沥青路面就地热再生加热方式与传热过程

顾海荣，董强柱，李金平，梁奉典，张 飞，王作家

(长安大学 公路养护装备国家工程实验室，陕西 西安 710064)

沥青路面就地热再生加热方式与传热过程

顾海荣，董强柱，李金平，梁奉典，张 飞，王作家

(长安大学 公路养护装备国家工程实验室，陕西 西安 710064)

为了研究加热方式对沥青路面加热效果的影响，基于传热学理论，采用Energy2D软件对不同加热功率下沥青路面温度随时间变化的过程进行分析，得出了沥青路面的理想加热功率曲线；并进一步分析不同加热方式影响加热过程的机理，指出不同加热方式的加热功率及其可控性是决定沥青路面加热质量、速度和能耗的关键。

道路工程；沥青路面；就地热再生；加热方式

0 引 言

沥青路面就地热再生过程中，所采用的加热方式主要有明火加热、红外加热和热风循环加热[1]。这几种方式中，除了明火加热被公认为会造成表层沥青过度老化外，红外加热和热风循环加热孰优孰劣的问题尚未有一致的结论，是工程技术人员和设备生产厂家争执的焦点问题[2]。

本文基于传热学理论，从沥青路面材料传热特性的角度分析不同加热方式影响沥青路面传热过程的机理，并比较加热参数对加热质量、加热速度和加热能耗的影响，为工程应用及设备厂家确定机器作业参数提供参考。

1 沥青路面加热过程中的传热方程

就地热再生过程中，为了减少机具破碎集料对再生料的级配造成影响，首先要对沥青路面进行加热、软化，以消除沥青在骨料之间形成的黏结力。工程中，通常要将再生深度范围内的沥青路面材料加热到100 ℃以上[3]。

沥青路面在破碎以前是以整体密实的结构形态存在，无论是明火加热、红外加热或是热风循环加热，加热器只能从沥青路面上方输入加热能量。加热器与沥青路面之间的热能交换均发生沥青路面表面，如图1所示。

图1 就地热再生加热原理

对任一沥青路面材料微元控制体积，其傅里叶非稳态导热微分方程的一般形式为

(1)

式中：T为沥青路面材料温度(℃)；t为加热时间(s)；Φ为单位体积介质的内热源的热能产生速率(W·m-3)；λ为沥青路面材料的传热系数(W·(m·K)-1)；ρ为沥青路面材料的密度(kg·m-3)；c为沥青路面材料的比热容(J·(kg·K)-1)。

(2)

式中：qx为与传输方向x相垂直的单位面积上的传热速率，即通过x方向的热流密度。

类似的表达式也可用于y和z方向上的热流密度计算。

当导热系数为常数且无内热源时，导热微分方程可简化成

(3)

2 沥青路面加热模型

David H. Timm等在文献中将沥青路面传热模型分为4层：沥青混凝土层、级配碎石稳定层、土基层和绝热层[4]，每层材料的热学参数见表1[5-6]。

本文借助Energy2D软件[7]建立沥青路面加热过程中的传热模型，模拟沥青路面的加热过程[8-12]。

(1)热能从上方和左右侧密闭的热源(模拟加热器)输出，对沥青路面加热，加热器宽度为4 m，沥青路面宽度为8 m(不考虑纵向的影响)。

表1 沥青道路材料热学参数

(2)沥青路面结构层包括：18 cm厚的沥青混凝土层、40 cm厚的水泥稳定碎石层、80 cm厚的土基层。各层材料热学参数设置同表1。

沥青路面加热过程中内部温度场和热流传输路线模拟结果见图2。

图2 沥青路面加热过程中的温度场和热能传递路线

从图2可以看出以下几点。

(1)在加热器和沥青路面之间密闭良好的情况下，热能除了加热再生的沥青路面材料以外，还会继续沿深度方向向下传递，加热水泥稳定碎石层和土基层。

(2)加热器输出的热能沿横向会向两侧传递，以加热周围的沥青路面，可以推知，热能沿纵向也会向前后传递；但就地热再生机组中的加热机是纵向行驶，顺次对整个路面进行加热，沿纵向方向的传递热能较少，几乎不会产生浪费。

(3)除在靠近加热器边沿的两侧热能会向侧向传递外，加热器正下方绝大多数区域的热能只沿深度方向向下传递，满足一维传热的条件。

(4)加热器下方的沥青路面材料沿深度方向的温度场存在明显梯度，表层温度最高，沿深度方向递减。

3 沥青路面加热过程模拟

分别对沥青路面表层温度设定为200 ℃、180 ℃和160 ℃三种情况下的沥青路面加热过程进行模拟，在再生深度的温度达到100 ℃时即可停止。提取加热过程中4 cm深处的沥青路面材料的温度变化曲线(图3)以及表层输入沥青路面的热流密度随时间的变化曲线(图4)。

图3 沥青路面加热过程中4 cm深处温度随时间的变化曲线

图4 沥青路面加热过程中输入沥青路面的热流密度随时间的变化曲线

由图3、4可以看出以下几点。

(1)沥青路面表面温度维持在200 ℃、180 ℃、160 ℃时，深度4 cm处温度达到100 ℃所需时间分别为23、29、41 min，即沥青路面表面温度越高，温升速度越快，完成加热所需时间越短。

(2)随着加热进程的推进，沥青路面内部材料的温度在升高，维持沥青路面表面温度恒定所需的加热热流密度逐渐减小；初始阶段，所需加热热流密度下降较快，然后逐渐趋于平缓。

(3)对图4曲线进行积分，可以得到沥青路面表面温度维持在200 ℃、180 ℃、160 ℃时，完成沥青路面加热所需加热功率分别为9.4×106、9.5×106、10.1×106J·m-2，即表面温度越高，完成加热所需总能量越少。主要原因是，完成加热所需时间减少，热能沿深度方向和侧向方向传递的损失在减小。

(4)当输入沥青路面的热流密度大于图4所示曲线时，沥青路面表面温度将高于期望值，增加沥青老化程度；当输入沥青路面的热流密度低于图4所示曲线时，沥青路面表层温度将低于期望值，加热速度减慢。

因此，要获得最快的加热速度，沥青路面表面温度要维持在允许的最高值。根据目前普遍的观点，沥青路面表层温度在180 ℃以下，沥青不会发生过度老化，即加热机的加热功率应按照沥青路面表层温度维持在180 ℃时的热流密度曲线进行调节。

4 不同加热方式的加热功率控制

4.1 加热功率调整方式

辐射加热方式加热器的输出功率满足斯蒂芬-波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律，即

E=εσT4

(4)

式中：E为辐射功率(W)；ε为表面辐射系数；σ为斯蒂芬常数，σ=5.67×10-8(W·(m-2·K-4))；T为辐射体温度(K)。

从式(4)可以看出，控制辐射加热输出功率的主要方法是控制辐射体的温度，具体措施如下。

(1)明火加热中，火焰温度难以调节且温度非常高，因此直接加热路面会出现因加热功率过大而导致的沥青路面老化严重甚至焦化现象。

(2)红外辐射加热中，火焰加热红外发射体，由红外发射体向沥青路面辐射能量，可以通过控制红外发射体的温度控制辐射功率，使其按照图4所示的功率曲线进行调整，以保证沥青路面的加热质量。

对流加热方式输入沥青路面的功率可根据牛顿冷却定律推导得出，即

(5)

从式(5)可以看出：热风循环加热沥青路面的功率控制，可以通过调节热风的温度或热风的循环速度(改变对流换热系数)来实现。热风温度越高，循环速度越快，输入沥青路面的能量就越大，反之越小。因而热风循环加热也能够满足输入沥青路面的加热功率的控制，保证沥青路面的加热质量。

4.2 加热功率的分段调整

图4所示曲线是理想的加热功率曲线，但在实际作业过程中，加热机是在行进过程中对沥青路面进行加热的，以时间为变量的加热功率曲线要转变成以加热机行进速度和纵向加热功率分布为变量的加热功率曲线。

加热机的加热器通常由多组加热单元组合而成，加热单元的尺寸限制了加热机最小功率调节长度，理想加热功率曲线实际是以分段拟合的方式实现的，如图5所示。

图5 加热机加热功率的阶梯状配置

从图5可以看出以下几点。

(1)一般情况下，加热机最小功率调节单元的长度相等，机组中加热机的运行速度相等，因而每一阶梯加热功率持续时间相等。

(2)通过对再生机组中各加热机加热器加热功率的阶梯状配置，可以将沥青路面的表面温度近似控制在180 ℃，但存在部分时刻表层温度低于180 ℃的情况，因而总的加热时间会增加。

(3)阶梯的数量决定了实际加热功率曲线与理想加热功率曲线的接近程度，但要求最小的功率可调整单元长度减小,数量增加，对机器的设计和控制有更高的要求。

5 结 语

(1)沥青路面最佳的加热质量、能够达到的速度和所需要的能耗是由沥青路面材料自身的热学特性决定的，不同加热方式只要不改变热能从表面输入的机理，就无法改变沥青路面的最佳加热参数。

(2)不同加热方式加热沥青路面的过程差异主要存在于燃料热值到输入沥青路面能量转换的过程，能否按照沥青路面加热要求调整加热功率是判断加热方式能否适用的必要标准。

(3)明火加热沥青路面质量差的主要原因是辐射功率已超出了由沥青路面材料热学特性决定的加热功率的上限，且难以调整。红外辐射加热和热风循环加热均可用于沥青路面就地热再生的加热，区别只在能量转换的效率和机器作业参数的设计与控制。

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[2] 郭小宏,李朋伟,欧阳结新,等.沥青路面就地热再生加热机的加热方式对比[J].筑路机械与施工机械化,2014,31(2):62-64.

[3] 董强柱,顾海荣,张 珲,等.就地热再生过程中的沥青路面加热功率控制[J].中国公路学报,2016,29(4):153-158.

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[6] SANCHEZ D,ANGEL M.A Study of the Thermal Interactions of Sustainable Asphalt Concrete Pavements[D].Auburn:Auburn University,2013.

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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

国家自然科学基金项目(51408046)；江苏省企业创新与成果转化专项资金项目(BA2013126)；中央高校基本科研业务费资助项目(2013G3254015，2013G1251030，2014G1251025，310825152011，310825151040，310825151042)

顾海荣(1981-)，男，江苏杨州人，工学博士，副教授，研究方向为公路筑养装备与施工技术。

[责任编辑:杜卫华]