微波辅助加热填料在沥青路面修补中的应用

毕连居，朱浩然，焦生杰，于明明，张 杨

(1.江苏连徐高速公路有限公司，江苏 徐州 221111； 2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112；3.新型道路材料国家工程实验室，江苏 南京 211112；4.长安大学 公路养护装备国家工程实验室，陕西 西安 710064)

0 引 言

沥青路面综合养护车是一种专用于及时、有效地修补沥青路面小面积损坏部分的工程机械，是公路养护管理部门的重要配套养护机械。目前，市场上的养护车形式多样，大多以红外线加热和热风加热为主，存在能量利用率低、加热不均匀、沥青因过热而焦化、施工质量差、修补后路面使用时间短、加热过程会产生大量有害气体等问题。

微波加热被称为“内部加热方式”，是国内外新近研究的一种路面加热方式。与传统的加热方式不同，微波加热沥青路面技术具有深层加热、均匀性好、减少老化、环保等特点[1-3]；国内相继开发了用于坑槽修补、裂缝处治的微波加热设备。然而传统的沥青混合料中的极性成分较少，微波吸收能力较差，采用微波加热沥青路面的效率较低，限制了微波加热技术在路面养护中的应用。

研究表明，用磁铁矿、二氧化锰、石墨烯和碳纤维替代全部或部分集料或矿粉制成的沥青混合料，微波吸收能力远大于普通沥青混合料[4-6]。本文以磁铁矿粉、石墨烯为主要成分，研发一种微波敏感添加剂，以此制备微波辅助加热沥青混合料；通过试验研究，进行微波辅助加热混合料的吸波升温特性评价，分析微波辅助加热沥青混合料的路用性能，并将其应用于修补南京的干线公路沥青路面。

1 微波加热原理

微波加热的原理为：当有极性分子的介质材料置于微波电磁场中时，介质材料中会形成偶极子，或已有的偶极子重新排列，在交变电磁场的作用下，以每秒数亿次的速度摆动。分子要随着不断变化的高频电场的方向重新排列，就必须克服原有的热运动和分子间的相互干扰，产生剧烈摩擦，从而产生热能，温度随之升高[7]。这种加热方式无需传导介质，物体本身就是热源，故被称为“内部加热方式”。

材料对微波能的吸收效率通常与材料的电介质特性有关。沥青混合料是一种组分复杂的复合路面材料，各组分的介质损耗系数和介电常数如表1所示[8]。由于纯沥青的介电常数较小，因此微波不能直接对沥青加热，而是通过加热沥青混合料中的集料，使集料温度上升，再把热量传导给沥青，从而达到加热沥青的目的[9]。为了提高沥青混合料的吸波能力，需要添加微波敏感材料。

表1 沥青混合料的介电常数和损耗因子

2 微波辅助加热填料制备及试验方法

2.1 微波敏感添加剂

本文将磁铁矿、石墨烯破碎后磨成粉末，按一定比例复合，得到微波敏感添加剂，以此作为样品进行试验(图1)。

2.2 微波辅助加热沥青混合料

选用改性沥青石灰岩AC-13沥青混合料，矿粉用量为5%，油石比为5.2%，级配如图2所示。用上述微波敏感材料等体积替代矿粉，掺入AC-13沥青混合料中，制备微波辅助加热沥青混合料填补料。

图2 AC-13混合料级配曲线

2.3 吸波升温性能测试方法

试验采用美的微波炉M1-L213B，额定输入功率为1 150 W，微波输出功率为700 W，微波工作频率为2 450 MHz。本文分别对松散的普通AC-13沥青混合料和用马歇尔击实仪成型的普通AC-13沥青混合料马歇尔试件进行微波加热，设定加热时间为5 min，用插入接触式数字测温仪测量深度3 cm处松散沥青混合料和马歇尔试件的加热温度，试验结果如表2所示。

从表2可以看出，松散沥青混合料和马歇尔试件的微波加热温度平均值相差不大，但松散沥青混合料数据的变异系数明显小于马歇尔试件，说明采用松散沥青混合料进行微波加热温度测试，数据离散程度(随机误差)更小，可用于评价沥青混合料吸波升温性能。分析原因，主要是用马歇尔击实仪成型的试件容易受试件均匀性、插入深度影响，干扰因素多。

表2 松散沥青混合料和马歇尔试件的微波加热温度

3 试验结果及分析

3.1 微波辅助加热沥青混合料吸波升温效果评价

采用微波炉加热松散沥青混合料的方式，分别测试微波加热掺入微波敏感添加剂的沥青混合料3 min和5 min后的温度，并与普通AC-13沥青混合料对比，评价微波辅助加热沥青混合料的吸波升温效果，试验结果如表3所示。

从表3可以看出，普通AC-13混合料的吸波升温速率为15.2 ℃·min-1，而掺入微波敏感添加剂的沥青混合料的吸波升温速率为19.9 ℃·min-1，比普通AC-13混合料提高30.9%。说明本文研发的微波敏感添加剂可以显著提高微波加热沥青混合料的效率。

表3 微波辅助加热沥青混合料的吸波升温效果

3.2 微波辅助加热沥青混合料路用性能研究

通过车辙试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验，全面评价微波辅助加热沥青混合料的路用性能，试验结果如表4所示。

表4 微波辅助加热沥青混合料的路用性能

由表4可以看出，相对于普通AC-13沥青混合料，微波辅助加热沥青混合料的高温抗车辙、抗水损害性能及低温性能均有一定程度的改善，高温抗车辙性能提高尤其显著。

4 沥青路面修补应用测试

上述室内试验结果表明，掺入微波敏感添加剂可以显著提高沥青混合料的吸波升温效率，且微波辅助加热沥青混合料具有优异的路用性能。为了进一步验证微波辅助加热材料提升微波加热效率的实际效果，采用徐工的新一代智能型沥青路面微波养护车，在南京的干线公路坑槽修补过程中进行现场测试(图3、4)。

图3 微波辅助加热填料

图4 微波加热

4.1 工艺流程

将微波辅助加热材料用于沥青路面修补的工艺流程如下。

(1)将坑槽内的松散料清理干净，按照“圆洞方补、斜洞正补”的原则划线，确定坑槽修补范围。

(2)将适量的含有微波辅助加热材料的预制沥青混凝土添加到坑槽内，用铁锹、铁耙均匀摊平。

(3)放下微波路面加热墙，借助加热墙上的标尺对准路面病害位置，设置合适的加热面积，开始加热，直至路面温度达到140 ℃以上。

(4)移开加热墙，用铁耙将加热后软化的沥青混凝土表面耙松、整平。耙松范围要在热烘范围内，一般内缩5～10 cm以保证接缝为热接缝，同时耙松面应成矩形。在耙松过程中，要剔除松散料中的超规格集料。

(5)使用自带压路机对路面进行压实，先碾压边缘，再依次向中间推进，使修补面与周边已加热、但未耙松的路面融为一体，要求路面起压温度为120 ℃～140 ℃，碾压后压实度高于95%[10]。

4.2 测试数据记录

分别用普通沥青混合料和微波辅助加热沥青混合料修补沥青路面坑槽，并详细记录修补完成时间、加热温度等参数，数据如表5所示。

表5 坑槽修补现场测试数据

从表5可以看出，采用微波辅助加热沥青混合料进行坑槽修补，微波设备只需12 min就可以将沥青混合料加热至140 ℃以上，而采用普通沥青混合料需要17 min左右才能满足修补的温度要求。实践表明，本文研发的微波辅助加热沥青混合料用于沥青路面修补，可以使微波设备加热效率提升30%左右，同时提高了现场作业效率，缩短维修作业的时间。

5 结 语

通过研究微波辅助加热沥青混合料的吸波升温效果和路用性能，以及其在实际工程中的应用，得到以下结论。

(1)比较松散沥青混合料和马歇尔试件2种吸波升温性能测试方法，发现采用松散沥青混合料的方式得到的数据变异系数较小，离散程度较好，可用于评价沥青混合料吸波升温性能。

(2)吸波升温性能试验结果表明，微波辅助加热沥青混合料的吸波升温速率为19.9 ℃·min-1，比普通AC-13混合料提高30.9%。

(3)相对于普通AC-13沥青混合料，微波辅助加热沥青混合料的高温抗车辙、抗水损害性能和低温性能均有一定程度的改善，且各项路用性能均满足规范要求。

(4)采用微波辅助加热沥青混合料进行坑槽修补，微波设备只需12 min就可以将沥青混合料加热至140 ℃以上，提高了现场作业效率，缩短了作业时间，取得了较好的实施效果。