含水率對(duì)微波加熱舊瀝青混合料的影響

高子渝，張翼飛，付貝貝，韓尤舜

(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

將微波加熱應(yīng)用于瀝青路面快速養(yǎng)護(hù)中，可以有效避免傳統(tǒng)紅外與熱風(fēng)加熱方式的不足，具有加熱深度大、加熱均勻、溫度梯度小的特點(diǎn)，能夠一次性加熱路面至維修所需深度，高效、快速地修復(fù)坑槽、松散、車轍等路面病害[1]，因此在高等級(jí)公路瀝青路面的養(yǎng)護(hù)和融雪除冰領(lǐng)域，微波加熱技術(shù)逐漸得到了廣泛應(yīng)用。

含水率是影響瀝青路面微波加熱效率的重要因素，水分的存在對(duì)于微波加熱濕舊瀝青混合料既有積極影響，也有消極影響。一方面由于水的介電損耗正切與相對(duì)介電常數(shù)相較瀝青混合料要大很多，微波吸收效率較高，能夠吸收更多的微波能量，加速濕舊瀝青混合料的溫度上升；另一方面由于水的比熱容較大，同樣的溫升需要更多的熱量，加之水的汽化需要大量的熱量，導(dǎo)致相同質(zhì)量的瀝青混合料含水率高時(shí)加熱除濕所需的熱量也較多，從而造成利用微波加熱瀝青混合料到再生溫度所需的時(shí)間延長(zhǎng)。在兩種影響的同時(shí)作用下，含水率對(duì)微波加熱濕舊瀝青混合料的影響還沒有得到深入研究。朱松青等[2]建立了微波加熱濕舊瀝青混合料的傳熱傳質(zhì)模型，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，但并沒有進(jìn)一步分析含水率對(duì)微波加熱瀝青混合料的影響。盛漢乾[3]建立了微波加熱瀝青路面的質(zhì)熱耦合模型，仿真研究了不同含水率微波加熱瀝青混合料的影響，并通過試驗(yàn)研究了不同含水率下瀝青混合料在微波加熱過程中含水率隨時(shí)間的變化關(guān)系，但其試驗(yàn)僅在一定程度上驗(yàn)證了仿真模型，且整個(gè)試驗(yàn)過程中加熱溫度始終沒有超過100 ℃，存在不足。本文通過分析含水率變化對(duì)微波加熱濕舊瀝青混合料的影響，結(jié)合試驗(yàn)研究，對(duì)微波加熱濕舊瀝青混合料中含水率的影響進(jìn)行探討，以期為瀝青路面微波熱再生工藝的制定提供參考和依據(jù)。

1 含水率變化對(duì)微波加熱濕舊瀝青混合料的影響分析

1.1 含水率變化對(duì)微波吸收效率的影響

含水率的變化對(duì)材料的介質(zhì)特性有很大影響，水的介電常數(shù)一般約為80，而瀝青混合料的介電常數(shù)僅為5.8左右，大大低于水的介電常數(shù)，因此，含水率的增加會(huì)導(dǎo)致混合料介電常數(shù)的大幅增加。此外，一般而言，在含水率較小時(shí)，隨著含水率的增加，材料的介電損耗也隨之增大，當(dāng)增大到一定程度時(shí)會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)值上，隨著含水率繼續(xù)增加則又會(huì)減小。

以往的研究中對(duì)于不同含水率瀝青混合料的相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切沒有經(jīng)過認(rèn)真測(cè)定，因此，本文通過以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到[4]。

(1)

式中：εr為混合物的相對(duì)介電常數(shù)；εri為第i種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

混合物的介質(zhì)損耗角正切由式(2)可以求得：

tanδ=Q1tanδε1+Q2tanδε2

(2)

式中：tanδ為混合物的介質(zhì)損耗角正切；tanδεi為第i種介質(zhì)的介質(zhì)損耗角正切；Qi為第i種介質(zhì)在混合物中所占的體積分?jǐn)?shù)。

瀝青混合料的相對(duì)介電常數(shù)εr1=5.8，介質(zhì)損耗角正切tanδε1=0.034，水的相對(duì)介電常數(shù)εr2=77.5，介質(zhì)損耗角正切tanδε2=0.16，計(jì)算不同含水率瀝青混合料的介質(zhì)特性結(jié)果見表1。

表1 不同含水率瀝青混合料的介質(zhì)特性

微波加熱系統(tǒng)內(nèi)電磁場(chǎng)的分布很復(fù)雜，進(jìn)一步考慮微波在空氣中的損耗與加熱介質(zhì)內(nèi)入射波與反射波的耦合后，更增加了對(duì)其電磁場(chǎng)分布求解析解的困難程度，本文借助CST軟件對(duì)2.45 GHz頻率微波加熱濕舊瀝青混合料的微波場(chǎng)分布進(jìn)行仿真。

CST仿真實(shí)體模型如圖1所示，由微波輻射源、波導(dǎo)、瀝青混合料試樣組成。瀝青混合料骨料選用玄武巖，試樣尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。微波輻射源輸出功率設(shè)定為1 250 W，通過對(duì)微波場(chǎng)功率損耗密度的仿真，研究微波加熱濕舊瀝青混合料的效率，仿真結(jié)果如表2所示。

圖1 CST仿真實(shí)體模型

表2 不同含水率瀝青混合料最大功率損耗密度

由表2可知，含水率的變化對(duì)瀝青混合料微波吸收效率的影響比較大，隨著含水率的增加，微波的最大功率損耗密度隨之增大，含水率為1.85%時(shí)的最大功率損耗密度是0.05%時(shí)的1.23倍，含水率為4.59%時(shí)是1.73倍。

1.2 含水率變化對(duì)微波加熱除濕所需熱量的影響

試驗(yàn)所用AC-13瀝青混合料的比熱容經(jīng)測(cè)定為970 J·kg·℃-1，水的比熱容為4.2 kJ·kg·℃-1，水的汽化熱為2 257.2 kJ·kg-1，不同含水率的1 000 kg瀝青混合料由30 ℃室溫加熱至100 ℃所需的熱量、水汽化所需熱量以及加熱到100 ℃并完全脫水需要的總熱量經(jīng)計(jì)算后結(jié)果如表2所示。

表2 不同含水率瀝青混合料加熱所需熱量

由表2可知，由于水的比熱容顯著大于瀝青混合料的比熱容，約為瀝青混合料的4.3倍，同等質(zhì)量的濕舊瀝青混合料加熱到100 ℃并完全脫水所需的熱量隨含水率的增加而顯著增加。含水率1.85%時(shí)所需的熱量是0.05%時(shí)的1.42倍，含水率為4.59%時(shí)則是2.26倍。

1.3 含水率變化對(duì)微波加熱脫水所需時(shí)間的影響

假設(shè)微波輻射源的功率相同，微波吸收的效率也相同，則含水率為4.59%的瀝青混合料加熱完全脫水所需的時(shí)間理論上應(yīng)該是含水率為0.05%時(shí)的2.26倍。但含水率變化同時(shí)影響了微波吸收的效率，使得最大功率損耗密度含水率為4.59%時(shí)是0.05%時(shí)的1.73倍，假設(shè)最大功率損耗密度的變化與微波吸收效率的變化成正比，以此加以修正后，含水率為1.85%的瀝青混合料加熱到100 ℃并完全脫水所需的時(shí)間應(yīng)該是含水率為0.05%時(shí)的1.15倍，含水率4.59%時(shí)則是1.3倍。

實(shí)際上，微波加熱瀝青混合料是一個(gè)非常復(fù)雜的電磁熱耦合的傳熱傳質(zhì)過程，微波電磁場(chǎng)的變化并不足以全部反映微波加熱過程，難以對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的推導(dǎo)分析，因此有必要進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

圖2 試驗(yàn)裝置

2 不同含水率影響試驗(yàn)及結(jié)果分析

不同含水率瀝青混合料微波加熱除濕試驗(yàn)裝置如圖2所示，微波頻率2.45 GHz，9個(gè)輸出功率1 000 W的磁控管作為微波源，采用熱電偶測(cè)量溫度、溫度巡檢儀記錄數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 微波加熱不同含水率舊瀝青混合料溫升曲線

含水率為0.05%的瀝青混合料，介電常數(shù)及介質(zhì)損耗角正切最小，對(duì)微波的吸收效果最差，加熱過程中溫升速率為5.5 ℃·min-1，在3種含水率中最小，且在100 ℃處溫升速率沒有明顯變化。這表明瀝青混合料中所含水分較少，需要的汽化熱相比實(shí)際作用于瀝青混合料用于瀝青混合料升溫的熱量較少，所含水分在加熱過程中持續(xù)汽化。因此，在100 ℃處沒有出現(xiàn)由于大量汽化熱消耗導(dǎo)致的溫升速率明顯變緩的現(xiàn)象，由室溫30 ℃加熱到100 ℃完全脫水耗時(shí)12 min。

含水率增加到1.85%，在溫度低于100 ℃時(shí)溫升速率為9.6 ℃·min-1，原因在于水具有較高的介電損耗，含水率為1.85%的瀝青混合料相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切相比不含水時(shí)都有所增大，微波吸收效率增加，加速了瀝青混合料溫度的上升。加熱到7 min左右時(shí)，溫度上升速率明顯變緩，主要是由于含水率較高，水分蒸發(fā)所需的汽化熱消耗了大量的微波能量，導(dǎo)致瀝青混合料的溫度保持在100 ℃左右大約2 min。水分完全蒸發(fā)后瀝青混合料溫度繼續(xù)上升，此時(shí)的溫升速率為5.96 ℃·min-1，與加熱含水率0.5%瀝青混合料的溫升速率5.5 ℃·min-1大致相當(dāng)。這是因?yàn)榇藭r(shí)的瀝青混合料中已基本沒有水分，介電常數(shù)與介質(zhì)損耗角正切與不含水的瀝青混合料相同，所以兩者的溫升速率大致相同。

含水率為4.59%的瀝青混合料初始溫升速率為12.8 ℃·min-1，在3種含水率的混合料中最高，對(duì)應(yīng)的是此時(shí)瀝青混合料的介電常數(shù)與介質(zhì)損耗角正切最大。加熱大約5 min后溫度即從室溫30 ℃上升到100 ℃，但溫度在100 ℃持續(xù)保持了大約5 min，表明含水量的增加也導(dǎo)致了這一階段加熱時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)。此后溫度繼續(xù)上升，溫升速率5.3 ℃·min-1，與含水率為0.5%和為1.85%的瀝青混

合料在溫度100 ℃以上范圍內(nèi)的溫升速率大致相當(dāng)。

含水率為0.5%的瀝青混合料全部脫水加熱到110 ℃，大致需要14 min，含水率為1.85%時(shí)則僅需10 min，而含水率為4.59%則需要12 min，表明在這個(gè)含水率范圍內(nèi)隨著含水率的增加，加熱脫水所需要的時(shí)間首先縮短了，而隨著含水率的進(jìn)一步增加，加熱脫水所需的時(shí)間則轉(zhuǎn)為延長(zhǎng)。究其原因在于含水率對(duì)于微波加熱濕舊瀝青混合料既有著增加微波能吸收效率的積極影響，又有著增加熱量需求的消極影響，兩種影響的作用并非簡(jiǎn)單線性，因此導(dǎo)致了最終加熱脫水所需時(shí)間的復(fù)雜變化。

3 結(jié) 語

微波加熱瀝青混合料是一個(gè)非常復(fù)雜的電磁熱耦合傳熱傳質(zhì)過程，含水率對(duì)微波加熱濕舊瀝青混合料的影響既有含水率的增加使得微波能吸收效率增加的有利影響，也有使得加熱脫水所需的總熱量隨之增加的不利影響，不能簡(jiǎn)單地一概而論。含水率較少時(shí)，含水率的增加會(huì)帶來加熱脫水效率的提高，但隨著含水率的進(jìn)一步增加，微波能吸收效率卻不會(huì)隨之增加，不利作用會(huì)逐漸起主導(dǎo)作用，反而使加熱脫水效率逐漸降低，這一點(diǎn)在制定瀝青路面微波熱再生工藝時(shí)應(yīng)加以額外關(guān)注。