微波现场加热再生关键问题研究朱松青卜2，史金飞1，王鸿翔1(1．东南大学机械工程学院，江苏南京；2．徐州师范大学电气工程学院，江苏徐州I)摘要：针对沥青路面现场热再生采用红外加热方式存在的不足，介绍了微波加热再生的应用及国内外研究的进展情况，提出微波加热再生要着重解决的加热温度控制、温度测量、辐射防护和技术经济性分析4个关键问题。对2450MHz的微波加热系统，采用辐射型喇叭腔体加热结构，分析比较了场强衰减加热模型和均匀场强加热模型，基于均匀场强模型建立了控制沥青混合料温度分布辐射场型结构的一维微波加热模型；从试验和实际应用的角度对微波加热再生中的温度测量、辐射防护进行了探讨；并比较红外加热再生与微波加热再生的技术经济性，从而说明微波加热再生具有快速、再生率高、无污染等特点，有较好的应用前景关键词：道路工程；现场热再生；微波加热模型；温度测量；辐射防护；技术经济性中图分类号：U416．26文献标识码：AResearch onKeyProblems ofMicrowaveHeating inHotIn—placeRecyclingZHUSong-qin91～，SHIJin—feil，WANGHong-xian91(1．school ofMechanicalEngineering，．SoutheastUniversity，JiangsuN肌jing，China；2．Sehool ofElectricalEngineering，XuzbouNormalUniversiU，JiangsuXuzhou，China)Abstract：In allusion to the shcnlages of hot in—place recycling(HIPR)for asphalt pavements using infrared heming，the application and development of microwave heating recycling are introduced．The four key problems of heming temperature control，temperature measurement，radiation shielding and technical economy are proposed．By using radiate hem cavity structure for microwave heating in2450MHz，it is compared amplitude—attenuation model with uniform amplitude model，and a radiation-type one—dimension microwave heming model hased on uniforul mnplitude model that controls the temperature field distribution in asphalt mixtures is proposed．The temperature measurement and radimion shiekfing in microwave heating recycling are discussed by experiments aM factual applications， and the technical economy of microwave heating recycling is compared with infrared heating recycling．It is shown that the microwave heating recycling is of good application|bregq'ound in hot in—place recycling1)y its rate，high ratio of recycling and non—pollution．Key words：road engineering；hot in—place recycling；lnierowave heating model；temperature measurement；radiation shielding； technical econonlv0引言随着我国高等级公路网体系的逐步完善，通车里程和路龄的逐渐增长，对高等级沥青路面实行高质量保养以及对损坏的沥青路面进行快速维修是当今公路工程技术人员迫切需要解决的问题。为更快速经济地修复路面病害，现场热再生技术已成为日常维护修补的主流技术。1l。在现场热再生中，对路面进行加热不仅要消耗大量的能源，而且直接影响着沥青的使用性能、道路维修的工程成本、生产安全和环境保护，因此采用合适的路面加热方式至关重要。当前国内外应用较广的是红外辐射加热方式，如图1所示。2一。红外辐射加热对路面有较强的穿透能力，能有效地加热到沥青路面的较深层部位。但是，收稿日期：2006-05一11基金项目：教育部科学技术研究重点资助项目(03081，)；江苏省教育厅产业化研究资助项目(JH03004)；江苏省科技成果转化专项资金资助(BA)作者简介：朱松青(1969一)．男．江苏靖江人，博士生，副教授，主要从事交通机械研究(zusongqing@126．001"11)第9期朱松青，等：微波现场加热再生关键问题研究29红外辐射加热属于表面热传导加热方式，它不能解决易使沥青二次老化的加热不均匀问题，极容易出现表面沥青焦化而里层还未达到施工温度的现象，这不但降低路面的实际施工质量，也污染环境；而且采用液化气(LPG)燃烧，也存在安全方面的隐患。金属网火焰面进气管图1红外辐射加热再生不意图Fig．1Sketch of infrared radiation heating recycling20世纪60年代以后，微波作为一种新型能源，已在工业上得到广泛的应用，并拓展成一个分支。微波加热是通过增加材料分子运动的动能来使被加热物体升温，属体积加热，它具有深部加热、热惯性小、控制容易的特点，特别适合导热性能极差的沥青路面的加热，并且不受气候限制，可以全天候工作。将微波加热技术与沥青路面现场热再生技术结合起来，可以更好地解决目前沥青路面加热再生技术中存在的不足。国外对微波加热再生已开展了一些研究。文献[3]使用频率2450MHz的微波系统修复一个长20 in，宽0．5 in，深6 fl的沥青高速公路裂缝，获得很好的试验结果。Thuery研制出总功率达100 kW的2450MHz微波修补工程对高速公路沥青路面裂缝和坑槽进行现场热再生修补的试验。4。。文献[5]验证微波处理沥青混合料能改善沥青料与集料间的黏附力，并提高其抗水腐性能，从而保证路面修补的质量。文献[6]证明，采用常规加热方式只有40％～60％的旧料能进行回收，用微波加热方式能100％的回收而不损害沥青料的性能。文献[7]研究发现，沥青混合料中沥青对微波吸收率很小，只有集料表现出对微波的吸收性能。目前国内对沥青路面温度场分布规律进行了大量的研究拭9I，而在微波加热再生方面的研究起步较晚，仅有的少量相关技术研究，并未取得理想的成果。随着研究的深入，迫切需要解决微波加热再生中的温度控制、温度测量、辐射防护等问题，并对其进行经济性分析。1微波加热再生理论模型为解决微波加热再生中的温度控制，了解和控制沥青混合料在微波加热过程中的电磁场和温度分布是非常重要的。考虑沥青路面加热的特点，可采用如图2所示的辐射型喇叭腔体加热结构。相位一lt心图2微波加热再生不意图Fig．2Sketch of microwave heating recycling对于一个一维模型，假设微波沿通常的石方向进入沥青路面，则可建立一个单位时间和单位体积内的热平衡方程： pC，，万3T=Ⅳ磐+P”，(1)式中，丁为沥青混合料内的温度；P+为单位体积微波功率；f0、C。Ⅳ、彳分别表示密度、比热容、热传导率和传导距离。式(1)中P”值的选取取决于所采用的微波模型，假设沥青混合料在微波加热再生时其材料属性如传热性能、介电性能等是不变的常量，通常微波模型可用场强衰减模型或均匀场强模型表示。场强衰减模型主要适用于微波吸收能力强、衰减深度小的物料。当物料尺寸远大于微波在物料内的渗透深度时，此时微波功率主要损耗在物料表面或接近表面处，只有小部分功率到达物料的内部，这种情况下，可采用场强衰减加热模型，它可用Lambert’S方程来描述物料内的场强分布：P(。)=Pnle一“，(2)式中，P。是初始进入物料的单位面积功率；a是微波衰减率，m。此时式(1)中的P。可表示为：P”=竿=一aP。e～。(3)从式(2)、式(3)可看出，场强衰减模型的适用性主要取决于微波对物料的渗透深度日，它是微波衰减率a的倒数，表征微波进人物料后能量减为原值的36．8％(1／e)处到表面的距离，可由式(4)表示：日：1／d：掣／—F竺：_，(4)√7＼／￡7(、／1+tan‘艿一1)30公路交通科技第24卷式中，厂为微波频率；e7为物料相对介电常数，表征微波穿透物料的能力；tan艿为介质损耗角正切，表征介质吸收微波能量的本领。对于沥青混合料，聚集料为闪长石，当采用频率为2450MHz的微波时，E7=5．8，tancP=0．0344_5J，根据式(4)计算得其渗透深度为23．6 cm，在沥青路面现场热再生修补中，一般修补深度为6～8 em，远小于微波在其内部的渗透深度，应用Lambert’S方程进行计算将出现较大的误差。因此，微波加热再生可采用均匀场强加热模型，此时式(1)中的P。可表示为：P。=0．5561店7tan艿·E：×10—2，(5)式中，E。为沥青路面处的场强。参考图2，设辐射型腔体口径为D。、D：，相位中心到喇叭腔口面的距离为H，喇叭腔口面到沥青路面的距离为h，则喇叭腔出口场强振幅E训为：E乙=器，(6)式中，P为微波源输出功率。当喇叭腔口面离沥青路面较近时，可假设微波到达路面时仍为辐射场型结构，则可得到沥青路面处场强为：碟=塑笨击幽，(7) u n1一 n，n，，＼’／式中，r为路面反射系数，由沥青料性质和喇叭腔结构决定；D．7=(1+h／H)DI，D27=(1+h／H)D2，特别的，当h=0时，D17=DI，D，7=D，。综合式(1)、式(5)和式(7)，可求得微波加热再生沥青路面内的温度分布，从而为温度控制提供理论依据。2微波加热再生温度测量微波加热再生中温度控制特别重要，加热温度太高，会引起沥青老化严重，而且还会降低功效；温度太低，再生剂与旧沥青融合困难，起不到再生作用，从而直接影响沥青路面现场热再生的意义。因此，在微波加热再生中，必须测定微波加热时沥青混合料内的温度。然而，由于强电磁场的存在，使微波场中的温度测量成为一个技术难题。1…。微波场温度测量主要受以下因素制约：(1)传统测温元件如热电偶等测温时，金属材料制成的测温探头及导线在微波场作用下易产生感应电流，由于趋肤效应和涡流效应等，使自身温度升高，对温度测量造成严重干扰，使温度示值产生很大误差或者无法进行稳定的温度测量；(2)金属测温探头在微波场内容易引起微波短路、驻波、间隙放电甚至烧毁测温元件和磁控管等现象；(3)微波场内的高频电压和电流对测温元件引线中传输的较小低频缓变温度电信号的干扰十分严重，而采用电磁屏蔽则又极易造成微波短路。进行室内微波加热再生温度测量试验时，为便于比较，采用不停机测温和停机测温两种方法。方法一是采用改进后具有一定抗电磁干扰能力的K型热电偶进行不停机温度测量，试验装置如图3所示。具体采取如下措施：(1)选用直径很小的热电偶和引线，以减少趋肤效应、涡流效应的影响；(2)采用隔热套对引线进行有效隔热，以减少外界温度对引线的影响；(3)采用导磁率很低的铝箔将引线屏蔽；(4)在引线的输出端，接入高频滤波电容，滤除高频干扰；(5)将热电偶预埋在沥青混合料试样内测温点处。方法二是采用停机测温，沥青混合料表面温度测量用红外测温仪，芯部温度测量用K型热电偶…J。此方法要求试验时动作及时迅速，尽可能减少因停机所带来的测温误差。试验证明停机测温法具有试验装置简单，操作简便，红外测温响应快，精度高的特点，是较适用的方法。1为蒯围路面；2为待修补区域；3为微波辐射喇叭口；4为热电偶；5为引线隔热套及屏蔽层；6为防泄漏装置；7为滤波电容图3改进型热电偶测温试验装置Fig．3Temperature measuring unit with improvement—type thermoeouple野外试验时，考虑到操作方便，将红外测温仪安装在辐射型喇叭腔上部，即路面微波加热板顶部。为了防止由于顶部开孑L而带来的微波泄漏并消除微波对红外测温仪的干扰，在微波加热腔体开孑L处安置一个专门设计的截止波导管，如图4所示，红外光可通过截止波导管中间4,-R，而微波被阻隔在截止波导管的里部。根据得出的温度分布，通过测量被加热的路面病害表面温度折算出其内部温度，从而实现对路面被加热沥青混合料的温度控制。36公路交通科技第24卷性的材料来满足它们的受力要求。沿用传统的路用沥青混合料设计方法，铺装层材料设计参数不能适应桥面铺装层的实际受力状态。可以选择能适应桥面铺装层受力特性和防水要求的嵌挤密实型改性沥青混合料、增强纤维沥青混凝土或改性沥青SMA等优质铺装层材料，使其能较好地适应铺装层的受力要求。参考文献：[2]丁建明，钱振东，杜昕，等．大跨径斜拉桥桥面铺装在活载作用下的力学特点EJ]．公路交通科技，2005，22(9)：90—93．『lo]辛德刚．王哲人，等．高速公路沥青路面材料与结构[M]．北京：人民交通出版社，2001．(上接第27页)参考文献：[1]北京工业大学．土工合成材料在黄土地区公路工程中的应用技术研究[刚．北京：北京工业大学，2005．[2]关文章湿陷性黄土工程性能新篇[M]．西安：西安交通大学出版社，1992．[3]李云峰．黄土渗透性与空隙性关系研究[M]．北京：地质出版社．1994．[4]张志清．湿陷性黄土路基水理性质试验研究[J]．公路，2007(1)：44—47．王立勇，钟原，李军．滨州黄河公路大桥桥面铺装设计与施工[J]．公路交通科技，2005，22(8)：74—77．高雪池，黄晓明，许涛．大跨径桥梁沥青混凝土桥面铺装层力学分析[J]．公路交通科技，2005，22(1)：69—72．邓学钧，黄晓明路面设计原理与方法[M]．北京：人民交通出版社，2001．删014—97，公路沥青路面设计规范[S]．范立础．桥梁工程(下册)[M]．北京：人民交通出版社，1989．JTGB01—2003，公路工程技术标准[s]．许涛．大跨径混凝土桥梁桥面铺装结构研究[D]．南京：东南大学，2004．王震呜．复合材料力学和复合材料结构力学[M]．北京：机械工业出版社，1999[5]李喜安，彭建兵，陈志新．公路路基黄土湿陷性的室内试验研究[J]公路交通科技，2005，22(s2)：93—96．[6]GB，湿陷性黄土地区建筑规范[S]．[7]宁夏公路勘测设计院．宁夏黄土地区公路修筑技术与病害防治研究报告[R]．2001．[8]石名磊，邓学钧土工合成材料在加筋土技术中的应用[J]．重庆交通学院学报，2002，21(2)：6l一64．[9]王钊，王协群．土工合成材料加筋地基设计中的几个问题[J]．岩土工程学报，2000，22(4)：503—505．[10]朱湘，黄晓明，邓学均．加筋路堤圆弧滑动稳定性验算公式的改进[J]．东南大学学报，1999，29(5)：109一112．、p、．，P：：≯—≯’j’、。．产、。j’9、户‘÷’o≯、户、．，÷’≯、夕、二；≯、‘≯、二妒、：，。、●’户、户。产、户t户卢，P、：≯’、二p、。≯、=j’矿-产、户、．p 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