吸波沥青混合料路面材料设计

袁 斌 刘銮成 李敬才

0 引言

微波加热养护是目前最新、最先进的沥青路面养护方法，它是将电能通过磁控管转换成微波功率，经过一定的安全保障结构近距离向路面辐射。处于微波覆盖范围内的沥青混凝土吸收微波后，极性分子在高频电磁的作用下做高速的轮摆运动，分子间产生摩擦，温度随之升高，由于是介质自身产生热能，因此其加热效率是其他加热方式无法比拟的。微波加热沥青混合料是一种全新的加热方式［1］。

沥青路面微波养护技术具有修复速度快、加热均匀、温度梯度小、热量散失少、无明火、无弱接缝和弱接面、修复质量高等优点，并能实现旧沥青料重复利用，符合国家节能减排、环境保护的要求［2］。微波加热是介质材料自身损耗电磁场能量而发热。使用微波热再生技术进行沥青路面病害修补有着明显的优势，能够深层加热路面，而且不会将原有的沥青混凝土烧焦［3］。微波热再生技术可应用到沥青路面的坑槽、壅包、裂缝、翻浆、沉陷、车辙、松散等病害的及时修复。它具有加热均匀、控制及时、无污染等优越性，应用于沥青路面的现场热再生，满足高等级公路快速进入、快速作业、快速撤离的工作要求。

微波加热的特点如下:

1)加热速度快;

2)均匀加热;

3)节能高效;

4)易于控制;

5)安全无害。

总之，采用微波加热沥青混合料技术可以提高施工效率，实现流水施工，降低能耗，减少沥青老化，提高路面工程质量［4，5］。

1 理论分析

微波是指频率在300 MHz～300×103MHz的电磁波。在微波电磁场的作用下，介质中的极性分子从原来的热运动状态转为跟随微波电磁场的交变而排列取向。例如:采用的微波频率为2 450 MHz，就会出现每秒24亿5千万次交变，分子间就会产生激烈的摩擦。在这一微观过程中，微波能量转化为介质内的热量，使混合料温度呈现为宏观上的升高(家用微波炉和微波养护设备均采用 2 450 MHz)，如图1 所示［1］。由此可见微波加热是介质材料自身损耗电磁能量而加热，微波加热的基本条件是:材料本身要吸收微波。

图1 微波加热沥青混合料热传递原理

2 原材料

1)集料:采用连续级配的普通石灰岩集料和铁矿石集料，性能指标见表1。

表1 集料的性能指标

2)矿粉:石灰岩矿粉和铁矿石矿粉，密度分别为2.826 g/cm3和 3.141 g/cm3，无结团现象。

3)沥青:90号道路沥青，密度为 1.050 g·cm P－3P，针入度(25 ℃，100 g，5 s)为81 mm(0.01 mm)，软化点(tBR＆BB)为68 ℃，延度(5 ℃，5 cm·min P－1P)为55 cm。

3 试验结果与讨论

根据JTG F40-2004公路沥青路面施工技术规范中AC-13沥青基复合材料级配要求，采用表2集料级配，最佳油石比为4.6%;同时根据等体积原则，将按级配设计范围得到的配合比除以体积密度，作为各种集料的体积配合比，利用体积分数30%的铁矿石代替普通石灰岩集料和石灰岩矿粉。先将石灰石集料、铁矿石集料和石灰石矿粉在175℃条件下烘干24 h，在185℃条件下将沥青与集料拌和均匀，最后加入矿粉并拌和均匀，由此制备沥青混合料。

表2 集料级配

在200 kN的压力和170℃条件下压制成直径40 mm，厚度26 mm的统一尺寸试样，在0.5 kW的微波输出功率的微波炉内进行加热试验，传统沥青混凝土和吸波沥青混凝土微波加热效果分别见图2，图3。

图2 普通沥青混合料微波加热效果图

图2和图3表明，传统沥青混凝土微波加热60 s，温度由19℃上升到24℃;而微波沥青混凝土，加热60 s后温度由19℃上升到102℃;升温效率提高了16倍。

图3 吸波沥青混凝土微波加热效果图

从理论角度分析可知，由电磁场理论知，作为微波加热区的箱体是一个多模谐振腔，进入该加热区的微波总功率消耗分为充填介质功率损耗、腔体内贮能和腔壁能耗三部分。经计算，单位体积充填介质耗散吸收微波功率为:

W=55.61fε'tanδ·E2m×10－12。

其中，W为吸收微波功率，W/cm3;f为微波频率，GHz;Em为电磁场强度，V/m;ε'为介电常数虚步;tanδ为损耗角正切。由于腔体为金属材料制成，故腔壁吸收微波的损耗仅占总耗散功率的极小部分。因此，进入腔体的绝大部分微波能量被充填介质吸收耗散，从而可以看出微波加热具有能量利用高的特点。

另外，物料最后的热量等于介质吸收的热量和水分蒸发及物料输送过程损失的代数和。若简化之，取物料为热平衡稳定状态，并假定物料无水分蒸发相变和传送，则结合热边界条件可知两端为绝热面的圆柱体在微波电磁场中成为体热源时，其侧向温度场分布取决于体内的功率密度平均值和散热系数，并且具有柱体中心温度高于柱体侧向表面的对称分布状态。由此看出，微波加热具有均匀性和高效性的特征。

4 结语

吸波沥青混合料具有明显的升温效率高的特点;传统沥青混凝土微波加热60 s，温度由19℃上升到24℃;而微波沥青混凝土，加热60 s后温度由19℃上升到102℃，升温效率提高了16倍。

［1］ 朱松青，史金飞，刘海宽，等.微波加热湿旧沥青混合料的传热传质研究［J］.中国公路学报，2009，22(1):120-126.

［2］ Zhu Songqing，Shi Jinfe.Structural design and experimental research of microwave radiation heater for asphalt pavements［J］.Journal of Southeast University(English Edition)，2009，25(1):68-73.

［3］ 李万莉，于睿坤，朱福民.沥青路面再生机微波加热机理及数值模拟［J］.同济大学学报(自然科学版)，2007，35(4):472-477.

［4］ 朱松青，史金飞，孙铜生.微波在沥青路面养护中的应用研究［J］.材料导报，2007，21(11):286-290.

［5］ 高子渝，焦生杰.微波加热旧沥青混合料的应用研究［J］.筑路机械与施工机械化，2006(10):29-31.