瀝青路面就地熱再生加熱方式與傳熱過程

顧海榮，董強柱，李金平，梁奉典，張 飛，王作家

(長安大學 公路養護裝備國家工程實驗室，陜西 西安 710064)

瀝青路面就地熱再生加熱方式與傳熱過程

顧海榮，董強柱，李金平，梁奉典，張 飛，王作家

(長安大學 公路養護裝備國家工程實驗室，陜西 西安 710064)

為了研究加熱方式對瀝青路面加熱效果的影響，基于傳熱學理論，采用Energy2D軟件對不同加熱功率下瀝青路面溫度隨時間變化的過程進行分析，得出了瀝青路面的理想加熱功率曲線；并進一步分析不同加熱方式影響加熱過程的機理，指出不同加熱方式的加熱功率及其可控性是決定瀝青路面加熱質量、速度和能耗的關鍵。

道路工程；瀝青路面；就地熱再生；加熱方式

0 引 言

瀝青路面就地熱再生過程中，所采用的加熱方式主要有明火加熱、紅外加熱和熱風循環加熱[1]。這幾種方式中，除了明火加熱被公認為會造成表層瀝青過度老化外，紅外加熱和熱風循環加熱孰優孰劣的問題尚未有一致的結論，是工程技術人員和設備生產廠家爭執的焦點問題[2]。

本文基于傳熱學理論，從瀝青路面材料傳熱特性的角度分析不同加熱方式影響瀝青路面傳熱過程的機理，并比較加熱參數對加熱質量、加熱速度和加熱能耗的影響，為工程應用及設備廠家確定機器作業參數提供參考。

1 瀝青路面加熱過程中的傳熱方程

就地熱再生過程中，為了減少機具破碎集料對再生料的級配造成影響，首先要對瀝青路面進行加熱、軟化，以消除瀝青在骨料之間形成的黏結力。工程中，通常要將再生深度范圍內的瀝青路面材料加熱到100 ℃以上[3]。

瀝青路面在破碎以前是以整體密實的結構形態存在，無論是明火加熱、紅外加熱或是熱風循環加熱，加熱器只能從瀝青路面上方輸入加熱能量。加熱器與瀝青路面之間的熱能交換均發生瀝青路面表面，如圖1所示。

圖1 就地熱再生加熱原理

對任一瀝青路面材料微元控制體積，其傅里葉非穩態導熱微分方程的一般形式為

(1)

式中：T為瀝青路面材料溫度(℃)；t為加熱時間(s)；Φ為單位體積介質的內熱源的熱能產生速率(W·m-3)；λ為瀝青路面材料的傳熱系數(W·(m·K)-1)；ρ為瀝青路面材料的密度(kg·m-3)；c為瀝青路面材料的比熱容(J·(kg·K)-1)。

(2)

式中：qx為與傳輸方向x相垂直的單位面積上的傳熱速率，即通過x方向的熱流密度。

類似的表達式也可用于y和z方向上的熱流密度計算。

當導熱系數為常數且無內熱源時，導熱微分方程可簡化成

(3)

2 瀝青路面加熱模型

David H. Timm等在文獻中將瀝青路面傳熱模型分為4層：瀝青混凝土層、級配碎石穩定層、土基層和絕熱層[4]，每層材料的熱學參數見表1[5-6]。

本文借助Energy2D軟件[7]建立瀝青路面加熱過程中的傳熱模型，模擬瀝青路面的加熱過程[8-12]。

(1)熱能從上方和左右側密閉的熱源(模擬加熱器)輸出，對瀝青路面加熱，加熱器寬度為4 m，瀝青路面寬度為8 m(不考慮縱向的影響)。

表1 瀝青道路材料熱學參數

(2)瀝青路面結構層包括：18 cm厚的瀝青混凝土層、40 cm厚的水泥穩定碎石層、80 cm厚的土基層。各層材料熱學參數設置同表1。

瀝青路面加熱過程中內部溫度場和熱流傳輸路線模擬結果見圖2。

圖2 瀝青路面加熱過程中的溫度場和熱能傳遞路線

從圖2可以看出以下幾點。

(1)在加熱器和瀝青路面之間密閉良好的情況下，熱能除了加熱再生的瀝青路面材料以外，還會繼續沿深度方向向下傳遞，加熱水泥穩定碎石層和土基層。

(2)加熱器輸出的熱能沿橫向會向兩側傳遞，以加熱周圍的瀝青路面，可以推知，熱能沿縱向也會向前后傳遞；但就地熱再生機組中的加熱機是縱向行駛，順次對整個路面進行加熱，沿縱向方向的傳遞熱能較少，幾乎不會產生浪費。

(3)除在靠近加熱器邊沿的兩側熱能會向側向傳遞外，加熱器正下方絕大多數區域的熱能只沿深度方向向下傳遞，滿足一維傳熱的條件。

(4)加熱器下方的瀝青路面材料沿深度方向的溫度場存在明顯梯度，表層溫度最高，沿深度方向遞減。

3 瀝青路面加熱過程模擬

分別對瀝青路面表層溫度設定為200 ℃、180 ℃和160 ℃三種情況下的瀝青路面加熱過程進行模擬，在再生深度的溫度達到100 ℃時即可停止。提取加熱過程中4 cm深處的瀝青路面材料的溫度變化曲線(圖3)以及表層輸入瀝青路面的熱流密度隨時間的變化曲線(圖4)。

圖3 瀝青路面加熱過程中4 cm深處溫度隨時間的變化曲線

圖4 瀝青路面加熱過程中輸入瀝青路面的熱流密度隨時間的變化曲線

由圖3、4可以看出以下幾點。

(1)瀝青路面表面溫度維持在200 ℃、180 ℃、160 ℃時，深度4 cm處溫度達到100 ℃所需時間分別為23、29、41 min，即瀝青路面表面溫度越高，溫升速度越快，完成加熱所需時間越短。

(2)隨著加熱進程的推進，瀝青路面內部材料的溫度在升高，維持瀝青路面表面溫度恒定所需的加熱熱流密度逐漸減小；初始階段，所需加熱熱流密度下降較快，然后逐漸趨于平緩。

(3)對圖4曲線進行積分，可以得到瀝青路面表面溫度維持在200 ℃、180 ℃、160 ℃時，完成瀝青路面加熱所需加熱功率分別為9.4×106、9.5×106、10.1×106J·m-2，即表面溫度越高，完成加熱所需總能量越少。主要原因是，完成加熱所需時間減少，熱能沿深度方向和側向方向傳遞的損失在減小。

(4)當輸入瀝青路面的熱流密度大于圖4所示曲線時，瀝青路面表面溫度將高于期望值，增加瀝青老化程度；當輸入瀝青路面的熱流密度低于圖4所示曲線時，瀝青路面表層溫度將低于期望值，加熱速度減慢。

因此，要獲得最快的加熱速度，瀝青路面表面溫度要維持在允許的最高值。根據目前普遍的觀點，瀝青路面表層溫度在180 ℃以下，瀝青不會發生過度老化，即加熱機的加熱功率應按照瀝青路面表層溫度維持在180 ℃時的熱流密度曲線進行調節。

4 不同加熱方式的加熱功率控制

4.1 加熱功率調整方式

輻射加熱方式加熱器的輸出功率滿足斯蒂芬-波爾茲曼(Stefan-Boltzmann)定律，即

E=εσT4

(4)

式中：E為輻射功率(W)；ε為表面輻射系數；σ為斯蒂芬常數，σ=5.67×10-8(W·(m-2·K-4))；T為輻射體溫度(K)。

從式(4)可以看出，控制輻射加熱輸出功率的主要方法是控制輻射體的溫度，具體措施如下。

(1)明火加熱中，火焰溫度難以調節且溫度非常高，因此直接加熱路面會出現因加熱功率過大而導致的瀝青路面老化嚴重甚至焦化現象。

(2)紅外輻射加熱中，火焰加熱紅外發射體，由紅外發射體向瀝青路面輻射能量，可以通過控制紅外發射體的溫度控制輻射功率，使其按照圖4所示的功率曲線進行調整，以保證瀝青路面的加熱質量。

對流加熱方式輸入瀝青路面的功率可根據牛頓冷卻定律推導得出，即

(5)

從式(5)可以看出：熱風循環加熱瀝青路面的功率控制，可以通過調節熱風的溫度或熱風的循環速度(改變對流換熱系數)來實現。熱風溫度越高，循環速度越快，輸入瀝青路面的能量就越大，反之越小。因而熱風循環加熱也能夠滿足輸入瀝青路面的加熱功率的控制，保證瀝青路面的加熱質量。

4.2 加熱功率的分段調整

圖4所示曲線是理想的加熱功率曲線，但在實際作業過程中，加熱機是在行進過程中對瀝青路面進行加熱的，以時間為變量的加熱功率曲線要轉變成以加熱機行進速度和縱向加熱功率分布為變量的加熱功率曲線。

加熱機的加熱器通常由多組加熱單元組合而成，加熱單元的尺寸限制了加熱機最小功率調節長度，理想加熱功率曲線實際是以分段擬合的方式實現的，如圖5所示。

圖5 加熱機加熱功率的階梯狀配置

從圖5可以看出以下幾點。

(1)一般情況下，加熱機最小功率調節單元的長度相等，機組中加熱機的運行速度相等，因而每一階梯加熱功率持續時間相等。

(2)通過對再生機組中各加熱機加熱器加熱功率的階梯狀配置，可以將瀝青路面的表面溫度近似控制在180 ℃，但存在部分時刻表層溫度低于180 ℃的情況，因而總的加熱時間會增加。

(3)階梯的數量決定了實際加熱功率曲線與理想加熱功率曲線的接近程度，但要求最小的功率可調整單元長度減小,數量增加，對機器的設計和控制有更高的要求。

5 結 語

(1)瀝青路面最佳的加熱質量、能夠達到的速度和所需要的能耗是由瀝青路面材料自身的熱學特性決定的，不同加熱方式只要不改變熱能從表面輸入的機理，就無法改變瀝青路面的最佳加熱參數。

(2)不同加熱方式加熱瀝青路面的過程差異主要存在于燃料熱值到輸入瀝青路面能量轉換的過程，能否按照瀝青路面加熱要求調整加熱功率是判斷加熱方式能否適用的必要標準。

(3)明火加熱瀝青路面質量差的主要原因是輻射功率已超出了由瀝青路面材料熱學特性決定的加熱功率的上限，且難以調整。紅外輻射加熱和熱風循環加熱均可用于瀝青路面就地熱再生的加熱，區別只在能量轉換的效率和機器作業參數的設計與控制。

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HeatingModesandHeatTransferProcessofAsphaltPavementHotIn-placeRecycling

GU Hai-rong, DONG Qiang-zhu, LI Jin-ping, LIANG Feng-dian, ZHANG Fei,WANG Zuo-jia

(National Engineering Laboratory for Highway Maintenance Equipment, Chang’an University,Xi’an 710064, Shaanxi, China)

In order to study how different heating modes affect the heating effect of asphalt pavement, Energy2D software was used to analyze the process of asphalt pavement temperature change with time under different heating power based on the theory of heat transfer. The ideal heating power curve of the asphalt pavement was obtained. A further analysis of the mechanism of different heating modes affecting the heating process was conducted, and it was pointed out that the heating power and controllability of different heating modes are the key to determine the quality, speed and energy consumption of asphalt pavement heating.

road engineering; asphalt pavement; hot in-place recycling; heating mode

U418.3

B

1000-033X(2017)11-0096-04

2017-03-19

國家自然科學基金項目(51408046)；江蘇省企業創新與成果轉化專項資金項目(BA2013126)；中央高校基本科研業務費資助項目(2013G3254015，2013G1251030，2014G1251025，310825152011，310825151040，310825151042)

顧海榮(1981-)，男，江蘇楊州人，工學博士，副教授，研究方向為公路筑養裝備與施工技術。

[責任編輯:杜衛華]