三種吸波材料對(duì)微波加熱效率的影響

張富強(qiáng)，焦生杰，馬小康，張 陳

(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.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 221004)

0 引 言

由于微波加熱技術(shù)具有可選擇性加熱、加熱溫度均勻、對(duì)瀝青損害小等優(yōu)勢(shì)[1-4]，近年來(lái)已在瀝青路面中被廣泛應(yīng)用。關(guān)于吸波材料對(duì)微波加熱效率的影響，許多學(xué)者也做了相應(yīng)的研究。1989年，Osborne和Hutcheson在瀝青混合料中加入一種微波吸收劑，來(lái)提高微波加熱瀝青混合料的效果。1995年，Long H W在瀝青混合料中加入有較強(qiáng)吸波性能的無(wú)煙煤，提高微波加熱瀝青混合料的加熱效率。2003年，David M Hopstock博士提出用鐵燧石替代瀝青混合料中的傳統(tǒng)骨料，來(lái)提高道路微波吸收能力，從而達(dá)到快速除冰的目的[5]。許衛(wèi)東的研究表明，在混凝土中加入微波吸波材料，改善了混凝土對(duì)微波的吸收能力[6]。范曉正用硫鐵礦燒渣制備成吸波骨料，提高了瀝青混凝土的吸波性能[7]。長(zhǎng)安大學(xué)唐相偉、焦生杰等進(jìn)行了道路路面微波除冰效率的相關(guān)研究工作，在瀝青混合料中加入了一種磁性物質(zhì)，使瀝青路面的微波吸收能力明顯增強(qiáng)，道路表面除冰效率提高[8]。安徽理工大學(xué)鄭志濤等通過(guò)在AC-16瀝青混合料中添加二氧化錳和玄武巖纖維復(fù)合材料，提高微波對(duì)道路表面的修補(bǔ)效率[9]。劉士全研究了碳纖維對(duì)碎石封層材料電磁波性能的影響，結(jié)果表明，摻入碳纖維的瀝青碎石封層微波加熱性能得到大幅提高[10]。

1 微波加熱原理

當(dāng)極性分子處于微波場(chǎng)中，在電磁場(chǎng)的作用下，介質(zhì)材料中會(huì)形成偶極子，已有的偶極子會(huì)重新排列，并隨著高頻交變電磁場(chǎng)以高達(dá)每秒數(shù)億次的速度擺動(dòng)。分子要隨著不斷變化的高頻電磁場(chǎng)的方向重新排列，就會(huì)克服分子原有的熱運(yùn)動(dòng)和分子相互作用的干擾和阻礙，產(chǎn)生激烈的摩擦。在這一微觀過(guò)程中，微波能量轉(zhuǎn)化為介質(zhì)的熱量，宏觀的表現(xiàn)就是介質(zhì)溫度升高。

介質(zhì)材料由極性分子和非極性分子組成。在電磁場(chǎng)的作用下，介質(zhì)中的極性分子會(huì)改變?cè)瓉?lái)的排布方式，按照電場(chǎng)的極性排列取向。在高頻電磁場(chǎng)的作用下，這些極性分子的取向不斷變化，產(chǎn)生類似“摩擦”的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生熱量。此時(shí)交變電場(chǎng)的場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的熱能，使其溫度不斷升高。

由電磁場(chǎng)理論可知，任何一種物質(zhì)在微波電場(chǎng)的作用下，單位體積內(nèi)的功率耗散轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽湮展β?/p>

(1)

由式(1)可知，當(dāng)微波的頻率、電場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí)，單位體積內(nèi)的功率損耗密度材料的相對(duì)介電常數(shù)與介質(zhì)損耗角成正比。因此，在瀝青混合料中加入碳黑、磁鐵礦粉、軟磁粉等可以提高瀝青混合料的相對(duì)介電常數(shù)和介電損耗正切的吸波材料，能夠提高微波加熱瀝青混合料的效率。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)裝置及儀器

采用以玄武巖為骨料的舊瀝青混合料配制AC-13混合料，并在其中分別加入不同摻量的碳黑、磁鐵礦粉、軟磁粉3種吸波材料，研究其對(duì)微波加熱效率的影響。

試驗(yàn)裝置采用單個(gè)波導(dǎo)天線微波加熱源對(duì)舊瀝青混合料進(jìn)行加熱。試驗(yàn)裝置由單個(gè)波導(dǎo)天線(頻率為2.45 GHz)、電源、盛料箱1(盛放舊瀝青混合料)、盛料箱2(盛放常溫自來(lái)水)、水冷管以及導(dǎo)線組成。試驗(yàn)裝置實(shí)物及示意如圖1所示。測(cè)試儀器有手持式熱電偶、電子天平等。

圖1 試驗(yàn)裝置

2.2 試驗(yàn)對(duì)象

因需要多次試驗(yàn)，為了避免每次試驗(yàn)對(duì)象差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響，試驗(yàn)中用振動(dòng)篩分儀對(duì)以玄武巖為骨料的舊瀝青路面混合料進(jìn)行篩分，篩成不同粒徑的料堆，然后按照級(jí)配AC-13配制試驗(yàn)對(duì)象，下文統(tǒng)稱為AC-13瀝青混合料。表1為AC-13瀝青混合料的設(shè)計(jì)級(jí)配，圖2為AC-13瀝青混合料的級(jí)配曲線。

2.3 試驗(yàn)原理

本文采取的試驗(yàn)方法如下：在AC-13混合料中加入不同摻量的吸波材料，再用單個(gè)波導(dǎo)天線對(duì)其加熱，通過(guò)預(yù)埋在AC-13混合料中的熱電偶的終了溫度來(lái)評(píng)價(jià)吸波材料對(duì)微波加熱效率的影響。通過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行一種吸波材料摻量的同組試驗(yàn)中，組中試驗(yàn)結(jié)果波動(dòng)太大，熱電偶的終了溫度差異較大，無(wú)法穩(wěn)定下來(lái)。隨后經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，由于吸波材料摻量太小，導(dǎo)致其與AC-13瀝青混合料充分混合，吸波材料多的地方溫度較高，吸波材料摻量低的地方溫度較低。

表1 AC-13瀝青混合料的設(shè)計(jì)級(jí)配

圖2 AC-13瀝青混合料的級(jí)配曲線

隨后，本文采用間接方法來(lái)測(cè)量吸波材料對(duì)微波加熱舊瀝青混合料效率的影響，通過(guò)容器2中盛放的自來(lái)水吸收的能量，來(lái)間接反映3種吸波材料摻量對(duì)微波加熱舊瀝青混合料效率的影響。采用此試驗(yàn)方法，無(wú)論吸波材料與AC-13混合料是否均勻混合，容器2中的水吸收的能量都不會(huì)有太大的波動(dòng)。當(dāng)容器2中AC-13瀝青混合料中加入相應(yīng)摻量的吸波材料時(shí)，相較于不加吸波材料，其吸收的能量會(huì)增加，而容器1中自來(lái)水吸收的能量會(huì)減少，通過(guò)自來(lái)水吸收能量的變化，可以求出吸波材料對(duì)微波加熱效率的提升程度。具體試驗(yàn)步驟如下。

步驟一：首先測(cè)出當(dāng)容器2中無(wú)料時(shí)容器1中自來(lái)水的加熱效率。取室溫下一定質(zhì)量的水，記錄其質(zhì)量m1以及溫度t1，放于容器2中。將波導(dǎo)天線放置于容器上方，加熱一定時(shí)間T后，用手持式熱電偶測(cè)定水的溫度t2及此時(shí)水的質(zhì)量m2?？梢杂?jì)算出水吸收的總熱量Q1。水吸收的總熱量被分為兩部分利用：一部分熱量q1使水的整體溫升，稱為水吸收的熱量；另外一部分為水局部吸收的熱量q2，導(dǎo)致少量水的氣化，稱為水的氣化熱。那么水在指定時(shí)間T內(nèi)吸收的能量為

Q1=q1+q2=c·m1·(t2-t1)·T+

c·(m1-m2)·(100-t1)·T

(2)

式中：c為水的比熱容；m1、m2分別為加熱前后測(cè)量的水的質(zhì)量；t1、t2為加熱前后測(cè)量的水的溫度;T為加熱時(shí)間。

試驗(yàn)采用的磁控管功率P為1.6 kW·h-1,可以計(jì)算指定時(shí)間內(nèi)磁控管的輸出能量Q2，水的加熱效率η1=(Q1/Q2)×100%。

步驟二：測(cè)出容器1中加AC-13混合料時(shí)，自來(lái)水的加熱效率，再計(jì)算出此時(shí)AC-13混合料的吸收效率。在容器1中放入一定質(zhì)量的AC-13混合料，再取室溫下一定質(zhì)量的水記錄其質(zhì)量m3以及溫度t3，放于容器2中。將波導(dǎo)放置于容器上方，加熱一定時(shí)間T后，用手持式熱電偶測(cè)定水的溫度t4及此時(shí)水的質(zhì)量m4?？梢杂檬?1)計(jì)算出此時(shí)水吸收的熱量Q3，水的加熱效率η2=(Q1/Q3)×100%。

由步驟一、二可以計(jì)算出不加吸波材料的AC-13混合料的微波吸收效率η11=η1-η2。

步驟三：向AC-13 混合料中分別加入相應(yīng)比例的3種吸波材料，重復(fù)步驟二，則可以計(jì)算出加入相應(yīng)摻量吸波材料的AC-13瀝青混合料的吸收效率。根據(jù)計(jì)算出的AC-13混合料的吸收效率可以得出吸波材料對(duì)微波加熱舊瀝青混合料效率的影響。

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析

通過(guò)試驗(yàn)得到了碳黑、磁鐵礦粉、軟磁粉3種吸波材料及摻量對(duì)微波加熱效率的影響數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，得到的結(jié)果如表2所示。

為了更加直觀地看出3種吸波材料對(duì)微波加熱效率的影響，將整理的數(shù)據(jù)繪制成散點(diǎn)圖，如圖3所示。

通過(guò)對(duì)表2和圖3的分析，可以得出以下結(jié)論。

(1)對(duì)3種吸波材料的種類、摻量對(duì)微波加熱效率的影響進(jìn)行研究，證明3種吸波材料均能提高微波加熱瀝青混合料的效率，其中軟磁粉對(duì)提高微波加熱舊瀝青混合料效的率效果最好，磁鐵礦粉次之，碳黑效果最差。

表2 碳黑、磁鐵礦粉、軟磁粉3種吸波材料對(duì)微波加熱效率的影響

圖3 吸波材料摻量與微波吸收效率

(2)隨著3種吸波材料摻量的逐漸增大，微波加熱舊瀝青混合料的效率逐漸提高。當(dāng)3種吸波材料摻量達(dá)到4%時(shí)，碳黑使微波加熱舊瀝青混合料的效率提高36.74%，磁鐵礦粉使微波加熱舊瀝青混合料的效率提高到達(dá)42.40%，軟磁粉對(duì)微波加熱舊瀝青混合料效率提高51.59%。

(3)隨著3種吸波材料摻量逐漸增加，吸波材料對(duì)微波加熱舊瀝青混合料效率的提升效果逐漸下降。吸波材料摻量與微波加熱舊瀝青混合料效率并不成正比關(guān)系，隨著吸波材料摻量的增加，其對(duì)微波加熱舊瀝青混合料效率的提升效果逐漸衰減。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜合以上試驗(yàn)研究，可得出如下結(jié)論。

(1)在瀝青混合料中加入碳黑、磁鐵礦粉、軟磁粉3種吸波材料，均能提高微波加熱瀝青混合料的效率。隨著3種吸波材料摻量的增加，微波加熱效率也隨之提高，其中軟磁粉提升微波加熱效率的效果最好。當(dāng)軟磁粉摻量達(dá)到4%時(shí)，微波加熱效率比不加吸波材料時(shí)提升了51.59%。

(2)隨著3種吸波材料摻量逐漸增加，吸波材料對(duì)微波加熱舊瀝青混合料效率的提升效果逐漸下降。摻入2%軟磁粉比摻入1%時(shí)微波加熱效率提高了8.09%，而摻入3%軟磁粉比摻入2%時(shí)微波加熱效率提高了5.30%。

(3)本文只對(duì)吸波材料對(duì)微波加熱效率的影響進(jìn)行了研究，沒(méi)有對(duì)吸波材料對(duì)微波加熱均勻性及路用性能的影響進(jìn)行研究，建議補(bǔ)充此方面的研究，以確定吸波材料的最佳摻量。