微波輔助加熱材料對瀝青混合料的影響

沈欣欣，張 楊

（1.金陵科技學院，江蘇 南京 211169；2.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112）

江蘇省作為中國高等級公路建設和養護的典型省份，“十三五”末省內大部分高速的服役年限已超過10 年，江蘇省高速公路的建養模式由“建養并重”向“養護優先”轉變[1]。就地熱再生技術可實現舊瀝青路面銑刨料50%~100%的利用，就地熱再生工藝在瀝青路面養護與維修中得到了廣泛應用[2]。傳統的就地熱再生存在著路表溫度過高、瀝青老化嚴重、面層受熱不均勻、環境污染嚴重等問題。而新型的微波加熱瀝青路面技術，具有加熱均勻好，不會產生原路面瀝青的老化等優點，長安大學等科研院所長期致力于微波加熱瀝青路面的研究[3-5]。趙華[6]提出磁鐵礦粉復合改性瀝青混合料微波吸收性能的優化設計，研究成果適用于微波加熱路面養護。鄭志濤等[7]通過在瀝青混合料中摻加二氧化錳，提高了微波對道路表面的修補。蔡園等[8]綜述了國內外路用吸波材料在道路養護中的應用以及吸波瀝青混合料的發展趨勢。袁斌等[9]利用磁鐵礦石集料制備的瀝青混合料具有較好的微波吸收特性。關博文等[10]以磁鐵礦粉制備的瀝青混合料具有較大的復介電常數，電磁損耗較小，吸波性能優異。

綜上所述，國內外學者多將吸波材料作為大粒徑的骨料制備成瀝青混合料來提高微波的加熱溫升效率，該方式在就地熱再生工藝中難以實現。因此，本文基于微波輔助加熱材料的研發，研究了微波輔助加熱材料對瀝青混合料的影響。

1 微波輔助加熱材料的制備與性能評價

1.1 原材料

吸波材料：磁鐵礦粉，粒徑大小為800 目，黑色粉末，具有良好的吸波特性，如圖1 所示。

圖1 吸波材料

分散劑：六偏磷酸鈉（TAMOL-N），粒徑大小為500 目，相對密度2.347 g/cm3，棕色粉末狀，可加速添加劑的擴散速度，縮短分散時間，如圖2 所示。

圖2 分散劑

粘結劑：羥丙甲纖維素（HPMC），白色或類白色粉末狀，粒徑大小為200 目，相對密度1.39 g/cm3，能加強材料與物質的吸附作用，如圖3 所示。

圖3 粘結劑

1.2 微波輔助加熱材料的制備

微波輔助加熱材料（記為MAHM）由吸波材料、分散劑和粘結劑復合而成。其中分散劑和粘結劑的摻量分別為吸波材料質量的0.2%，將三者混合均勻后，利用小型復拌機進行攪拌，復拌機的轉速為200~300 r/min，待三者攪拌均勻后，密封置于室內陰涼處備用，嚴禁吸波材料受潮。

1.3 MAHM 的溫度敏感性

為驗證MAHM 的高溫穩定性，實驗室取適量的MAHM置于馬弗爐內，調節馬弗爐的溫度分別為常溫、300 ℃、400 ℃、500 ℃，對比MAHM 的理化特性變化，試驗結果如圖4 所示。

圖4 不同溫度作用下MAHM 的變化

由圖4 可以看出，MAHM 在高溫作用下，從常溫到500 ℃由黑色變成紅棕色，溫度越高反應越明顯。分析原因可知，MAHM 中吸波材料的主要成分是Fe3O4，在高溫作用下，極易氧化成Fe2O3，Fe 元素由+2 價變為+3 價，吸波材料由鐵磁性向順磁性轉變，材料的吸波性能降低，MAHM就有較高的溫度敏感性。

2 微波輔助加熱材料對瀝青混合料性能的影響

2.1 MAHM 對瀝青混合料溫升的影響

基于體積置換法成型不同摻量MAHM 的石灰巖AC-13和玄武巖SMA-13 瀝青混合料，室內采用工作頻率為2 450 MHz 的微波爐對瀝青混合料進行加熱試驗，微波加熱不同類型瀝青混合料的溫度變化如表1 和表2 所示。

表1 微波加熱一定時間后AC-13 瀝青混合料的溫度（單位：℃）

表2 微波加熱一定時間后SMA-13 瀝青混合料的溫度（單位：℃）

由表1 可知，隨著微波加熱時間的延長，當MAHM 摻量由0.1%增加到2%時，石灰巖AC-13 瀝青混合料的溫度隨MAHM 摻量的增加呈先快速增大后穩定的趨勢。

當微波加熱8 min，且MAHM 的摻量為礦料的1%時，石灰巖AC-13 瀝青混合料的吸波升溫性能提高80%。確定石灰巖AC-13 瀝青混合料的MAHM 的摻量為礦料質量的1%。

由表2 可知，微波加熱5 min，當MAHM 摻量分別為礦料的2.0%、5.0%時，玄武巖SMA-13 瀝青混合料的加熱溫度與未摻加MAHM 的SMA-13 瀝青混合料相比，從140.1 ℃提高到164.1 ℃、167 ℃，溫升速率從22.62 ℃/min提高到27.42 ℃/min、28 ℃/min，確定玄武巖SMA-13 瀝青混合料的MAHM 的摻量為礦料質量的2%。

2.2 MAHM 的摻加對瀝青混合料性能的影響

為驗證MAHM 的摻加對瀝青混合料路用性能的影響，室內成型摻加1%的MAHM 的石灰巖AC-13 瀝青混合料，分別進行高溫性能、低溫性能試驗，試驗結果如表3~表5所示。

表3 車轍試驗結果

表4 凍融劈裂試驗結果

表5 低溫小梁彎曲試驗結果

表5（續）

綜合瀝青混合料的室內試驗結果可知，摻加MAHM 的瀝青混合料與未摻加MAHM 的瀝青混合料的高溫性和低溫抗裂性能相近，表明MAHM 的摻加對瀝青混合料的路用性能影響較小。

3 結論

本文通過對微波輔助加熱材料的研發以及微波輔助加熱材料對瀝青混合料性能的影響，主要結論如下：①MAHM對溫度變化較為敏感，隨著溫度的提高，MAHM 由鐵磁性向順磁性轉變，吸波能力衰減；②基于MAHM 對微波加熱不同類型瀝青混合料的溫升效果，MAHM 在石灰巖AC-13和玄武巖SMA-13 瀝青混合料中的摻量分別為1%和2%；③MAHM 的摻加對微波加熱瀝青混合料具有較好的溫度提升效果，且不影響瀝青混合料的路用性能。