微波輔助加熱填料在瀝青路面修補(bǔ)中的應(yīng)用

畢連居，朱浩然，焦生杰，于明明，張 楊

(1.江蘇連徐高速公路有限公司，江蘇 徐州 221111； 2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112；3.新型道路材料國家工程實驗室，江蘇 南京 211112；4.長安大學(xué) 公路養(yǎng)護(hù)裝備國家工程實驗室，陜西 西安 710064)

0 引 言

瀝青路面綜合養(yǎng)護(hù)車是一種專用于及時、有效地修補(bǔ)瀝青路面小面積損壞部分的工程機(jī)械，是公路養(yǎng)護(hù)管理部門的重要配套養(yǎng)護(hù)機(jī)械。目前，市場上的養(yǎng)護(hù)車形式多樣，大多以紅外線加熱和熱風(fēng)加熱為主，存在能量利用率低、加熱不均勻、瀝青因過熱而焦化、施工質(zhì)量差、修補(bǔ)后路面使用時間短、加熱過程會產(chǎn)生大量有害氣體等問題。

微波加熱被稱為“內(nèi)部加熱方式”，是國內(nèi)外新近研究的一種路面加熱方式。與傳統(tǒng)的加熱方式不同，微波加熱瀝青路面技術(shù)具有深層加熱、均勻性好、減少老化、環(huán)保等特點(diǎn)[1-3]；國內(nèi)相繼開發(fā)了用于坑槽修補(bǔ)、裂縫處治的微波加熱設(shè)備。然而傳統(tǒng)的瀝青混合料中的極性成分較少，微波吸收能力較差，采用微波加熱瀝青路面的效率較低，限制了微波加熱技術(shù)在路面養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用。

研究表明，用磁鐵礦、二氧化錳、石墨烯和碳纖維替代全部或部分集料或礦粉制成的瀝青混合料，微波吸收能力遠(yuǎn)大于普通瀝青混合料[4-6]。本文以磁鐵礦粉、石墨烯為主要成分，研發(fā)一種微波敏感添加劑，以此制備微波輔助加熱瀝青混合料；通過試驗研究，進(jìn)行微波輔助加熱混合料的吸波升溫特性評價，分析微波輔助加熱瀝青混合料的路用性能，并將其應(yīng)用于修補(bǔ)南京的干線公路瀝青路面。

1 微波加熱原理

微波加熱的原理為：當(dāng)有極性分子的介質(zhì)材料置于微波電磁場中時，介質(zhì)材料中會形成偶極子，或已有的偶極子重新排列，在交變電磁場的作用下，以每秒數(shù)億次的速度擺動。分子要隨著不斷變化的高頻電場的方向重新排列，就必須克服原有的熱運(yùn)動和分子間的相互干擾，產(chǎn)生劇烈摩擦，從而產(chǎn)生熱能，溫度隨之升高[7]。這種加熱方式無需傳導(dǎo)介質(zhì)，物體本身就是熱源，故被稱為“內(nèi)部加熱方式”。

材料對微波能的吸收效率通常與材料的電介質(zhì)特性有關(guān)。瀝青混合料是一種組分復(fù)雜的復(fù)合路面材料，各組分的介質(zhì)損耗系數(shù)和介電常數(shù)如表1所示[8]。由于純?yōu)r青的介電常數(shù)較小，因此微波不能直接對瀝青加熱，而是通過加熱瀝青混合料中的集料，使集料溫度上升，再把熱量傳導(dǎo)給瀝青，從而達(dá)到加熱瀝青的目的[9]。為了提高瀝青混合料的吸波能力，需要添加微波敏感材料。

表1 瀝青混合料的介電常數(shù)和損耗因子

2 微波輔助加熱填料制備及試驗方法

2.1 微波敏感添加劑

本文將磁鐵礦、石墨烯破碎后磨成粉末，按一定比例復(fù)合，得到微波敏感添加劑，以此作為樣品進(jìn)行試驗(圖1)。

2.2 微波輔助加熱瀝青混合料

選用改性瀝青石灰?guī)rAC-13瀝青混合料，礦粉用量為5%，油石比為5.2%，級配如圖2所示。用上述微波敏感材料等體積替代礦粉，摻入AC-13瀝青混合料中，制備微波輔助加熱瀝青混合料填補(bǔ)料。

圖2 AC-13混合料級配曲線

2.3 吸波升溫性能測試方法

試驗采用美的微波爐M1-L213B，額定輸入功率為1 150 W，微波輸出功率為700 W，微波工作頻率為2 450 MHz。本文分別對松散的普通AC-13瀝青混合料和用馬歇爾擊實儀成型的普通AC-13瀝青混合料馬歇爾試件進(jìn)行微波加熱，設(shè)定加熱時間為5 min，用插入接觸式數(shù)字測溫儀測量深度3 cm處松散瀝青混合料和馬歇爾試件的加熱溫度，試驗結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，松散瀝青混合料和馬歇爾試件的微波加熱溫度平均值相差不大，但松散瀝青混合料數(shù)據(jù)的變異系數(shù)明顯小于馬歇爾試件，說明采用松散瀝青混合料進(jìn)行微波加熱溫度測試，數(shù)據(jù)離散程度(隨機(jī)誤差)更小，可用于評價瀝青混合料吸波升溫性能。分析原因，主要是用馬歇爾擊實儀成型的試件容易受試件均勻性、插入深度影響，干擾因素多。

表2 松散瀝青混合料和馬歇爾試件的微波加熱溫度

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 微波輔助加熱瀝青混合料吸波升溫效果評價

采用微波爐加熱松散瀝青混合料的方式，分別測試微波加熱摻入微波敏感添加劑的瀝青混合料3 min和5 min后的溫度，并與普通AC-13瀝青混合料對比，評價微波輔助加熱瀝青混合料的吸波升溫效果，試驗結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，普通AC-13混合料的吸波升溫速率為15.2 ℃·min-1，而摻入微波敏感添加劑的瀝青混合料的吸波升溫速率為19.9 ℃·min-1，比普通AC-13混合料提高30.9%。說明本文研發(fā)的微波敏感添加劑可以顯著提高微波加熱瀝青混合料的效率。

表3 微波輔助加熱瀝青混合料的吸波升溫效果

3.2 微波輔助加熱瀝青混合料路用性能研究

通過車轍試驗、低溫彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗，全面評價微波輔助加熱瀝青混合料的路用性能，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 微波輔助加熱瀝青混合料的路用性能

由表4可以看出，相對于普通AC-13瀝青混合料，微波輔助加熱瀝青混合料的高溫抗車轍、抗水損害性能及低溫性能均有一定程度的改善，高溫抗車轍性能提高尤其顯著。

4 瀝青路面修補(bǔ)應(yīng)用測試

上述室內(nèi)試驗結(jié)果表明，摻入微波敏感添加劑可以顯著提高瀝青混合料的吸波升溫效率，且微波輔助加熱瀝青混合料具有優(yōu)異的路用性能。為了進(jìn)一步驗證微波輔助加熱材料提升微波加熱效率的實際效果，采用徐工的新一代智能型瀝青路面微波養(yǎng)護(hù)車，在南京的干線公路坑槽修補(bǔ)過程中進(jìn)行現(xiàn)場測試(圖3、4)。

圖3 微波輔助加熱填料

圖4 微波加熱

4.1 工藝流程

將微波輔助加熱材料用于瀝青路面修補(bǔ)的工藝流程如下。

(1)將坑槽內(nèi)的松散料清理干凈，按照“圓洞方補(bǔ)、斜洞正補(bǔ)”的原則劃線，確定坑槽修補(bǔ)范圍。

(2)將適量的含有微波輔助加熱材料的預(yù)制瀝青混凝土添加到坑槽內(nèi)，用鐵鍬、鐵耙均勻攤平。

(3)放下微波路面加熱墻，借助加熱墻上的標(biāo)尺對準(zhǔn)路面病害位置，設(shè)置合適的加熱面積，開始加熱，直至路面溫度達(dá)到140 ℃以上。

(4)移開加熱墻，用鐵耙將加熱后軟化的瀝青混凝土表面耙松、整平。耙松范圍要在熱烘范圍內(nèi)，一般內(nèi)縮5～10 cm以保證接縫為熱接縫，同時耙松面應(yīng)成矩形。在耙松過程中，要剔除松散料中的超規(guī)格集料。

(5)使用自帶壓路機(jī)對路面進(jìn)行壓實，先碾壓邊緣，再依次向中間推進(jìn)，使修補(bǔ)面與周邊已加熱、但未耙松的路面融為一體，要求路面起壓溫度為120 ℃～140 ℃，碾壓后壓實度高于95%[10]。

4.2 測試數(shù)據(jù)記錄

分別用普通瀝青混合料和微波輔助加熱瀝青混合料修補(bǔ)瀝青路面坑槽，并詳細(xì)記錄修補(bǔ)完成時間、加熱溫度等參數(shù)，數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 坑槽修補(bǔ)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)

從表5可以看出，采用微波輔助加熱瀝青混合料進(jìn)行坑槽修補(bǔ)，微波設(shè)備只需12 min就可以將瀝青混合料加熱至140 ℃以上，而采用普通瀝青混合料需要17 min左右才能滿足修補(bǔ)的溫度要求。實踐表明，本文研發(fā)的微波輔助加熱瀝青混合料用于瀝青路面修補(bǔ)，可以使微波設(shè)備加熱效率提升30%左右，同時提高了現(xiàn)場作業(yè)效率，縮短維修作業(yè)的時間。

5 結(jié) 語

通過研究微波輔助加熱瀝青混合料的吸波升溫效果和路用性能，以及其在實際工程中的應(yīng)用，得到以下結(jié)論。

(1)比較松散瀝青混合料和馬歇爾試件2種吸波升溫性能測試方法，發(fā)現(xiàn)采用松散瀝青混合料的方式得到的數(shù)據(jù)變異系數(shù)較小，離散程度較好，可用于評價瀝青混合料吸波升溫性能。

(2)吸波升溫性能試驗結(jié)果表明，微波輔助加熱瀝青混合料的吸波升溫速率為19.9 ℃·min-1，比普通AC-13混合料提高30.9%。

(3)相對于普通AC-13瀝青混合料，微波輔助加熱瀝青混合料的高溫抗車轍、抗水損害性能和低溫性能均有一定程度的改善，且各項路用性能均滿足規(guī)范要求。

(4)采用微波輔助加熱瀝青混合料進(jìn)行坑槽修補(bǔ)，微波設(shè)備只需12 min就可以將瀝青混合料加熱至140 ℃以上，提高了現(xiàn)場作業(yè)效率，縮短了作業(yè)時間，取得了較好的實施效果。