三种吸波材料对微波加热效率的影响

张富强，焦生杰，马小康，张 陈

(1. 长安大学 公路养护装备国家工程实验室，陕西 西安 710064；2.江苏集萃道路工程技术与装备研究所有限公司，江苏 徐州 221004)

0 引 言

由于微波加热技术具有可选择性加热、加热温度均匀、对沥青损害小等优势[1-4]，近年来已在沥青路面中被广泛应用。关于吸波材料对微波加热效率的影响，许多学者也做了相应的研究。1989年，Osborne和Hutcheson在沥青混合料中加入一种微波吸收剂，来提高微波加热沥青混合料的效果。1995年，Long H W在沥青混合料中加入有较强吸波性能的无烟煤，提高微波加热沥青混合料的加热效率。2003年，David M Hopstock博士提出用铁燧石替代沥青混合料中的传统骨料，来提高道路微波吸收能力，从而达到快速除冰的目的[5]。许卫东的研究表明，在混凝土中加入微波吸波材料，改善了混凝土对微波的吸收能力[6]。范晓正用硫铁矿烧渣制备成吸波骨料，提高了沥青混凝土的吸波性能[7]。长安大学唐相伟、焦生杰等进行了道路路面微波除冰效率的相关研究工作，在沥青混合料中加入了一种磁性物质，使沥青路面的微波吸收能力明显增强，道路表面除冰效率提高[8]。安徽理工大学郑志涛等通过在AC-16沥青混合料中添加二氧化锰和玄武岩纤维复合材料，提高微波对道路表面的修补效率[9]。刘士全研究了碳纤维对碎石封层材料电磁波性能的影响，结果表明，掺入碳纤维的沥青碎石封层微波加热性能得到大幅提高[10]。

1 微波加热原理

当极性分子处于微波场中，在电磁场的作用下，介质材料中会形成偶极子，已有的偶极子会重新排列，并随着高频交变电磁场以高达每秒数亿次的速度摆动。分子要随着不断变化的高频电磁场的方向重新排列，就会克服分子原有的热运动和分子相互作用的干扰和阻碍，产生激烈的摩擦。在这一微观过程中，微波能量转化为介质的热量，宏观的表现就是介质温度升高。

介质材料由极性分子和非极性分子组成。在电磁场的作用下，介质中的极性分子会改变原来的排布方式，按照电场的极性排列取向。在高频电磁场的作用下，这些极性分子的取向不断变化，产生类似“摩擦”的运动，产生热量。此时交变电场的场能转化为介质内的热能，使其温度不断升高。

由电磁场理论可知，任何一种物质在微波电场的作用下，单位体积内的功率耗散转变为热能，其吸收功率

(1)

由式(1)可知，当微波的频率、电场强度一定时，单位体积内的功率损耗密度材料的相对介电常数与介质损耗角成正比。因此，在沥青混合料中加入碳黑、磁铁矿粉、软磁粉等可以提高沥青混合料的相对介电常数和介电损耗正切的吸波材料，能够提高微波加热沥青混合料的效率。

2 试验方案

2.1 试验装置及仪器

采用以玄武岩为骨料的旧沥青混合料配制AC-13混合料，并在其中分别加入不同掺量的碳黑、磁铁矿粉、软磁粉3种吸波材料，研究其对微波加热效率的影响。

试验装置采用单个波导天线微波加热源对旧沥青混合料进行加热。试验装置由单个波导天线(频率为2.45 GHz)、电源、盛料箱1(盛放旧沥青混合料)、盛料箱2(盛放常温自来水)、水冷管以及导线组成。试验装置实物及示意如图1所示。测试仪器有手持式热电偶、电子天平等。

图1 试验装置

2.2 试验对象

因需要多次试验，为了避免每次试验对象差异对试验结果造成的影响，试验中用振动筛分仪对以玄武岩为骨料的旧沥青路面混合料进行筛分，筛成不同粒径的料堆，然后按照级配AC-13配制试验对象，下文统称为AC-13沥青混合料。表1为AC-13沥青混合料的设计级配，图2为AC-13沥青混合料的级配曲线。

2.3 试验原理

本文采取的试验方法如下：在AC-13混合料中加入不同掺量的吸波材料，再用单个波导天线对其加热，通过预埋在AC-13混合料中的热电偶的终了温度来评价吸波材料对微波加热效率的影响。通过多次试验发现，在进行一种吸波材料掺量的同组试验中，组中试验结果波动太大，热电偶的终了温度差异较大，无法稳定下来。随后经分析发现，由于吸波材料掺量太小，导致其与AC-13沥青混合料充分混合，吸波材料多的地方温度较高，吸波材料掺量低的地方温度较低。

表1 AC-13沥青混合料的设计级配

图2 AC-13沥青混合料的级配曲线

随后，本文采用间接方法来测量吸波材料对微波加热旧沥青混合料效率的影响，通过容器2中盛放的自来水吸收的能量，来间接反映3种吸波材料掺量对微波加热旧沥青混合料效率的影响。采用此试验方法，无论吸波材料与AC-13混合料是否均匀混合，容器2中的水吸收的能量都不会有太大的波动。当容器2中AC-13沥青混合料中加入相应掺量的吸波材料时，相较于不加吸波材料，其吸收的能量会增加，而容器1中自来水吸收的能量会减少，通过自来水吸收能量的变化，可以求出吸波材料对微波加热效率的提升程度。具体试验步骤如下。

步骤一：首先测出当容器2中无料时容器1中自来水的加热效率。取室温下一定质量的水，记录其质量m1以及温度t1，放于容器2中。将波导天线放置于容器上方，加热一定时间T后，用手持式热电偶测定水的温度t2及此时水的质量m2。可以计算出水吸收的总热量Q1。水吸收的总热量被分为两部分利用：一部分热量q1使水的整体温升，称为水吸收的热量；另外一部分为水局部吸收的热量q2，导致少量水的气化，称为水的气化热。那么水在指定时间T内吸收的能量为

Q1=q1+q2=c·m1·(t2-t1)·T+

c·(m1-m2)·(100-t1)·T

(2)

式中：c为水的比热容；m1、m2分别为加热前后测量的水的质量；t1、t2为加热前后测量的水的温度;T为加热时间。

试验采用的磁控管功率P为1.6 kW·h-1,可以计算指定时间内磁控管的输出能量Q2，水的加热效率η1=(Q1/Q2)×100%。

步骤二：测出容器1中加AC-13混合料时，自来水的加热效率，再计算出此时AC-13混合料的吸收效率。在容器1中放入一定质量的AC-13混合料，再取室温下一定质量的水记录其质量m3以及温度t3，放于容器2中。将波导放置于容器上方，加热一定时间T后，用手持式热电偶测定水的温度t4及此时水的质量m4。可以用式(1)计算出此时水吸收的热量Q3，水的加热效率η2=(Q1/Q3)×100%。

由步骤一、二可以计算出不加吸波材料的AC-13混合料的微波吸收效率η11=η1-η2。

步骤三：向AC-13 混合料中分别加入相应比例的3种吸波材料，重复步骤二，则可以计算出加入相应掺量吸波材料的AC-13沥青混合料的吸收效率。根据计算出的AC-13混合料的吸收效率可以得出吸波材料对微波加热旧沥青混合料效率的影响。

2.4 试验数据整理与分析

通过试验得到了碳黑、磁铁矿粉、软磁粉3种吸波材料及掺量对微波加热效率的影响数据，对数据进行整理与分析，得到的结果如表2所示。

为了更加直观地看出3种吸波材料对微波加热效率的影响，将整理的数据绘制成散点图，如图3所示。

通过对表2和图3的分析，可以得出以下结论。

(1)对3种吸波材料的种类、掺量对微波加热效率的影响进行研究，证明3种吸波材料均能提高微波加热沥青混合料的效率，其中软磁粉对提高微波加热旧沥青混合料效的率效果最好，磁铁矿粉次之，碳黑效果最差。

表2 碳黑、磁铁矿粉、软磁粉3种吸波材料对微波加热效率的影响

图3 吸波材料掺量与微波吸收效率

(2)随着3种吸波材料掺量的逐渐增大，微波加热旧沥青混合料的效率逐渐提高。当3种吸波材料掺量达到4%时，碳黑使微波加热旧沥青混合料的效率提高36.74%，磁铁矿粉使微波加热旧沥青混合料的效率提高到达42.40%，软磁粉对微波加热旧沥青混合料效率提高51.59%。

(3)随着3种吸波材料掺量逐渐增加，吸波材料对微波加热旧沥青混合料效率的提升效果逐渐下降。吸波材料掺量与微波加热旧沥青混合料效率并不成正比关系，随着吸波材料掺量的增加，其对微波加热旧沥青混合料效率的提升效果逐渐衰减。

3 结 语

综合以上试验研究，可得出如下结论。

(1)在沥青混合料中加入碳黑、磁铁矿粉、软磁粉3种吸波材料，均能提高微波加热沥青混合料的效率。随着3种吸波材料掺量的增加，微波加热效率也随之提高，其中软磁粉提升微波加热效率的效果最好。当软磁粉掺量达到4%时，微波加热效率比不加吸波材料时提升了51.59%。

(2)随着3种吸波材料掺量逐渐增加，吸波材料对微波加热旧沥青混合料效率的提升效果逐渐下降。掺入2%软磁粉比掺入1%时微波加热效率提高了8.09%，而掺入3%软磁粉比掺入2%时微波加热效率提高了5.30%。

(3)本文只对吸波材料对微波加热效率的影响进行了研究，没有对吸波材料对微波加热均匀性及路用性能的影响进行研究，建议补充此方面的研究，以确定吸波材料的最佳掺量。