基于微波加熱技術的快速智能路面裂縫養護裝置

摘 要：本項目研發了一種瀝青路面裂縫智能養護車以及一種高吸波特性的新型貼縫帶。通過微波加熱新型瀝青貼縫帶，使瀝青混合料均勻填充到裂縫的表面和內部，從而達到修補裂縫的目的。同時養護車兼備裂縫識別與路徑規劃功能，因此能夠準確、高效地進行養護作業。

關鍵詞：微波加熱；養護車；貼縫帶；裂縫識別；路徑規劃

1 作品介紹

目前，國家高速公路瀝青路面工程發展已步入“建養并重”的關鍵階段，養護部門愈發注重路面的病害處治，小修小補深度養護成為阻止裂縫病害過快發展的主要手段。路面裂縫會造成道路內部凍脹、礦料腐蝕和剝落等局部破壞，是影響道路使用壽命和行車安全的主要問題之一。然而，當前以人工參與為主的傳統養護方式存在施工效率低、自動化程度低、能源消耗大的問題，因此需要更加高效和環保的養護技術。

基于此，本項目研發了一種瀝青路面裂縫智能養護車以及一種高吸波特性的新型貼縫帶。團隊通過多次試驗與仿真，從眾多材料中篩選出羰基鐵粉和瀝青混合料。在此基礎上，團隊進一步優化材料的配比和結構，最終使新型貼縫帶吸波率高達94%。在實際養護作業中，養護車通過預壓輪將新型貼縫帶壓實到裂縫上，通過波導管發射2 450 MHz微波對新型貼縫帶與周圍瀝青路面加熱，使熔化后的瀝青膠漿與路面瀝青達到浸潤效果，均勻填充到裂縫中，從而完成裂縫修補。此外，養護車具備基于A-star算法的路徑規劃與裂縫識別功能。團隊針對裂縫的特征，對A-star算法的啟發式函數進行了創新性改進，使路徑規劃準確率高達97%，實現了對道路裂縫的精準修補。

2 技術原理

2.1 瀝青路面裂縫快速修復材料設計與修復工藝

養護車可通過不同的修補方式來修補不同種類的裂縫。當裂縫寬度小于3 mm時，養護車直接加熱瀝青路面使其自愈合，并通過預壓輪碾壓的物理性推動作用實現對裂縫的修復。當裂縫寬度大于3 mm時，波導管通過加熱新型貼縫帶與周圍瀝青路面，使瀝青膠漿與路面瀝青達到浸潤效果，完成對裂縫的修復。工作流程如圖1所示。

對于瀝青路面裂縫快速修復材料的設計，即新型貼縫帶，團隊通過查閱資料和材料測試，確定其組成為瀝青、羰基鐵粉與膠黏劑。隨后，運用CST仿真軟件對貼縫帶的吸波性能進行模擬測試，并針對由羰基鐵粉和瀝青分層疊加制成的貼縫帶進行微波加熱仿真實驗，最終選取部分樣品進行實際測試。貼縫帶尺寸為50 mm×50 mm×5 mm，在2 450 MHz頻率下，羰基鐵粉的介電常數實部為37.868 9，虛部為17.156；瀝青的介電常數實部為2.5，虛部為0.002 5。通過分析測試結果和查閱資料發現，由于羰基鐵粉介電常數的虛部較大，能夠更好地將微波能量轉化為熱能，但由于介電常數過大，導致阻抗失配，致使絕大多數微波接觸到材料表面時被直接反射到自由空間，因此將貼縫帶的內部填充物換為羰基鐵粉與瀝青的混合物。

由于每條道路裂縫的寬度與深度不同，若用同一功率加熱貼縫帶修補裂縫可能導致因加熱功率過大而消耗過多能源或因加熱功率較小導致修補效果不佳。波導管作為養護車發射微波的裝置，其與微波功率動態調控器結合來解決此問題。團隊推導出養護車行駛的速度和波導管加熱功率之間的關系式，針對裂縫的寬度與深度，通過微波功率動態調控器根據養護車行駛的速度來自動調整波導管功率，以達到按需加熱、節約能源的目的。

2.2 多尺度裂縫智能識別系統路徑規劃

團隊開發出一套多尺度裂縫智能識別系統，其工作流程如下：用戶首先載入ROS數據包并獲取點云地圖；隨后，系統對點云地圖進行地面提取，并計算地面不平度；最終，通過數據可視化界面向用戶展示裂縫信息，并提供數據保存功能。多尺度裂縫智能識別系統如圖2所示。

養護車通過視覺傳感器對道路裂縫進行掃描，提取出裂縫的形狀、長度、寬度、深度等特征，并將信息上傳至控制端，養護車根據裂縫信息進行自主路徑規劃。面對錯綜復雜的高速公路裂縫追蹤任務，團隊選擇A-star算法，相較于Dijkstra算法盲目地遍歷所有可能路徑，該算法通過設計的啟發式函數，能夠有效引導搜索過程，縮小了搜索空間，從而更快找到最優路徑。此算法解決了養護車行駛狀態生硬的問題，路徑規劃的準確率高達97%。

2.3 養護車構成與小型化設計

該養護車集快速、智能、安全、節約等優勢于一體，其外觀與內部結構如圖3所示。

該新型路面裂縫養護裝置主要包括預壓輪、波導管、微波動態調控器、視覺傳感器、永磁調速器等。其中，預壓輪負責壓實貼縫帶與周圍的瀝青路面；波導管功率為3 000 W，發射2 450 MHz微波對貼縫帶進行加熱并使其熔化以達到修補裂縫的效果；微波動態調控器與車載速度傳感器相結合，根據裝置行駛速度來調控波導管發射微波的功率；視覺傳感器用于識別路面裂縫并通過主控板將裂縫信息上傳至裂縫識別平臺，通過分析裂縫的形狀、大小、深度等特征提出裂縫修補方案；永磁調速器與車載速度傳感器結合，將線速度信號轉化成角速度，通過不斷調節轉速將貼縫帶與隔離帶的受力控制在合理區間，以保證裝置平穩運行。

養護車長1.5 m，寬1 m，高1.3 m，通過充分利用內部空間，實現了小型化設計。

3 創新點

（1）裂縫修補材料新。團隊創新性地設計出以羰基鐵粉和瀝青制成的新型貼縫帶，并使其能夠通過微波加熱熔化來修補裂縫，突破了原有貼縫帶手撕腳踩修補裂縫的局限。同時，此貼縫帶具有高吸波特性，可以使養護車修補裂縫的速度達到2 000～3 000 m/h，相較于現有的道路養護車修補速度提高約30%。此外，此新型貼縫帶充分利用了鐵尾礦等固廢材料，實現了綠色環保的目標。

（2）裂縫修補方式新。目前，道路裂縫修補主要采用灌縫和貼縫兩種方式，其中灌縫又分為開槽灌縫和直接灌縫，但這些方法會破壞路面結構。本項目采用微波加熱作為裂縫修補的核心工藝，相比傳統修復技術，具有修補速度快、質量高、使用壽命長的優勢。此外，結合波導管與微波功率動態調控技術，進一步提升了該修補方式的創新性。通過建立養護車行駛速度與加熱功率的調控關系，系統可根據裂縫尺寸實時調整微波輸出功率，有效解決了道路養護領域能耗過高的問題。