微波輔助加熱就地?zé)嵩偕诟咚俟佛B(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用研究

朱浩然，張楊，馬輝，符適，王貴

（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112；2.新型道路材料國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211112；3.江蘇高速公路工程養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211100；4.江蘇高速公路工程養(yǎng)護(hù)有限公司，江蘇 淮安 223005；5.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 220005）

0 引言

公路作為中國(guó)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，給人們的生活帶來了極大的便利，交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施，使得中國(guó)交通運(yùn)輸網(wǎng)日漸完整。作為高等級(jí)公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)的典型省份，截至2019 年底，江蘇省公路里程達(dá)16 萬km，其中高速公路4 865 km，“十三五”末江蘇省內(nèi)大部分高速公路的服役年限已超過10 年，江蘇省高速公路的建養(yǎng)模式由“建養(yǎng)并重”向“養(yǎng)護(hù)優(yōu)先”轉(zhuǎn)變［1］。

就地?zé)嵩偕夹g(shù)可實(shí)現(xiàn)舊瀝青路面銑刨料60%～100%的利用，基于資源節(jié)約型與環(huán)境友好型理念，就地?zé)嵩偕に囋跒r青路面養(yǎng)護(hù)與維修中得到了廣泛應(yīng)用［2-4］。就地?zé)嵩偕ǔＳ? 種工藝形式：表面再生、復(fù)拌再生和復(fù)拌加鋪［5-7］，中國(guó)多采用表面再生工藝。傳統(tǒng)的瀝青路面加熱方式主要采用紅外加熱和熱風(fēng)加熱，存在路表加熱溫度高，瀝青老化嚴(yán)重，面層結(jié)構(gòu)受熱不均勻，環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。而微波加熱是國(guó)內(nèi)外新近研究的一種路面加熱方式，具有加熱深度大、加熱均勻性好、整體性好、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，長(zhǎng)安大學(xué)等科研院所長(zhǎng)期致力于微波加熱瀝青路面的研究［8-11］。邊曉偉等［12］通過對(duì)微波天線結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提高了微波加熱的均勻性；楊倫磊等［13］通過研究對(duì)瀝青道路微波養(yǎng)護(hù)車結(jié)構(gòu)組成和技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；張集海［14］、袁凱［15］、孫猛［16］采用先進(jìn)的微波加熱技術(shù)，研究了微波加熱技術(shù)在瀝青路面坑槽、裂縫、車轍等日常養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多聚焦于將微波加熱技術(shù)應(yīng)用于瀝青路面日常養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域，未見微波加熱技術(shù)在瀝青路面就地?zé)嵩偕こ讨械膽?yīng)用。本文基于微波加熱的原理和特點(diǎn)，提出國(guó)內(nèi)外獨(dú)特的微波輔助加熱就地?zé)嵩偕M合工藝流程，并依托2020年連霍高速公路就地?zé)嵩偕こ?，從混合料設(shè)計(jì)、熱再生工藝及施工質(zhì)量檢測(cè)等方面，開展了微波輔助加熱就地?zé)嵩偕诮K省高速公路養(yǎng)護(hù)工程中的應(yīng)用研究。

1 微波加熱原理和特點(diǎn)

微波加熱原理：將電能通過磁控管轉(zhuǎn)換成波長(zhǎng)12.24 cm、頻率為2.45 GHz 的微波，在微波覆蓋范圍內(nèi)分子之間劇烈摩擦產(chǎn)生熱能，溫度隨之升高。微波加熱瀝青混合料的作用機(jī)理：微波通過瀝青混合料時(shí)，由于瀝青不吸收微波，骨料特有的介電特性和磁滯特性吸收微波能，致使骨料溫度升高，骨料再將熱量傳遞給瀝青，從而實(shí)現(xiàn)瀝青混合料整體受熱［17］。微波加熱獨(dú)有的特點(diǎn)如下：

（1）即時(shí)性：物料溫度的改變?cè)醋晕⒉ㄝ椛?，其熱量的得失來自微波與物料的作用，表現(xiàn)出對(duì)物料加熱的無惰性。

（2）整體性：微波特有的頻率與波長(zhǎng)，具有較強(qiáng)的穿透能力，使物體內(nèi)、外部幾乎同時(shí)加熱升溫，節(jié)省了常規(guī)加熱方式中熱傳導(dǎo)過程所需的時(shí)間，物料內(nèi)外加熱均勻性好。

（3）選擇性：物質(zhì)吸收微波的能力，主要由其介質(zhì)損耗因數(shù)和磁滯損耗因子所決定，不同物質(zhì)吸收微波的能力差異性較大。

（4）高效性：傳統(tǒng)的加熱方式存在較大能量損耗，而微波加熱是微波通過介質(zhì)內(nèi)部，介質(zhì)的損耗致使整體溫度升高，絕大部分的微波能量最終被介質(zhì)所吸收并轉(zhuǎn)化為溫度升高所需要的熱量，表現(xiàn)出微波能量利用的高效性。

2 微波輔助加熱就地?zé)嵩偕M合工藝研究

2.1 微波加熱瀝青混凝土深度

當(dāng)微波從物質(zhì)表面進(jìn)入物質(zhì)內(nèi)部時(shí)，微波能被介質(zhì)吸收轉(zhuǎn)化為熱能，這種微波通過表面到介質(zhì)內(nèi)部的能力稱為穿透深度，用D表示，計(jì)算公式如下：

式中：D為場(chǎng)強(qiáng)穿透深度（m）；λ為波長(zhǎng)（m）；εr為物料介電常數(shù)；tanδ為介電損耗系數(shù)。

由式（1）可知：對(duì)于同一種發(fā)射頻率的微波，微波的穿透深度即加熱深度取決于材料的吸波能力，吸波能力越大，則加熱深度越?。粚?duì)于同一種材料，微波的加熱深度與微波的頻率有關(guān)，微波的頻率越高，則加熱深度越小。由于大部分物料的πεrtanδ約為1，波長(zhǎng)12.24 cm、頻率為2.45 GHz 的微波加熱瀝青混凝土路面深度為15～20 cm。

2.2 微波輔助加熱就地?zé)嵩偕M合工藝

由上述計(jì)算結(jié)果可知，2.45 GHz 的微波加熱瀝青混凝土路面深度為15～20 cm，而一般市場(chǎng)上就地?zé)嵩偕访嫔疃葹?～5 cm，微波加熱應(yīng)用于原路面的就地加熱存在較多的能量耗散，深層熱量無法利用，造成加熱效率低，甚至中面層（非再生層）經(jīng)微波加熱影響路面性能。因此，不能采用微波加熱機(jī)直接對(duì)路面加熱的方案。

本文提出微波輔助加熱就地?zé)嵩偕墓に嚵鞒倘鐖D1 所示。①傳統(tǒng)加熱機(jī)：采用2～3 臺(tái)熱風(fēng)或紅外加熱機(jī)加熱軟化瀝青路面（路表溫度≤200 ℃）；②加熱銑刨機(jī)：繼續(xù)對(duì)原路面加熱，銑刨翻松路面（銑刨底層溫度≥110 ℃），噴灑再生劑、微波輔助加熱材料并使其與舊瀝青混合料充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，在路槽中間形成梯形料壟；③料壟微波加熱機(jī)：采用微波加熱機(jī)對(duì)形成的料壟直接就地加熱，提溫10～15 ℃，起到舊瀝青混合料二次提溫的作用，保證后續(xù)的拌和攤鋪溫度和施工質(zhì)量；④復(fù)拌再生機(jī)：將新瀝青混合料按比例精確添加到料壟，強(qiáng)制攪拌分料形成松散料帶，繼續(xù)加熱保溫后，收集形成梯料壟，進(jìn)入長(zhǎng)拌缸徹底拌和，加熱提升路槽溫度。

圖1 微波輔助加熱就地?zé)嵩偕に嚵鞒淌疽鈭D

3 微波輔助加熱就地?zé)嵩偕こ虘?yīng)用

連霍（G30）高速公路作為江蘇省高速公路的重要組成部分，其運(yùn)營(yíng)時(shí)間已經(jīng)超過15 年，為了改善路面使用性能，針對(duì)車轍深度處于8～15 mm 且未再生養(yǎng)護(hù)過的段落，進(jìn)行微波輔助加熱就地?zé)嵩偕┕すに囇芯考霸囼?yàn)段的鋪筑。

3.1 配合比設(shè)計(jì)

3.1.1 原路面混合料性狀分析

選取具有代表性的原路面AC-13 混合料進(jìn)行抽提、篩分和回收并進(jìn)行瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)，回收瀝青摻加不同摻量再生劑后，其性能指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 回收瀝青摻加再生劑三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

由表1 可知：在回收瀝青中摻加3%的再生劑后瀝青的針入度、軟化點(diǎn)和延度均可滿足規(guī)范要求。因此擬定再生劑的摻量為原路面瀝青混合料中瀝青含量的3%。

3.1.2 新料摻量確定及配合比初選

在不提高原路面標(biāo)高的基礎(chǔ)上，結(jié)合歷年相關(guān)工程的施工經(jīng)驗(yàn)，原路面預(yù)處理采用銑刨1 m 寬、4 cm 厚方案，根據(jù)計(jì)算，新料內(nèi)摻比例為26%，舊料內(nèi)摻比例為74%。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，新料瀝青的檢測(cè)結(jié)果見表2，初選新料的級(jí)配如表3 所示。兩種試級(jí)配混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表2 新料瀝青的檢測(cè)結(jié)果

表3 兩種新料級(jí)配及合成級(jí)配明細(xì)

表4 兩種試級(jí)配混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

3.1.3 最佳油石比確定

按照新料摻量26%（內(nèi)摻）、再生劑添加量3%進(jìn)行合成混合料的設(shè)計(jì)，對(duì)新料通過不同的油石比（4.2%、4.7%、5.2%、5.7%、6.2%）按照與原路面混合料比例26∶74 充分拌和均勻，成型馬歇爾試件，測(cè)定合成混合料馬歇爾試件的相關(guān)物理指標(biāo)，相關(guān)檢測(cè)結(jié)果見表5。

表5 不同油石比合成混合料體積指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

由表5 中各項(xiàng)指標(biāo)與油石比的關(guān)系，并根據(jù)往年施工經(jīng)驗(yàn)和當(dāng)?shù)貧夂驐l件取5.2%作為新料最佳油石比，則合成混合料油石比為5.08%。

（4）再生混合料性能驗(yàn)證

根據(jù)配合比設(shè)計(jì)結(jié)果，新料摻量26%（內(nèi)摻），再生劑摻量3%，新料油石比5.2%，室內(nèi)成型再生混合料，并進(jìn)行性能驗(yàn)證，結(jié)果見表6。

表6 再生合成混合料性能檢測(cè)

3.2 施工控制要點(diǎn)

連霍高速微波輔助加熱就地?zé)嵩偕こ痰氖┕C(jī)組為：3 臺(tái)Ecoheater Kaph 8 sp 加熱機(jī)、1 臺(tái)徐工熱風(fēng)加熱機(jī)、1 臺(tái)徐工熱風(fēng)加熱銑刨機(jī)、1 臺(tái)徐工微波加熱機(jī)、1 輛瀝青混合料運(yùn)輸車、1 臺(tái)徐工復(fù)拌再生機(jī)、1臺(tái)瀝青攤鋪機(jī)、2 臺(tái)雙鋼輪壓路機(jī)和1 臺(tái)膠輪壓路機(jī)。

微波輔助加熱就地?zé)嵩偕に囀┕ち鞒倘缦拢?/p>

（1）路面預(yù)處理：為了不改變?cè)访鏄?biāo)高，保證新料的摻加比例，就地?zé)嵩偕?，先將原路面銑? m 寬。如 圖2 所 示。

圖2 原路面預(yù)銑刨

（2）路面加熱保溫：采用3 臺(tái)Ecoheater Kaph 8 sp 加熱機(jī)和1 臺(tái)徐工熱風(fēng)加熱機(jī)加熱軟化瀝青路面，確保路面的加熱溫度。如圖3、4 所示。

圖3 Ecoheater Kaph 8 sp 加熱機(jī)

圖4 徐工熱風(fēng)加熱機(jī)

（3）原路面加熱銑刨：采用徐工加熱銑刨機(jī)，繼續(xù)對(duì)原路面加熱，銑刨翻松路面（銑刨底層溫度≥110 ℃），噴灑再生劑并使其與舊瀝青混合料充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，在路槽中間形成梯形料壟。如圖5、6所示。

圖5 加熱銑刨

圖6 噴灑再生劑

（4）微波輔助加熱：利用徐工料壟微波加熱機(jī)對(duì)精銑刨形成的料壟直接加熱，提溫10～15 ℃。如圖7所示。

圖7 料壟微波加熱

（5）復(fù)拌攤鋪碾壓：用復(fù)拌再生機(jī)將新瀝青混合料按比例精確添加到料壟，強(qiáng)制攪拌分料形成松散料帶，繼續(xù)加熱保溫后，收集形成梯料壟，進(jìn)入長(zhǎng)拌缸徹底拌和，加熱提升路槽溫度。當(dāng)料壟溫度達(dá)到一定值后，完成后續(xù)的攤鋪、碾壓等工序。

（6）開放交通：就地?zé)嵩偕訜釞C(jī)組的行駛速度控制為3.5 m/min，熱再生完成后，待熱拌瀝青混合料自然冷卻至表面溫度小于50 ℃，即可開放交通。

4 微波輔助加熱就地?zé)嵩偕┕べ|(zhì)量檢測(cè)

4.1 再生加熱溫度

采用紅外熱成像儀和數(shù)顯式溫度計(jì)對(duì)就地?zé)嵩偕┕み^程各個(gè)環(huán)節(jié)的加熱溫度進(jìn)行跟蹤測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表7，實(shí)現(xiàn)了就地?zé)嵩偕鳝h(huán)節(jié)的溫度控制。微波加熱前后混合料表面和內(nèi)部5 cm 的溫度提升情況對(duì)比結(jié)果見表8。

表7 就地?zé)嵩偕┕み^程各環(huán)節(jié)的溫度

表8 微波加熱機(jī)前后料壟表面和內(nèi)部溫度對(duì)比

由表7、8 可以看出：受表面溫度散失、風(fēng)等影響，微波加熱機(jī)前料壟表面的溫度并未升高，反而有所降低，而經(jīng)微波加熱后，料壟內(nèi)部的加熱溫度提升14 ℃。分析原因可知：微波加熱方式對(duì)混合料整體加熱，均勻性好，且熱量由混合料內(nèi)部向表面進(jìn)行，表面溫度低于中心溫度。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

微波輔助加熱就地?zé)嵩偕囼?yàn)段完工后，對(duì)熱再生路段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，結(jié)果如表9 所示。從芯樣厚度及壓實(shí)度結(jié)果來看，厚度單點(diǎn)值、代表值、路面壓實(shí)度均滿足技術(shù)要求。

表9 再生路段壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

本文通過微波輔助加熱就地?zé)嵩偕M合工藝研究以及微波輔助加熱就地?zé)嵩偕谶B霍高速公路養(yǎng)護(hù)工程中的應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

（1）考慮到微波加熱瀝青混凝土路面深度為15～20 cm，而一般就地?zé)嵩偕访嫔疃葹?～5 cm，微波直接對(duì)原路面加熱存在較多的能量耗散，造成加熱時(shí)間長(zhǎng)、效率低，因此，不能采用微波加熱機(jī)直接對(duì)路面加熱的方案，提出了國(guó)內(nèi)外獨(dú)特的微波輔助加熱就地?zé)嵩偕M合工藝流程。

（2）基于連霍高速公路就地?zé)嵩偕旌狭吓浜媳仍O(shè)計(jì)，確定新料內(nèi)摻比例約為26%，新料油石比5.2%，合成混合料油石比5.08%，再生劑摻量3%，再生混合料的路用性能均滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

（3）再生溫度測(cè)試結(jié)果表明：經(jīng)微波加熱機(jī)后，料壟表面的溫度并未升高，料壟內(nèi)部的加熱溫度提升14 ℃。驗(yàn)證了微波加熱的原理是對(duì)混合料整體加熱，均勻性好，且混合料內(nèi)部的熱量高于表面，避免了混合料表面老化。