915 MHz微波在瀝青路面再生加熱中的應(yīng)用

馬登成，劉成啟，桂 學(xué)

(1.道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長安大學(xué))，西安 710064；2. 中鐵工程裝備集團(tuán)(天津)有限公司，天津 300480;3.陜西中霖瀝青路面養(yǎng)護(hù)科技有限公司，西安 710000)

廢舊瀝青路面材料的回收利用是世界各國面臨的重大難題，如何對(duì)公路廢舊瀝青路面材料進(jìn)行更高質(zhì)量、更充分的再生利用就是人們需要研究的課題。熱再生可將路面廢舊材料更為有效、充分地利用，且能獲得更高的路面再生質(zhì)量。路面再生過程中，對(duì)舊瀝青混合料的加熱是至關(guān)重要的一環(huán)，直接影響到再生路面質(zhì)量[1-2]。但是傳統(tǒng)再生加熱方式是由外向內(nèi)加熱，由于瀝青自身導(dǎo)熱性差，導(dǎo)致集料表面瀝青的老化和碳化，影響新舊料和瀝青的融合，還存在粘料、堵料等問題[3]。而微波加熱具有選擇性，瀝青混合料中的集料是極性分子，微波加熱是對(duì)集料進(jìn)行加熱，再將溫度傳遞給裹附在其表面的瀝青，可以解決瀝青老化問題；另外，微波可以輻射到瀝青混合料深處，實(shí)現(xiàn)表面和深層同時(shí)加熱，深度方向上溫度梯度小，均勻性好[4-5]。關(guān)于微波加熱用于瀝青路面再生，國內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了很多研究。早在1973年，文獻(xiàn)[6-7]采用微波加熱技術(shù)修補(bǔ)了加拿大蒙特利爾和魁北克城之間的高速公路的路面裂縫，取得了滿意的效果。文獻(xiàn)[7]研究了微波加熱對(duì)瀝青混合料性能的影響，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用微波處理瀝青混合料能改善瀝青與集料間的黏附力，并提高其抗水腐性能，這樣可保證路面修補(bǔ)的質(zhì)量。其他研究[8-10]也表明：微波加熱的方式能夠100%地回收瀝青混合料并且不影響瀝青混合料的二次再生使用，微波加熱舊瀝青混合料，90%的微波能都可以被其吸收利用，比傳統(tǒng)加熱減少1/4的能耗。相比傳統(tǒng)熱再生，微波熱再生瀝青混合料具有更好的均勻性、高溫穩(wěn)定性、抗裂性能和抗疲勞性能等[9-14]。此外，文獻(xiàn)[15-16]建立了微波加熱濕舊瀝青混合料內(nèi)非穩(wěn)態(tài)傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[17]對(duì)比了2 450 MHz和5 800 MHz兩種頻率下加熱瀝青混合料的效果，發(fā)現(xiàn)后者的加熱效率是前者的3倍多，但是加熱深度上后者僅是前者的70%左右；另外，2 450 MHz微波不會(huì)影響再生后瀝青路面路用性能，而5 800 MHz頻率下再生后瀝青路面的路用性能有所減弱。文獻(xiàn)[18]對(duì)天線尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的天線加熱效果有較大的提升，并且通過仿真分析了不同因素對(duì)瀝青混合料加熱效果的影響。文獻(xiàn)[19]提出了使用徑向螺旋天線加熱瀝青混合料，并取得了一定的成果。文獻(xiàn)[20-23]對(duì)微波在愈合瀝青路面裂縫和吸波材料進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)微波有助于瀝青路面裂縫的愈合，另外，在混合料中添加吸波材料有助于混合料對(duì)微波的吸收，提高加熱效率。

現(xiàn)有瀝青路面微波再生加熱設(shè)備主要是小功率養(yǎng)護(hù)設(shè)備，微波頻率是2 450 MHz，由于該頻率的微波磁控管最大功率只有10 kW，如果對(duì)于大型設(shè)備，則需要幾十甚至上百個(gè)磁控管，這對(duì)于設(shè)備制造與微波散熱都帶來不小的挑戰(zhàn)，因此限制了大型微波再生加熱設(shè)備的研發(fā)。而915 MHz微波磁控管最大功率可達(dá)110 kW，并且為分體式設(shè)計(jì)，便于散熱與天線布置，目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)加熱當(dāng)中，但是作為瀝青路面再生設(shè)備的熱源尚未有報(bào)道。因此，本文為了解決目前瀝青路面熱再生中傳統(tǒng)加熱中存在的問題，采用計(jì)算機(jī)模擬的方法，對(duì)不同微波頻率下微波加熱瀝青混合料加熱效果進(jìn)行比較，開展915 MHz微波磁控管應(yīng)用于瀝青路面再生加熱中的可能，同時(shí)為大型微波再生加熱設(shè)備的研究提供依據(jù)。

1 微波加熱機(jī)理

微波加熱瀝青混合料，通常采用角錐喇叭天線作為輻射器。以角錐喇叭天線端口為XY平面，微波傳播方向?yàn)閆軸，建立直角坐標(biāo)系，如圖1所示。

圖1 角錐喇叭天線

將麥克斯韋方程和亥姆霍茲方程代入邊界條件(天線內(nèi)壁切向電場(chǎng)為0)，得角錐喇叭天線端口電場(chǎng)公式為

(1)

式中：ES為天線端口面電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)，E0為天線端口面平均電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)，λ為電磁波波長，R1為H面內(nèi)喇叭長度，R2為E面內(nèi)喇叭長度。

微波在介質(zhì)內(nèi)的耗散功率Pd的計(jì)算公式為

Pd=πfε0ε′E2tanδ

(2)

式中：ε0為真空介電常數(shù)，ε′為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，f為微波頻率，E為電場(chǎng)有效值，tanδ=ε″/ε′為介質(zhì)損耗角正切，ε″為介質(zhì)損耗因子。

由式(2)可知，耗散功率與頻率、電場(chǎng)強(qiáng)度及材料自身性質(zhì)有關(guān)，頻率和輸入功率越大，耗散功率越大，加熱效率越高。材料自身的介質(zhì)損耗因子越大，材料吸收能量越快，加熱效率越高。

微波可穿透瀝青混合料對(duì)其深層加熱，當(dāng)功率衰減至表面值的1/e時(shí)微波穿透深度Dp的計(jì)算公式為

(3)

式中λ0為微波波長。

可知，加熱深度與波長成正比。因此，在加熱大厚度的材料時(shí)，應(yīng)選用波長長的微波。

2 兩種微波頻率加熱對(duì)比

2.1 仿真建模與參數(shù)設(shè)置

考慮到安裝、散熱以及天線的布置等因素，采用折彎90°的角錐形喇叭天線，如圖2所示。a、b分別為矩形波導(dǎo)的長邊和短邊，D1、D2分別為天線端口尺寸。

矩形波導(dǎo)中可以傳輸TMmn模和TEmn模，m、n分別為矩形波導(dǎo)長邊和短邊方向的駐波數(shù)，因此波導(dǎo)中可以存在許多模式。眾多模式中主模為TE10，場(chǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)單模傳輸。在確定矩形波導(dǎo)的截面尺寸時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)原則，a、b的值可選為[19]

0.7λ

(4)

圖2 折彎90°的角錐喇叭天線

目前加熱瀝青路面的微波頻率主要采用2 450 MHz，915 MHz的還未在該領(lǐng)域應(yīng)用，因此本文進(jìn)行仿真研究，以分析915 MHz在該領(lǐng)域應(yīng)用的可能。

根據(jù)天線設(shè)計(jì)原則，2 450 MHz頻率的波長為122 mm，915 MHz頻率的波長為328 mm，代入式(4)得915 MHz天線應(yīng)滿足：

229 mm

(5)

2 450 MHz天線應(yīng)滿足：

85 mm

(6)

根據(jù)式(5)、(6)，915 MHz頻率的微波天線尺寸初步選取a為248 mm，b為126 mm，D1為280 mm，D2為210 mm；2 450 MHz頻率的微波天線尺寸初步選取a為90 mm，b為59 mm，D1為118 mm，D2為105 mm。

在CST中建立單天線加熱模型，本文是對(duì)瀝青路面回收料進(jìn)行加熱，體積與厚度大，瀝青混合料模型尺寸為350 mm×350 mm×350 mm，瀝青混合料的相對(duì)介電常數(shù)為8.5，磁導(dǎo)率為1，損耗角正切為0.034[17]，天線端口與瀝青混合料表面的距離設(shè)為50 mm。分別建立915 MHz和2 450 MHz兩個(gè)頻率的加熱模型，如圖3所示。在CST MICROWAVE STUDIO中進(jìn)行微波場(chǎng)仿真后將仿真結(jié)果導(dǎo)入CST MPHYSICS STUDIO進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真。在溫度場(chǎng)仿真中，可設(shè)置功率、加熱時(shí)間、瀝青混合料初始溫度和環(huán)境溫度。

915 MHz頻率可大功率輸出，設(shè)置功率為10 kW，加熱時(shí)間為300 s；2 450 MHz頻率設(shè)置功率為1 kW，加熱時(shí)間為3 000 s，兩個(gè)模型的獲得總能量相等。初始溫度和環(huán)境溫度均設(shè)為0 ℃。

(a) 915 MHz天線模型 (b) 2 450 MHz天線模型

2.2 加熱效率與均勻性對(duì)比分析

兩種頻率下瀝青混合料溫度云圖如圖4和圖5所示。

(a)整體溫度云圖 (b)深度方向溫度云圖

(a)整體溫度云圖 (b)深度方向溫度云圖

計(jì)算出兩種頻率下瀝青混合料模型整體的溫度平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和離散系數(shù)，見表1。將瀝青混合料沿深度方向的溫度均值擬合成曲線，如圖6所示，圖中的yvs.x為坐標(biāo)值(y,x)。

表1 不同頻率單天線加熱溫度對(duì)比

圖6 單天線深度方向溫度均值擬合

從圖4、5可知，915 MHz最大溫升為37.8 ℃，2 450 MHz下為76.7 ℃，后者加熱溫度更高。從整體來看，兩種頻率下加熱的瀝青混合料端口正對(duì)的下方溫度最高，向四周逐漸降低；從深度方向看，915 MHz頻率下瀝青混合料的平均溫度為8.46 ℃，2 450 MHz頻率下瀝青混合料的平均溫度為11.9 ℃，雖然后者加熱瀝青混合料效率更高，但是前者加熱瀝青混合料的離散系數(shù)為0.67，低于后者的0.89，說明915 MHz的微波頻率加熱瀝青混合料的均勻性更好；從圖6也可看出，915 MHz微波加熱瀝青混合料在深度方向上溫度梯度更小，加熱更均勻，能有效避免微波加熱時(shí)瀝青混合料的局部老化，有利于大厚度瀝青混合料的加熱。

2.3 兩種頻率下的天線陣列對(duì)比分析

實(shí)際應(yīng)用中，采用天線陣列對(duì)瀝青混合料進(jìn)行加熱，不同天線輻射出的電磁波會(huì)存在疊加等現(xiàn)象，所以單個(gè)天線與天線陣列加熱的效果會(huì)有所區(qū)別。因此，需要對(duì)兩種頻率下的天線陣列進(jìn)一步分析。采用4個(gè)915 MHz頻率的天線并排對(duì)瀝青混合料進(jìn)行加熱，瀝青混合料模型尺寸為700 mm×700 mm×350 mm；采用8個(gè)2 450 MHz頻率的天線并排對(duì)瀝青混合料進(jìn)行加熱，瀝青混合料模型尺寸為700 mm×350 mm×350 mm。設(shè)置915 MHz頻率下天線的功率為10 kW，加熱時(shí)間600 s，2 450 MHz頻率下天線的功率為1 kW，加熱時(shí)間為1 500 s，915 MHz頻率加熱瀝青混合料模型是2 450 MHz頻率的兩倍，獲得的能量也是兩倍。兩種頻率下加熱模型如圖7所示，仿真后得到的瀝青混合料溫度云圖如圖8、9所示。

(a)915 MHz天線陣列加熱模型 (b)2 450 MHz天線陣列加熱模型

(a)整體溫度云圖 (b) 深度方向溫度云圖

(a)整體溫度云圖 (b) 深度方向溫度云圖

計(jì)算兩個(gè)頻率下瀝青混合料整體的溫度平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和離散系數(shù)，見表2。將瀝青混合料沿深度方向的溫度均值擬合成曲線，如圖10所示。

圖10 天線陣列深度方向溫度均值擬合

從圖8、9可知，915 MHz與2 450 MHz頻率微波加熱瀝青混合料的最大溫升分別為47.9 ℃與81.4 ℃。從整體來看，兩種頻率下加熱的瀝青混合料端口正對(duì)的下方溫度最高；深度方向上，915 MHz頻率加熱的瀝青混合料表層與底部溫差較小，溫度更均勻；而2 450 MHz頻率加熱的瀝青混合料表層與底部溫差較大，可以看出底部的溫度較低，均勻性差；如實(shí)現(xiàn)底部溫度達(dá)到要求，則需要長時(shí)間加熱，但是這樣會(huì)導(dǎo)致淺層部位瀝青混合料過熱老化。915 MHz與2 450 MHz頻率加熱瀝青混合料的平均溫度分別為20.39 ℃與25.78 ℃，顯示2 450 MHz頻率下加熱效率更高，但是915 MHz頻率下，天線陣列加熱瀝青混合料的離散系數(shù)為0.47，小于2 450 MHz頻率下的0.53，說明915 MHz頻率天線陣列加熱瀝青混合料的均勻性更好。從圖10也可看出，915 MHz頻率下，天線陣列加熱瀝青混合料在深度方向上溫度梯度更小，加熱更均勻。

現(xiàn)有的瀝青路面微波加熱設(shè)備主要是針對(duì)路面坑槽、裂縫的修補(bǔ)，是對(duì)瀝青路面的就地加熱再生，瀝青面層厚度一般不超過15 cm，而且要將瀝青路面從常溫加熱到150～160 ℃，溫升大，所以在此種情況下采用2 450 MHz頻率更合適。而本文主要針對(duì)瀝青路面廠拌熱再生，需要將舊瀝青路面銑刨收集后對(duì)大量舊瀝青混合料加熱，產(chǎn)量高，同時(shí)受熱再生設(shè)備自身空間限制，需要在有限的空間內(nèi)被加熱的舊瀝青混合料鋪層厚度大、體積大，加熱時(shí)的溫度梯度小、加熱均勻，在該工況下915 MHz頻率更合適，微波再生加熱設(shè)備如圖11所示。同時(shí)，本研究也能用于瀝青路面就地?zé)嵩偕袨r青路面銑刨收集后的二次集中加熱。另外，915 MHz頻率下微波加熱瀝青混合料的溫度均勻性更好，尤其在垂直方向上，溫度梯度要小。且915 MHz微波頻率的磁控管可以實(shí)現(xiàn)大功率輸出。因此，對(duì)于大型微波再生加熱設(shè)備，由于其加熱厚度大，采用915 MHz更為合適，目前該類設(shè)備在國內(nèi)仍屬空白，本文的研究能為該類設(shè)備的研發(fā)提供理論依據(jù)。

圖11 微波加熱設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 天線的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在天線其他尺寸不變的情況下，對(duì)不同尺寸端口的天線進(jìn)行比較，得出最合適的端口尺寸。在對(duì)加熱模型進(jìn)行微波場(chǎng)仿真后，可以查看S11值，S11值代表回波損耗，S11值越小，說明輻射出去的微波反射回來的越少，越多的微波能量被瀝青混合料吸收，能量利用率越高，即對(duì)天線進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，目標(biāo)是S11值最小。

設(shè)置D1取值270 mm、280 mm、290 mm，D2取值210 mm、220 mm、230 mm、240 mm，分別進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖12所示。

圖12 不同端口大小對(duì)應(yīng)的S11值

由圖12可以看出，當(dāng)D1一定時(shí)，S11值隨著D2的增大呈減小的趨勢(shì)，說明在所選范圍內(nèi)D2值越大越好。當(dāng)天線端口為270 mm×240 mm時(shí)，S11值最小，說明在此尺寸下回波損耗最小，即有更多的微波能被瀝青混合料吸收。因此，確定天線端口為270 mm×240 mm。

根據(jù)波導(dǎo)傳輸理論，波導(dǎo)寬邊中心處電場(chǎng)強(qiáng)度最大。磁控管在矩形波導(dǎo)中產(chǎn)生高頻電磁場(chǎng)，并且向矩形波導(dǎo)的兩側(cè)傳輸，矩形波導(dǎo)的一側(cè)為短路面，另一側(cè)設(shè)置反射板，將電磁波的傳輸方向改為向下，從而輻射到瀝青混合料中。當(dāng)矩形波導(dǎo)尺寸確定時(shí)，調(diào)節(jié)天線與短路面之間的間距d，可以實(shí)現(xiàn)最佳激勵(lì)，如圖13所示。

圖13 波導(dǎo)與磁控管位置示意圖

由波導(dǎo)理論可知，矩形波導(dǎo)長邊中心處電場(chǎng)強(qiáng)度最大，磁控管應(yīng)安裝在該位置；同時(shí)，當(dāng)磁控管與短路面間距為波長的1/4時(shí)，可形成純駐波形式，設(shè)置磁控管與短路面的初始距離d=0.25λ，即82 mm，同時(shí)以10 mm為步長向兩端平移，通過仿真得出磁控管與短路面距離為62、72、82、92、102、112、122 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)S11值分別為-5.879、-6.452、-7.405、-8.21、-8.717、-8.807、-8.391?？梢?，當(dāng)d=112 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)S11值最小，說明此時(shí)的回波損耗最小，即有更多的微波能量被瀝青混合料吸收。因此，確定d=112 mm。

最終確定天線的尺寸為a=248 mm，b=126 mm，D1=270 mm，D2=240 mm，d=112 mm。優(yōu)化前后的天線對(duì)瀝青混合料的加熱效果如圖14所示。

圖14 優(yōu)化前后加熱效果對(duì)比

通過對(duì)天線端口大小和磁控管與短路面間距的優(yōu)化，相比于優(yōu)化前的天線模型，優(yōu)化后的天線模型在加熱瀝青混合料時(shí)，最大溫升由26 ℃提高到了32.8 ℃，S11由-5.414降低到了-8.807，有更多的微波能被瀝青混合料吸收，說明優(yōu)化后的天線對(duì)瀝青混合料的加熱效果更好。

3 915 MHz微波加熱瀝青混合料影響因素仿真分析

微波加熱瀝青混合料時(shí)，天線間距、加熱高度及混合料厚度等都會(huì)對(duì)加熱效果產(chǎn)生影響。為研究各影響因素對(duì)加熱效果的影響，設(shè)置5種天線間距：30 mm×30 mm、40 mm×40 mm、50 mm×50 mm、60 mm×60 mm、70 mm×70 mm；5種加熱高度：30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm；混合料厚度分別為250 mm、350 mm、450 mm進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)仿真。仿真不同混合料厚度加熱模型時(shí)，為使出料量相同，加熱時(shí)間也隨之改變，以350 mm厚的加熱時(shí)間為600 s為基礎(chǔ)，250 mm和450 mm厚時(shí)加熱時(shí)間分別為429 s和772 s，建立3×3天線陣列仿真模型，瀝青混合料尺寸為1 025 mm×1 050 mm×350 mm。天線并排排布，仿真模型如圖15所示。

圖15 天線陣列仿真模型

3.1 混合料厚度為250 mm時(shí)仿真結(jié)果

混合料厚度為250 mm時(shí)，對(duì)5種天線間距和5種加熱高度，共25組模型進(jìn)行仿真，計(jì)算出各組溫度均值、標(biāo)準(zhǔn)差及離散系數(shù)，結(jié)果如圖16所示。

由圖16(a)可知，厚度250 mm時(shí)，天線間距一定時(shí)，混合料整體溫度均值隨加熱高度的增大而增大；天線間距越大，溫度均值增加的速率隨加熱高度的增加而增加。加熱高度一定時(shí)，溫度均值隨天線間距的增大呈上升趨勢(shì)。同時(shí)增大天線間距和加熱高度，溫度均值隨之升高。總的來看，天線間距為70 mm×70 mm，加熱高度為70 mm時(shí)，溫度均值最高，為145.5 ℃，這是由于微波相互間發(fā)生衰減最小。由圖16(b)可知，天線間距一定時(shí)，離散系數(shù)隨加熱高度的增大總體呈減小趨勢(shì)，即溫度均勻性更好；加熱高度一定時(shí)，隨著天線間距的增大呈減小的趨勢(shì)?？偟膩砜矗?dāng)天線間距為70 mm×70 mm，加熱高度為60 mm時(shí)，離散系數(shù)最小，此時(shí)溫度均勻性最好。綜合來看，當(dāng)厚度為250 mm時(shí)，天線間距為70 mm×70 mm，加熱高度為70 mm的組合下整體加熱效果最好。

(a)整體溫度均值

(b) 溫度離散系數(shù)

3.2 混合料厚度為350 mm時(shí)仿真結(jié)果

混合料厚度為350 mm時(shí)，對(duì)5種天線間距和5種加熱高度，共25組模型進(jìn)行仿真，計(jì)算出各組溫度均值、標(biāo)準(zhǔn)差及離散系數(shù)，結(jié)果如圖17所示。

(a)整體溫度均值

(b)溫度離散系數(shù)

由圖17(a)可知，厚度為350 mm時(shí)，天線間距一定，混合料整體溫度均值隨加熱高度的增大呈先上升后下降的趨勢(shì)；不同天線間距下，當(dāng)加熱高度為40 mm時(shí)，混合料溫度均值最高?？偟膩砜?，當(dāng)加熱間距為70 mm×70 mm，加熱高度為40 mm時(shí)，混合料溫度均值最高，為138.3 ℃。由圖17中(b)可知，當(dāng)天線間距一定時(shí)，離散系數(shù)隨加熱高度的增大呈逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)加熱高度為70 mm時(shí)，各組天線間距的離散系數(shù)均為最小，且相差不大，天線間距為60 mm×60 mm、70 mm×70 mm時(shí)，離散系數(shù)最小，此時(shí)溫度均勻性最好。綜合來看，當(dāng)厚度為350 mm時(shí)，天線間距為70 mm×70 mm，加熱高度為40 mm的組合下加熱效果最好。

3.3 混合料厚度為450 mm時(shí)仿真結(jié)果

混合料厚度為450 mm時(shí)，對(duì)5種天線間距和5種加熱高度，共25組模型進(jìn)行仿真，計(jì)算出各組溫度均值、標(biāo)準(zhǔn)差及離散系數(shù)，結(jié)果如圖18所示。

(a)整體溫度均值

(b)溫度離散系數(shù)

由圖18(a)可知，瀝青混合料厚度為450 mm時(shí)，天線間距一定，混合料整體溫度隨加熱高度的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)。天線間距越小，溫度均值隨加熱高度的變化波動(dòng)就越大，天線間距越大，波動(dòng)越小。天線間距為70 mm×70 mm時(shí)，溫度均值波動(dòng)最小，最大差距不到3 ℃?？偟膩砜矗炀€間距為30 mm×30 mm，加熱高度為40 mm時(shí)，混合料溫度均值最高，為144.1 ℃，由圖18(b)可知，當(dāng)天線間距一定時(shí)，離散系數(shù)隨著加熱高度的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)加熱高度一定時(shí)，離散系數(shù)隨著天線間距的增大呈逐漸減小的趨勢(shì)?？偟膩砜?，當(dāng)天線間距為70 mm×70 mm，加熱高度為30 mm時(shí)，離散系數(shù)最小，此時(shí)溫度均勻性最好。

綜上所述，當(dāng)瀝青混合料厚度為450 mm時(shí)，天線間距為30 mm×30 mm，加熱高度為40 mm的組合下整體加熱效果最好。

3.4 不同混合料厚度最佳對(duì)比

根據(jù)以上分析，發(fā)現(xiàn)不同厚度下加熱效果不同，因?yàn)楹穸雀淖儠r(shí)，加熱腔體積同時(shí)變化，導(dǎo)致箱體內(nèi)微波相互干涉狀態(tài)發(fā)生變化。現(xiàn)將這3組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出并排排布下加熱效果最好的組合，數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同厚度下最佳組合溫度統(tǒng)計(jì)

由表3可知，厚度為250 mm時(shí)，混合料溫度均值最高，達(dá)到了145.5 ℃，同時(shí)離散系數(shù)最小，說明溫度均勻性最好。

綜上所述，當(dāng)混合料厚度為250 mm，天線間距為70 mm×70 mm，加熱高度為70 mm時(shí)，加熱質(zhì)量最好。此時(shí)瀝青混合料溫度云圖如圖19所示，可以看出，絕大多數(shù)瀝青混合料溫度處于120～170 ℃之間，180 ℃以上幾乎沒有，說明瀝青老化很少；從深度方向看，隨著深度的增加，混合料溫度變化很小，混合料無論是整體還是在深度方向上，溫度均勻性均較好，說明微波能在混合料內(nèi)分布較為均勻。

(a)混合料整體溫度云圖

(b)深度方向溫度云圖

4 結(jié) 論

1)根據(jù)喇叭天線設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)了天線尺寸參數(shù)，對(duì)比了915 MHz和2 450 MHz兩種頻率下微波加熱瀝青混合料加熱效果。915 MHz微波頻率加熱均勻性好，尤其在深度方向上，溫度梯度小，可以減緩表面瀝青老化，且915 MHz微波頻率的磁控管可以實(shí)現(xiàn)大功率輸出，有利于大型微波加熱再生設(shè)備的研制。

2)以減小回波損耗為目標(biāo)，對(duì)喇叭天線的端口大小以及磁控管與短路面的距離進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的天線加熱瀝青混合料回波損耗明顯減小，說明有更多的微波能被瀝青混合料吸收，加熱效率更高。

3)以瀝青混合料溫度均值、離散系數(shù)為依據(jù)，對(duì)天線間距、加熱高度以及混合料厚度等影響因素進(jìn)行了研究，得出混合料厚度為250 mm，天線間距為70 mm×70 mm，加熱高度為70 mm時(shí)加熱效果最好，此時(shí)混合料整體溫度均值最高，且離散系數(shù)最低，瀝青老化現(xiàn)象很少。