決定性的影響。本文的試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室條件下、室溫30 ℃左右時(shí)進(jìn)行的，此時(shí)微波加熱鋼橋面澆筑式鋪裝層試樣5～6 min，瀝青混凝土與防水層結(jié)合面溫度為80 ℃左右，較容易分離。下一步應(yīng)進(jìn)行野外試驗(yàn)，對(duì)不同溫度的鋼橋面瀝青混凝土加熱時(shí)間和溫度進(jìn)行研究，完善施工工藝。