就地熱再生過程瀝青路面的加熱梯度與機械作業參數控制

舒 琴，胡筑云，任達成，郭小宏

(1.貴州省銅仁公路管理局，貴州 銅仁 554300；2.貴州省公路工程集團有限公司，貴州 貴陽 550008；3.重慶交通大學 管理學院，重慶 400074)

0 引 言

在瀝青路面就地熱再生施工中，舊路面的加熱溫度是影響整個再生施工質量的關鍵因素。它不僅影響了舊路面瀝青混合料被再利用的程度以及舊料和新料的充分混合，也影響了再生層與舊瀝青路面良好的黏結性，同時還是攤鋪、碾壓等一系列工藝過程質量的重要保證。因此，掌握和控制舊路面加熱過程中各工藝環節的溫度變化十分重要。

在舊路面加熱過程中，瀝青路面表面溫度一般不超過180 ℃，表面以下4～5 cm處的溫度為90 ℃左右，加熱深度為4～5 cm時最為理想[1]。為加熱均勻和減輕瀝青老化，一般就地熱再生的加熱分為二級加熱或三級加熱。每級分為兩個加熱室，工作中兩個加熱室的溫度通過溫控系統控制，這樣就形成一個相對獨立完整的加熱系統[2-3]。舊路面若是二級加熱，就存在兩個獨立完整的加熱系統；舊路面若是三級加熱，就存在3個獨立完整的加熱系統。

舊瀝青路面就地熱再生加熱是一個連續過程。路面在加熱時，熱量從路表面連續向表層內4～5 cm處傳導中，由于瀝青路面本身的熱傳導特性，保證路面表面溫度不超過180 ℃，表面以下4～5 cm處的溫度為90 ℃左右，而且加熱均勻和減輕瀝青老化是困難的[1]。因此，必須從加熱工藝上對路面加熱進行分級，對每一級的加熱功能進行區分，對每級加熱的溫度梯度進行研究，在加熱中通過調整機械作業參數對溫度梯度進行控制。這樣才可能實現舊路面瀝青混合料被最大程度再利用，舊料和新料充分混合，再生層與舊瀝青路面良好黏結性的目的[4-8]。

1 舊路面的加熱分級與功能

室內與依托工程的實踐證明，就地熱再生中對原路面的加熱功能要求是：首先將舊瀝青路面加熱，其次將舊路面表層4～5 cm內的溫度控制在90 ℃以上，并在加熱過程中盡量避免瀝青進一步老化。

為了使原路面瀝青混合料被最大可能的再利用，應使原路面老化瀝青恢復原有路用性能，原路面中的集料與級配盡可能的保持完整[2]。為此，對原路面的加熱進行分級，明確每一級加熱的功能，就顯得十分重要。

在利用路面加熱機加熱舊路面過程中：第1級加熱系統的功能應是對舊路面提供熱量，使舊路面的受熱表面的溫度在較短時間內(不超過10 min)，從原始溫度升高至180 ℃左右，達到干燥路面，排除原路面表面及縫隙中水分的目的；第2級加熱系統的功能應是對舊路面持續提供低熱源的熱量，在較短時間內(≯10 min)，使熱滲透量達到最大。在保持舊路面表面溫度控制在180 ℃左右的同時，能夠將舊路面表層4～5 cm內的溫度控制在90 ℃以上；第3級加熱系統的功能應是對舊路面持續提供低熱源的補充熱量，確保不同施工環境中，在保持舊路面表面溫度控制在180 ℃左右的同時，能夠將舊路面表層內4～5 cm處的溫度，持續、穩定的控制在90 ℃以上。

在3級加熱中，最重要的是：經過加熱，舊路面表面溫度控制在180 ℃左右，舊路面表層內4～5 cm處的溫度，持續、穩定的控制在90 ℃以上。

2 瀝青路面加熱理論計算

若將瀝青路面看成一個無限大的平板，溫度沿厚度方向變化，這樣對瀝青路面加熱可以看成導熱物體邊界上溫度或換熱情況的第三類邊界條件的一維非穩態導熱問題[1]，可以對瀝青路面的加熱溫度進行理論計算。

2.1 路表面加熱溫度、時間及速度計算

選擇20，30，40，50 ℃這4種舊瀝青路表面原始溫度環境。設瀝青路面絕熱層厚度δ=5 cm；加熱時加熱板的長度為L=4.5 m；加熱機有前后兩個加熱室，工作時煙氣在瀝青路面的流速為u=22 m/s；煙氣平均溫度tw=550 ℃；瀝青路面加熱溫度t∞=180 ℃左右。

對邊界層類型的對流傳熱，規定采用邊界層中流體的平均溫度。平均溫度tm計算如式(1)[5]：

(1)

根據tm查得標準大氣壓下，煙氣的熱物性參數有：

導熱系數：λ0=5.27×10-2W/(m·k)

運動黏度：v=6.04×10-5m2/s

普朗特數：Pr=0.64

又因為平板長度：L=4.5 m，所以，其雷諾數為：

(2)

由于雷諾數5×105≤Re≤107。因而可以判定對流邊界層主體處于湍流流動狀態[6]。得到平均換熱系數公式如式(3)：

(3)

式中：u∞為流體沿平板的流速；xc為層流向湍流過渡的臨界距離。

對式(3)進行積分并簡化：

(4)

設：Bi為比渥準則數；λ為瀝青路面路面導熱系數，一般取2.28；δ為瀝青路面的最大加熱厚度，有[1]：

(5)

根據設定的工作環境(煙氣平均溫度550 ℃，瀝青路面加熱溫度180 ℃，瀝青路面絕熱層厚度5 cm，加熱時加熱板的長度為4.5 m)，有：

再設：τ為加熱時間；x為某點到加熱表面中心的距離；t為加熱溫度；t0為加熱物體的初始溫度；t∞為加熱煙氣的溫度；θ為過余溫度(某點的加熱溫度與加熱煙氣溫度的差值)；θ/θm為無因次過余溫度；θ/θ0為表面上的無量綱過余溫度；θm/θ0為中心處的無量綱過余溫度；Fo為傅里葉系數，Fo=ατ/δ2(α為瀝青混凝土熱擴散系數，當密度為2 350 kg/m3，平均比熱為950 J/kg·k時，α為0.672×10-6m2/s)。

這樣，平板中任意一點的θ/θ0值為：

(6)

根據郭小宏，等[1]及楊世銘，等[5]的介紹，利用圖1，則在瀝青路面表面：x/δ=1，查得θ/θm為0.75。

圖1 無限大平板的θ/θm曲線Fig.1 The θ/θm curve of the infinite plane

由文獻[1]知：

(7)

選擇20，30，40，50 ℃這4種舊瀝青路面表面原始溫度(T)，得：

所以，當路面表面原始溫度為20 ℃時，若要讓瀝青路表面溫度達到180 ℃，則：

利用圖2，當路面表面原始溫度為20 ℃時，Fo=0.2；根據Fo=ατ/δ2，這時加熱路面表面至180 ℃需要的時間τ0為：

圖2 無限大平板中心溫度的諾謨圖Fig.2 The center temperature nomogram of infinite plates

若在加熱過程中，利用3臺加熱機共6個加熱室同時加熱，則這時加熱機的理論作業速度應為：

同理，溫度為30 ℃時、Fo=0.13；溫度為40 ℃時，Fo=0.07；溫度為50 ℃時，Fo=0.04。

這樣加熱路面表面至180℃需要的加熱時間τ0和作業速度分別為：8.0，5.6，2.3 min與3.3，4.8，11.7 m/min。

將計算數據進行整理得表1。

表1 路表面各參數要求

可以看出，當路面表面原始溫度為表1所述時，3臺加熱機理論上應按表1作業速度工作時，瀝青路面表面的溫度理論上才能穩定在180 ℃。

2.2 路面表層內4 cm處加熱溫度、時間及速度

筆者設定僅討論路表層內4 cm處。同樣選擇20，30，40，50 ℃這4種舊瀝青路表面原始溫度環境。設路面絕熱層厚度δ=5 cm；加熱板的長度為L=4.5 m；加熱機有前后兩個加熱室，工作時煙氣的流速為u=22 m/s，煙氣平均溫度tw=550 ℃，瀝青路面加熱要求為溫度t∞=180 ℃左右。

根據2.1節的分析，當路表面原始溫度環境為20 ℃，路表層以下4 cm處的溫度計算如下：

所以：tm=0.92×(20-550)+550=62.4(℃)。

即這時路表層以下4 cm處的溫度僅為62.4 ℃。

在舊路面的加熱分級與功能中，要求在保持舊路面表面溫度控制在180 ℃的同時，能夠將面表層內4 cm處的溫度，持續、穩定的控制在90 ℃以上，這顯然沒有達到要求。

同理，當舊瀝青路表面原始溫度環境分別為30，40，50 ℃，將面表層內4 cm處的溫度持續、穩定的控制在90 ℃以上，所需要的加熱時間τ0和作業速度分別為：9.9，7.0，7.1 min與2.7，3.4，3.8 m/min。

將計算數據進行整理得表2。

表2 路表面溫度在90、180 ℃時各參數要求

3 瀝青路面加熱的溫度梯度設置

由理論計算分析可以看出，加熱機工作時，要保證將面表面溫度控制在180 ℃、面表層內4～5 cm處的溫度控制在90 ℃，在理論上存在有“兩難問題”。

以2.2節討論的路表面原始溫度環境為20 ℃為例：① 當面表面溫度控制在180 ℃時，面表層內4 cm處的溫度為62.4 ℃，不滿足熱再生的工作要求；② 當面表層內4 cm處的溫度為90 ℃時，路面表面溫度達到195.8 ℃，也沒有滿足熱再生的工作要求。

將表1、表2的數據整理，得到表3。由表3數據可以得出結論：在瀝青路面加熱中，若加熱機的作業參數設定一致，則在特定的施工環境溫度下，路面表面與表層內4 cm處的加熱溫度，是無法同時實現的。

表3路表面參數要求

Table3Parameterrequirementsofroadsurface

為了解決這一問題，必須對加熱機加熱瀝青路面從工藝上進行分析。從工藝上講，加熱分為3個相關的環節。瀝青路面加熱時，首先應使舊路面在較短時間內干燥、排除原路面表面及縫隙中水分；其次應對舊路面持續提供熱量，使路面表層內的熱滲透量達到最大，能夠將舊路面表層4～5 cm內的溫度上升到90 ℃以上；第三在保持舊路面表面溫度控制在180 ℃的同時，路面表層內4～5 cm處的溫度能夠持續、穩定的控制在90 ℃以上。每一工藝環節功能要求不同，自然對加熱機的加熱要求也不同，要求加熱機單位時間內給單位面積的路面提供熱能強度也有強弱區別。鑒于這樣的分析，應對舊路面的加熱進行分級，對每一級的溫度梯度進行設定。

根據依托工程的應用研究情況，可以將瀝青路面的加熱分為3級。第1級加熱的目標是干燥路面，排路表及縫隙中水分，加熱煙氣溫度保持在500～550 ℃，路表溫度在180～190 ℃之間，加熱時間控制在10 min內；第2級加熱的目標是使熱量在路表層內的滲透量達到最大，這時加熱煙氣的溫度應低于第1級，但要保持持續提供熱量并保持要求的加熱煙氣溫度，目的是能夠將舊路面表層4～5cm內的溫度上升到90 ℃左右；第3級加熱的目標是使熱量在路表層內的滲透量均勻，在保持舊路面表面溫度控制在180 ℃的同時，面表層內4～5 cm處的溫度持續、穩定在90 ℃以上，所以這時加熱煙氣的溫度應低于第2級，保持持續提供熱量即可。

4 瀝青路面加熱中機械作業參數的控制與溫度梯度的實現

瀝青路面就地熱再生施工中，加熱機時連續對舊路面進行加熱，每一臺加熱機的作業參數在施工中保持穩定。從整體上看，整個加熱過程，機械設備依次實現對路面的加熱，作業速度保持穩定。

當舊路面的加熱過程分為3級加熱時，可通過對相應加熱機的作業參數進行調整，確保每一級加熱功能與溫度梯度的實現。參數包括：加熱煙氣的溫度、加熱板與路面的間隙、加熱機的作業速度等。

對于熱風循環加熱的設備而言，工作中加熱板與路面因為加熱煙氣的作用，其間隙變化對加熱影響不大。

由于3級加熱中每一級的加熱目標與功能不同，而施工中設備的作業速度應穩定，所以，在加熱機作業速度調整并穩定后，關鍵是調整每一級加熱中加熱機的煙氣溫度，加熱機工作中設備之間的距離，并以此來穩定各級加熱的溫度梯度。

5 案例分析

某山區二級公路瀝青路面就地熱再生施工中，路面結構為5 cm AC-16 + 7 cm AC-20，計劃實施就地熱再生的路段約30 km。要求實施加熱時，保持舊路表面溫度180～190 ℃之間，加熱銑刨機工作后，銑刨面的溫度在80～90 ℃之間。

在施工時，將舊路面的加熱分為3級，采用的加熱機為熱風循環式，加熱機工作中設備之間的距離保持在3～5 m，加熱深度5 cm，施工期間，路表溫度在30～40 ℃之間,天氣晴朗、微風。具體作業參數的調整值和加熱效果如表4。

表4 作業參數的調整值和加熱效果

6 結 語

筆者通過舊瀝青路面加熱溫度及相關指標的計算，從理論上找出了就地熱再生加熱路面遇到的“兩難問題”。解決這一“兩難問題”的方法為：將加熱過程進行分級。針對加熱工藝各環節加熱功能、相應的溫度梯度與控制方法，指出：在特定施工環境中，通過調整加熱機的作業參數，即可實現各工藝環節加熱功能和相應的溫度梯度控制，從而保證了舊瀝青路面的加熱質量。

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