吸波瀝青混合料路面材料設計

袁 斌 劉鑾成 李敬才

0 引言

微波加熱養護是目前最新、最先進的瀝青路面養護方法，它是將電能通過磁控管轉換成微波功率，經過一定的安全保障結構近距離向路面輻射。處于微波覆蓋范圍內的瀝青混凝土吸收微波后，極性分子在高頻電磁的作用下做高速的輪擺運動，分子間產生摩擦，溫度隨之升高，由于是介質自身產生熱能，因此其加熱效率是其他加熱方式無法比擬的。微波加熱瀝青混合料是一種全新的加熱方式［1］。

瀝青路面微波養護技術具有修復速度快、加熱均勻、溫度梯度小、熱量散失少、無明火、無弱接縫和弱接面、修復質量高等優點，并能實現舊瀝青料重復利用，符合國家節能減排、環境保護的要求［2］。微波加熱是介質材料自身損耗電磁場能量而發熱。使用微波熱再生技術進行瀝青路面病害修補有著明顯的優勢，能夠深層加熱路面，而且不會將原有的瀝青混凝土燒焦［3］。微波熱再生技術可應用到瀝青路面的坑槽、壅包、裂縫、翻漿、沉陷、車轍、松散等病害的及時修復。它具有加熱均勻、控制及時、無污染等優越性，應用于瀝青路面的現場熱再生，滿足高等級公路快速進入、快速作業、快速撤離的工作要求。

微波加熱的特點如下:

1)加熱速度快;

2)均勻加熱;

3)節能高效;

4)易于控制;

5)安全無害。

總之，采用微波加熱瀝青混合料技術可以提高施工效率，實現流水施工，降低能耗，減少瀝青老化，提高路面工程質量［4，5］。

1 理論分析

微波是指頻率在300 MHz～300×103MHz的電磁波。在微波電磁場的作用下，介質中的極性分子從原來的熱運動狀態轉為跟隨微波電磁場的交變而排列取向。例如:采用的微波頻率為2 450 MHz，就會出現每秒24億5千萬次交變，分子間就會產生激烈的摩擦。在這一微觀過程中，微波能量轉化為介質內的熱量，使混合料溫度呈現為宏觀上的升高(家用微波爐和微波養護設備均采用 2 450 MHz)，如圖1 所示［1］。由此可見微波加熱是介質材料自身損耗電磁能量而加熱，微波加熱的基本條件是:材料本身要吸收微波。

圖1 微波加熱瀝青混合料熱傳遞原理

2 原材料

1)集料:采用連續級配的普通石灰巖集料和鐵礦石集料，性能指標見表1。

表1 集料的性能指標

2)礦粉:石灰巖礦粉和鐵礦石礦粉，密度分別為2.826 g/cm3和 3.141 g/cm3，無結團現象。

3)瀝青:90號道路瀝青，密度為 1.050 g·cm P－3P，針入度(25 ℃，100 g，5 s)為81 mm(0.01 mm)，軟化點(tBR＆BB)為68 ℃，延度(5 ℃，5 cm·min P－1P)為55 cm。

3 試驗結果與討論

根據JTG F40-2004公路瀝青路面施工技術規范中AC-13瀝青基復合材料級配要求，采用表2集料級配，最佳油石比為4.6%;同時根據等體積原則，將按級配設計范圍得到的配合比除以體積密度，作為各種集料的體積配合比，利用體積分數30%的鐵礦石代替普通石灰巖集料和石灰巖礦粉。先將石灰石集料、鐵礦石集料和石灰石礦粉在175℃條件下烘干24 h，在185℃條件下將瀝青與集料拌和均勻，最后加入礦粉并拌和均勻，由此制備瀝青混合料。

表2 集料級配

在200 kN的壓力和170℃條件下壓制成直徑40 mm，厚度26 mm的統一尺寸試樣，在0.5 kW的微波輸出功率的微波爐內進行加熱試驗，傳統瀝青混凝土和吸波瀝青混凝土微波加熱效果分別見圖2，圖3。

圖2 普通瀝青混合料微波加熱效果圖

圖2和圖3表明，傳統瀝青混凝土微波加熱60 s，溫度由19℃上升到24℃;而微波瀝青混凝土，加熱60 s后溫度由19℃上升到102℃;升溫效率提高了16倍。

圖3 吸波瀝青混凝土微波加熱效果圖

從理論角度分析可知，由電磁場理論知，作為微波加熱區的箱體是一個多模諧振腔，進入該加熱區的微波總功率消耗分為充填介質功率損耗、腔體內貯能和腔壁能耗三部分。經計算，單位體積充填介質耗散吸收微波功率為:

W=55.61fε'tanδ·E2m×10－12。

其中，W為吸收微波功率，W/cm3;f為微波頻率，GHz;Em為電磁場強度，V/m;ε'為介電常數虛步;tanδ為損耗角正切。由于腔體為金屬材料制成，故腔壁吸收微波的損耗僅占總耗散功率的極小部分。因此，進入腔體的絕大部分微波能量被充填介質吸收耗散，從而可以看出微波加熱具有能量利用高的特點。

另外，物料最后的熱量等于介質吸收的熱量和水分蒸發及物料輸送過程損失的代數和。若簡化之，取物料為熱平衡穩定狀態，并假定物料無水分蒸發相變和傳送，則結合熱邊界條件可知兩端為絕熱面的圓柱體在微波電磁場中成為體熱源時，其側向溫度場分布取決于體內的功率密度平均值和散熱系數，并且具有柱體中心溫度高于柱體側向表面的對稱分布狀態。由此看出，微波加熱具有均勻性和高效性的特征。

4 結語

吸波瀝青混合料具有明顯的升溫效率高的特點;傳統瀝青混凝土微波加熱60 s，溫度由19℃上升到24℃;而微波瀝青混凝土，加熱60 s后溫度由19℃上升到102℃，升溫效率提高了16倍。

［1］ 朱松青，史金飛，劉海寬，等.微波加熱濕舊瀝青混合料的傳熱傳質研究［J］.中國公路學報，2009，22(1):120-126.

［2］ Zhu Songqing，Shi Jinfe.Structural design and experimental research of microwave radiation heater for asphalt pavements［J］.Journal of Southeast University(English Edition)，2009，25(1):68-73.

［3］ 李萬莉，于睿坤，朱福民.瀝青路面再生機微波加熱機理及數值模擬［J］.同濟大學學報(自然科學版)，2007，35(4):472-477.

［4］ 朱松青，史金飛，孫銅生.微波在瀝青路面養護中的應用研究［J］.材料導報，2007，21(11):286-290.

［5］ 高子渝，焦生杰.微波加熱舊瀝青混合料的應用研究［J］.筑路機械與施工機械化，2006(10):29-31.