瀝青路面紅外熱風(fēng)復(fù)合式加熱效果數(shù)值計(jì)算分析

李 旋 馬登成 劉曉輝 朱文鋒

(長(zhǎng)安大學(xué)公路養(yǎng)護(hù)裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室, 西安 710064)

瀝青路面就地?zé)嵩偕膬?yōu)勢(shì)是顯著減少瀝青、礦石等原材料的用量,降低路面養(yǎng)護(hù)成本,減緩對(duì)環(huán)境的破壞,但效率和質(zhì)量難以保證[1].對(duì)舊瀝青路面進(jìn)行加熱是瀝青路面就地?zé)嵩偕幸坏辣夭豢缮俚墓に?路面的加熱質(zhì)量和效率與瀝青路面就地?zé)嵩偕┕べ|(zhì)量和效率密切相關(guān).路面的加熱過(guò)程包含復(fù)雜的瀝青老化行為與傳熱學(xué)問(wèn)題,目前瀝青路面的加熱質(zhì)量和加熱效率低等問(wèn)題在國(guó)內(nèi)外都未得到很好的解決[2].合理的路面加熱方法對(duì)于減少瀝青路面老化、提升路面加熱速度,從而提高瀝青路面就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)質(zhì)量和養(yǎng)護(hù)效率、降低養(yǎng)護(hù)成本、減少環(huán)境污染具有重要的意義[3-4].

針對(duì)瀝青路面的加熱已經(jīng)做了大量的研究.如Sun[5]將瀝青路面簡(jiǎn)化成多孔介質(zhì),建立了瀝青路面電磁擴(kuò)散傳熱模型,對(duì)微波加熱瀝青路面進(jìn)行了深入研究；Huang等[6]基于離散元法對(duì)瀝青路面就地?zé)嵩偕^(guò)程中的加熱效果進(jìn)行了研究,分析了間歇式加熱和持續(xù)式加熱對(duì)路面加熱效果的影響；Kang等[7]基于有限元法對(duì)紅外加熱瀝青路面的加熱效果進(jìn)行了研究,得出了不同加熱溫度下瀝青路面的溫度分布情況；董強(qiáng)柱等[8]研究了路面加熱時(shí)熱能的輸入與瀝青路面溫度變化之間的關(guān)系.目前瀝青路面常用的加熱方法有紅外加熱法、熱風(fēng)循環(huán)加熱法和微波加熱法3種,它們各有優(yōu)缺點(diǎn),而已有研究大都針對(duì)某一種加熱方法開(kāi)展.為此,本文結(jié)合紅外輻射加熱法和熱風(fēng)加熱法的優(yōu)點(diǎn),提出紅外熱風(fēng)復(fù)合式加熱法,并基于有限元和傳熱學(xué)相關(guān)理論對(duì)不同加熱方法下瀝青路面的加熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究,旨在尋求更合理的路面加熱方法,提高紅外輻射和熱風(fēng)加熱在路面熱再生中的應(yīng)用效果.

1 瀝青路面紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱模型

1.1 瀝青路面結(jié)構(gòu)與加熱原理

以典型的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,其各層結(jié)構(gòu)如表1所示[9].常規(guī)的熱風(fēng)加熱瀝青路面的傳熱機(jī)理是：高溫?zé)煔馀c瀝青路表面進(jìn)行對(duì)流換熱,將熱量傳遞給瀝青路表面,路表的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)向路面內(nèi)部傳遞,使路面溫度不斷升高.然而瀝青路面是熱的不良導(dǎo)體,熱量從表層傳遞到深層是一個(gè)緩慢的過(guò)程,單純依靠瀝青路面自身的熱傳導(dǎo)對(duì)瀝青路面深層進(jìn)行加熱需耗費(fèi)大量的時(shí)間,若能將熱風(fēng)引入瀝青路面內(nèi)部對(duì)其進(jìn)行加熱,將大幅提高加熱效率.要將熱風(fēng)引入路面內(nèi)部,首先需將瀝青路表層加熱軟化后再將熱風(fēng)導(dǎo)管插入路面.紅外加熱具有加熱速度快的特點(diǎn),因此首先采用紅外加熱板對(duì)瀝青路面進(jìn)行加熱.基于上述分析,楊士敏[10]發(fā)明了一種新型的舊瀝青路面耙松加熱設(shè)備,該設(shè)備結(jié)合了紅外輻射加熱和熱風(fēng)加熱2種加熱方式的優(yōu)點(diǎn),其加熱原理為：首先利用紅外加熱法對(duì)路面進(jìn)行預(yù)熱,當(dāng)瀝青路面表層受熱軟化后將耙齒(耙齒中間采用空心設(shè)計(jì))壓入路面內(nèi)部,高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)空心耙齒端部排出,對(duì)瀝青路面深層進(jìn)行二次加熱.

表1 半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)

1.2 有限元模型與參數(shù)設(shè)置

由于路面加熱溫度場(chǎng)在加熱裝置的長(zhǎng)度和寬度方向上具有對(duì)稱性,采用平面溫度場(chǎng)模型模擬瀝青路面的加熱過(guò)程.結(jié)合文獻(xiàn)[9]中所建立的瀝青路面紅外輻射和熱風(fēng)加熱模型及瀝青路面紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱原理,建立瀝青路面紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱分析模型(見(jiàn)圖1).模型的水平寬度為1 m,模型中的凹槽是耙齒伸入的位置,耙齒直徑為4 cm,耙齒間距為4 cm,伸入深度為3 cm.

圖1 瀝青路面紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱有限元模型

鑒于瀝青材料層的比熱容和密度隨溫度變化不大,在數(shù)值模擬過(guò)程中將瀝青各結(jié)構(gòu)層的比熱容和密度視為常數(shù).表2為瀝青路面結(jié)構(gòu)層熱物參數(shù)[11-12].瀝青路面材料導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而增大,可利用分段線性函數(shù)法確定瀝青混凝土導(dǎo)熱系數(shù),表3為瀝青路面面層導(dǎo)熱系數(shù)[13].根據(jù)Solaimanian經(jīng)驗(yàn)公式確定大氣與瀝青路表面之間的對(duì)流換熱系數(shù)為15 W/(m2·℃)[14].瀝青路面發(fā)射率ε1=0.9,紅外加熱墻發(fā)射率ε2=0.92,空間節(jié)點(diǎn)發(fā)射率ε3=1,Stefan-Boltzmann常數(shù)σ=5.67×10-8W/(m2·K4),空間節(jié)點(diǎn)溫度、環(huán)境溫度和瀝青路面初始溫度均為20 ℃.

表2 瀝青路面結(jié)構(gòu)層熱物參數(shù)

表3 瀝青路面面層導(dǎo)熱系數(shù)

2 邊界條件與數(shù)學(xué)模型

2.1 路面?zhèn)鳠徇吔鐥l件

利用有限元軟件ANSYS對(duì)瀝青路面的加熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究.采用紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱時(shí)瀝青路面與外界之間的傳熱包括：紅外加熱墻與路面的輻射傳熱；路面與大氣之間的輻射傳熱；太陽(yáng)與路面的輻射傳熱；熱風(fēng)與路面的對(duì)流傳熱；路面與大氣的對(duì)流傳熱[15].在實(shí)際工程中,照射在被加熱路面的太陽(yáng)光基本被加熱設(shè)備遮住,太陽(yáng)輻射對(duì)瀝青路面加熱的影響很小,在模擬中忽略太陽(yáng)輻射的影響,只考慮路面與外界環(huán)境的輻射,通過(guò)建立空間節(jié)點(diǎn)模擬路面與外界環(huán)境的輻射換熱,基于AUX12輻射矩陣分析求解瀝青路面的輻射傳熱.根據(jù)路面加熱的實(shí)際工況,在數(shù)值模擬中作如下假設(shè)：

1) 本文所研究的是舊瀝青路面的加熱,由于舊瀝青路面和新瀝青路面的熱物系數(shù)差別很小,仿真中關(guān)于瀝青路面的參數(shù)都依據(jù)新瀝青路面選取.

2) 所加熱的瀝青路面干燥無(wú)積水,天氣晴朗.

3) 瀝青路面是多層結(jié)構(gòu),忽略結(jié)構(gòu)層之間的接觸熱阻.

4) 將瀝青路面各層看作結(jié)構(gòu)均勻連續(xù)的各向同性體.

2.2 瀝青路面?zhèn)鳠釘?shù)學(xué)模型

根據(jù)瀝青路面加熱的實(shí)際工況可將瀝青路面各層看成是結(jié)構(gòu)均勻連續(xù)的各向同性體.將瀝青路面細(xì)化成微元六面體,其邊長(zhǎng)分別為dx、dy、dz.由于微元體所處環(huán)境存在溫度差異,因此其6個(gè)表面均會(huì)發(fā)生導(dǎo)熱.瀝青路面體導(dǎo)熱微分方程為

(1)

式中,t為瀝青路面溫度,K；τ為熱傳導(dǎo)持續(xù)時(shí)間,s.

瀝青路面的加熱溫度場(chǎng)分布沿著加熱板的寬度方向和長(zhǎng)度方向具有對(duì)稱性,可將瀝青路面立體溫度場(chǎng)模型簡(jiǎn)化為平面溫度場(chǎng)模型.根據(jù)式(1),若只考慮x、z方向上的熱傳導(dǎo),則可得出瀝青路面平面熱傳導(dǎo)微分方程為[16-17]

(2)

對(duì)于紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱瀝青路面,由太陽(yáng)輻射、空氣對(duì)流、紅外輻射、熱風(fēng)對(duì)流、路面輻射產(chǎn)生的熱交換可表示為

qTη=αsIs+αhIh+hc(Tg-Tr)-(hc+hr)(Tr-Ta)

(3)

式中,q為瀝青路面邊界熱流密度；η={nx，nz}T,nx、nz為法線的方向余弦；αs為太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)；Is為瀝青路面邊界太陽(yáng)輻射強(qiáng)度,W/m2；αh為紅外輻射吸收系數(shù)；Ih為瀝青路面邊界紅外輻射強(qiáng)度,W/m2；hc為對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·K)；hr為輻射換熱系數(shù),W/(m2·K)；Tg為熱風(fēng)溫度,K；Tr為瀝青路面溫度,K；Ta為大氣溫度,K.

3 瀝青路面加熱數(shù)值模擬與分析

3.1 紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)[9],為了保證瀝青路面的加熱質(zhì)量和加熱效率,首先宜采用間歇式紅外輻射加熱法對(duì)路面進(jìn)行預(yù)熱,預(yù)熱總耗時(shí)236 s.其中,0～72、112～136、176～196 s為加熱時(shí)段,72～112、136～176、196～236 s為暫停加熱時(shí)段.紅外加熱板溫度為800 ℃,長(zhǎng)度為1 m,距離瀝青路面高度為10 cm.紅外預(yù)熱結(jié)束后,將通有熱風(fēng)的耙齒壓入瀝青路面內(nèi)部對(duì)瀝青路面深層進(jìn)行進(jìn)一步加熱,熱風(fēng)溫度設(shè)定為500 ℃,流速為5 m/s.在此研究中路面加熱的要求為：在加熱過(guò)程中,瀝青路面4 cm深處溫度達(dá)到90 ℃時(shí),路面0.5 cm深處的最高溫度不超過(guò)190 ℃.為了比較不同加熱方式下的加熱效率,在模擬過(guò)程中當(dāng)距離路表面4 cm深度的溫度達(dá)到90 ℃時(shí),即停止加熱,并記錄加熱時(shí)間.

選取模型正中部位作為路面溫度觀測(cè)點(diǎn),紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱過(guò)程中瀝青路面不同深度溫度變化如圖2(a)所示,圖中h為距離路表深度.由圖可見(jiàn),利用紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱法將瀝青路面4 cm深處加熱至90 ℃時(shí),整個(gè)加熱過(guò)程總耗時(shí)645 s,加熱過(guò)程中瀝青路面0.5 cm深處的最高溫度為188 ℃,未超過(guò)一般瀝青的老化溫度190 ℃,加熱質(zhì)量較好.

(a) 加熱過(guò)程中溫度

(b) 加熱結(jié)束后溫度

瀝青路面加熱深度也是評(píng)價(jià)瀝青路面加熱效果的重要指標(biāo).對(duì)加熱結(jié)束后的瀝青路面沿著豎直方向(由表層至深層)的溫度變化情況進(jìn)行分析,得到瀝青路面溫度沿著豎直方向的深度變化曲線如圖2(b)所示,圖3為加熱結(jié)束后瀝青路面表層(瀝青磨耗層AK-16和瀝青混凝土層AC-20)的溫度云圖.

綜合圖2(b)和圖3可以得出,距離路表面為0～4 cm的瀝青路面層溫度分布在90.0～189.083 ℃之間,這些區(qū)域的路面均已達(dá)到軟化溫度,且均未超過(guò)老化溫度,距離路表面為5～6 cm的瀝青路面層溫度分布在51.2～69.8 ℃之間,適當(dāng)延長(zhǎng)加熱時(shí)間這些區(qū)域也可達(dá)到軟化溫度.將耙齒伸入瀝青路面內(nèi)部對(duì)路面進(jìn)行熱風(fēng)加熱的效果較明顯,距離路表面3～8 cm內(nèi),耙齒伸入處路面溫度均高于無(wú)耙齒處路面溫度.在耙齒伸入處距離路表面為5～6 cm的瀝青路面層溫度分布在56.5～79.0 ℃之間,紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱法的加熱深度接近5 cm.

圖3 紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱結(jié)束時(shí)瀝青路面AK-16和AC-20層溫度云圖

3.2 瀝青路面不同加熱方法加熱效果對(duì)比分析

為了對(duì)比研究不同路面加熱方式的加熱效果,分別對(duì)間歇式紅外輻射加熱和熱風(fēng)加熱路面的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究.間歇式紅外輻射加熱工藝為：首次加熱→熄火停頓→二次加熱→熄火停頓→三次加熱→…→直至加熱終止,間歇式紅外輻射加熱時(shí)間如表4所示.熱風(fēng)加熱為連續(xù)加熱,熱風(fēng)溫度為500 ℃,熱風(fēng)流速為5 m/s.

表4 紅外輻射間歇式加熱時(shí)間 s

在模擬過(guò)程中當(dāng)距離路表面4 cm深度的溫度達(dá)到90 ℃時(shí),即停止加熱,分別得到間歇式紅外輻射加熱與熱風(fēng)加熱過(guò)程中瀝青路面的溫度變化如圖4(a)和圖4(b)所示.由圖4(a)可知,采用間歇式紅外輻射加熱法加熱時(shí),當(dāng)路面4 cm深處溫度達(dá)到90 ℃總耗時(shí)822 s,加熱過(guò)程中距瀝青路面0.5 cm深處的最高溫度為188.3 ℃.由圖4(b)可知,采用熱風(fēng)加熱法加熱時(shí),當(dāng)路面4 cm深處溫度達(dá)到90 ℃總耗時(shí)1 139 s,加熱時(shí)間較長(zhǎng),加熱過(guò)程中距瀝青路面0.5 cm深處的最高溫度為187.3 ℃.結(jié)合圖2(a)、圖4(a)和圖4(b)可以得出,3種不同加熱方法在加熱過(guò)程中,距路面0.5 cm深處溫度非常接近,且均未超過(guò)一般瀝青老化溫度190 ℃,說(shuō)明這3種加熱方法均保證了路面較好的加熱質(zhì)量.但在加熱效率方面,相同條件下采用紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱法時(shí)總加熱時(shí)間僅為645 s,分別比間歇式紅外輻射加熱法和熱風(fēng)加熱法縮短了21.5%和43.4%,紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱法加熱時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)較為明顯.

為進(jìn)一步研究3種加熱方法對(duì)瀝青路面加熱效果的影響,以瀝青路面磨耗層AK-16和瀝青混凝土層AC-20為研究對(duì)象,得到加熱結(jié)束后路面層的溫度分布情況如圖5(a)和圖5(b)所示.從圖5(a)中可以看出,間歇式紅外輻射加熱法加熱結(jié)束后路表面中間大部分區(qū)域溫度超過(guò)205 ℃,最高溫度達(dá)到228.037 ℃,說(shuō)明路表面瀝青基本老化,其余區(qū)域的溫度均在190 ℃以下,整個(gè)路面層老化現(xiàn)象不嚴(yán)重,加熱質(zhì)量良好.由于紅外線的穿透深度有限,在深度方向上路面的溫度梯度較大,在保證路表瀝青不老化的前提下此方法的加熱深度有限.由圖5(b)可以得出,采用熱風(fēng)加熱法加熱結(jié)束后,瀝青路表面的最高溫度達(dá)到203.823 ℃,路表面高溫區(qū)域溫度介于183.569 ℃～203.823 ℃之間,路表老化現(xiàn)象較小,在深度方向上瀝青路面的溫度梯度較小,說(shuō)明熱風(fēng)加熱方式比間歇式紅外輻射加熱方式加熱更為均勻,且路面更不易出現(xiàn)老化現(xiàn)象.將圖3、圖5(a)和圖5(b)進(jìn)行對(duì)比分析可得,相比其他2種加熱方式,紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱法的加熱深度更深,加熱結(jié)束后瀝青路面的溫度分布均勻性更好,將熱風(fēng)引入路面內(nèi)部的加熱效果顯著.加熱結(jié)束后,在通過(guò)耙齒對(duì)路面進(jìn)行翻松時(shí),可繼續(xù)通過(guò)耙齒排出熱風(fēng)對(duì)翻松的混凝土進(jìn)行進(jìn)一步加熱,從而保證翻松后的瀝青混合料整體溫度較高,加熱質(zhì)量更好,因此瀝青路面就地再生質(zhì)量更好.

(a) 間歇式紅外輻射加熱

(b) 熱風(fēng)加熱

(a) 間歇式紅外輻射加熱

(b) 熱風(fēng)加熱

4 結(jié)論

1) 瀝青路面紅外輻射加熱法具有加熱速度快的優(yōu)點(diǎn),路表面瀝青容易出現(xiàn)烤焦老化現(xiàn)象,由于紅外線穿透能力有限,在深度方向上路面的溫度梯度較大.

2) 瀝青路面熱風(fēng)加熱法比間歇式紅外輻射加熱法加熱更為均勻,且路面不易出現(xiàn)老化現(xiàn)象,但是采用熱風(fēng)加熱相同深度的瀝青路面耗時(shí)更長(zhǎng),這對(duì)施工速度影響較大.

3) 紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱法兼?zhèn)浼t外輻射加熱法和熱風(fēng)加熱法的優(yōu)點(diǎn),在相同條件下采用紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱法的總加熱時(shí)間僅為645 s,分別比間歇式紅外輻射加熱法和熱風(fēng)加熱法縮短了21.5%和43.4%,加熱效率提升顯著,而且加熱深度大,加熱結(jié)束后瀝青路面的溫度分布均勻性更好,表明將熱風(fēng)引入路面內(nèi)部的加熱效果顯著.加熱結(jié)束后,在進(jìn)行翻松作業(yè)時(shí),可對(duì)瀝青混凝土進(jìn)行進(jìn)一步加熱,能夠保證翻松后的瀝青混合料整體溫度較高,可保證再生瀝青混合料的質(zhì)量,從而大大提高瀝青路面就地?zé)嵩偕S修的質(zhì)量.