微波加热对RAP和集料的加热效果及机理分析

胡学亮 樊 超 阚 涛

(山东高速集团有限公司1) 济南 250000) (山东高速工程检测有限公司2) 济南 250002)

沥青混合料再生利用得到越来越关注,传统的加热方式是采用热传递的方式加热废旧沥青混合料,加热过程中会出现沥青表面焦化现象[1],而且此方式对旧沥青混合料的利用率较低,这成为制约再生沥青技术发展的关键因素[3-5].

针对沥青混合料加热方式的研究,刘小明等[6-7]对微波加热方式下沥青混合料的加热效率进行了仿真研究.Luo等[8-9]研究了微波加热下路面的融雪除冰效果.Liu等[10-13]研究了吸波材料对路面微波加热效率的影响.高峰等[14]研究了不同微波照射方式下岩石试样的内外升温特征.

综上,已有研究仅仅对沥青路面的除冰雪效果、加热效率和岩石升温特性进行了相关研究,未开展沥青路面回收材料(RAP)和集料在微波加热方式下的升温效果研究.基于此,文中对RAP和新集料在微波加热方式下的升温效果开展试验研究,以期为微波加热技术在沥青路面再生中的大规模推广应用奠定基础.

1 原材料和试验方案

1.1 原材料

1.1.1RAP

RAP为山东省某高速公路改扩建工程,主要集料为玄武岩和石灰岩.将RAP材料分为0～5,5～10和10～15 mm三档,其技术指标见表1.

表1 RAP技术指标

1.1.2新集料

新集料选用玄武岩和石灰岩,技术指标见表2～3.将试验样品放在自然条件下进行风干处理,当样品的质量不再产生变化时,然后开始相关试验.

表2 粗集料技术指标

表3 细集料技术指标

1.2 试验方案

微波加热设备选择容积为23 L的家用微波炉,微波频率2.4 GHz,输出功率可调,最大输出功率为700 W,为保证加热统一条件和加热效果,试验时采用最大输出功率对集料进行微波加热.

采用Fluke NEC-TH7700手持式红外热像仪,测量范围-20～+250℃,测量精度±2℃.

为研究集料吸收微波效率影响机理,样品的物相结构采用德国布鲁克公司的D8ADVAHCL X型射线衍射仪(Cu靶Kα辐射X线,波长λ=0.154 18 nm,管电压40 kV,管电流40 mA,扫描范围10°～90°,扫描速度12(°)/min,步长0.02°)测试玄武岩和石灰岩的矿物组成.

2 试验结果及分析

2.1 集料微波加热试验结果

对三种集料分别称取相同质量的样品放入微波炉中进行加热,加热时间为0,60,120和180 s,加热完成后取出测试集料温度,试验结果见图1.

图1 微波加热结果

由图1a)可知:三档RAP在0～120 s内加热效果明显,在120～180 s时间段内加热效率降低.集料的粒径对微波加热效果有显著的影响,粒径越大,加热效果越低,因此加热过程中,三档料中10～15 mm的RAP温度最低,但0～5和5～10 mm两档料加热规律有所变化,分析其原因是在加热到115 s之前,集料吸收微波将其转化为热量,表现为细集料温度比粗集料温度高,但加热到115 s之后,RAP已经加热到120℃左右,沥青吸收集料热量逐渐由固态转化为液体状态,且0～5 mm档的RAP中沥青的含量较大,吸收较多的热量,因此在115 s之后5～10 mm档RAP温度反而要高一些.10～15 mm档的RAP温度最低,因为集料的粒径对微波吸收得影响远大于沥青吸收热量(试验中RAP沥青含量范围内)对RAP温度提升的影响.

由图1b)可知,石灰岩集料的加热速率与加热时间成正比的关系,0～5,5～10,10～15 mm集料的拟合结果斜率分别为0.70、0.54、0.43,集料的加热速率从大到小依次是0～5>5～10>10～15 mm,说明粒径的大小对集料吸收微波的效果有一定的影响.0～5,5～10和10～15 mm三档的平均升温速率分别是41.0,32.7和26.3℃/min,相邻两档集料升温速率相差8.3和6.4℃/min,在一定粒径范围内,粒径增大对集料温度提升的影响是逐渐减小的.

由图1c)可知,对玄武岩集料的加热数据进行直线拟合,三档料拟合的直线斜率相差不大,在0.99～1.08范围内,集料温度提升的效果比较明显.玄武岩0～5,5～10和10～15 mm在3 min内的加热速率分别为64.3,58.7和58.3℃/min,0～5 mm集料的加热速率稍微大一点,而5～10和10～15 mm两档集料的加热效率几乎没有差别,说明集料粒径的大小对微波的吸收效率影响不大,且这种影响随着粒径逐渐增大而降低.不同规格集料加热效果见图2.

图2 不同规格集料加热效果

由图2可知:在每档集料加热过程中,玄武岩的微波加热效果始终最好,RAP和石灰岩微波加热效果的高低与粒径有关.0～5 mm档集料加热到115 s左右之前,RAP的加热温度高于石灰岩集料,当加时间在115～180 s时,石灰岩的温度超过RAP;5～10和10～15 mm两档量的微波加热规律相同,在整个加热过程中,加热效果从高到低依次是:玄武岩>RAP>石灰岩.对比三档集料的整体升温规律发现,沥青对0～5 mmRAP前期微波加热影响较小,但温度升高之后,沥青会吸收集料的热量融化,从而降低RAP加热效果.

2.2 红外热像仪测量结果

温度计测温能够直接与集料接触,真实反映加热后集料温度,集料粒径较小时,温度计与集料贴合比较严密,但随着粒径的增大,颗粒与颗粒之间的形成较大的空隙,温度计在测量时可能存在接触不到集料的情况.因此提出采用红外热像仪对微波加热后的集料进行测温,对温度计测温方法测得的温度复核,同时,根据成像的图片能够直观的观察出集料各部分温度分布情况,可以对微波加热均匀性进行验证,见图3.

图3 不同集料红外成像结果

由图3可知:红外热像仪成像的图片中显示温度与温度计测量温度存在一定偏差,但相差不大,这主要是由于红外测温受目标物与红外测温仪之间的距离、目标物的发射率、外界环境条件(如环境温度、环境湿度、环境辐射和风力)等因素影响,红外热像仪测得的温度仅能作为一种验证手段,而不能作为精确测量的方法.此外,分析图片中集料温度分布情况可以看出,集料中间温度高,周围温度有所降低,这主要是因为四周的集料直接与空气、容器接触,热量散失较快,而中间部分集料的周围均是加热的集料,热量基本没有损失,因此产生中间温度高、四周温度低的现象.中间温度与四周温度的差随着集料温度的升高而增大,温差范围在10～25℃范围内.考虑到周围集料热散失的影响,通过热成像的图片可以总结出,微波加热快速均匀的将集料加热.

2.3 XRD结果及分析

针对不同集料种类的微波加热效果存在差异,采用XRD对石灰岩和玄武岩矿物组成进行研究,分析造成微波吸收效果不同的原因.其中RAP中含有玄武岩、石灰岩、沥青及各种添加剂和其他杂物,成分非常复杂,而且取样不具有代表性,因此不对RAP做试验分析.玄武岩和石灰岩矿物组成见图4.

图4 玄武岩和石灰岩矿物组成分析

由图4可知:玄武岩组成较为复杂,数据图中峰值较多,分析结果得出,玄武岩样品中含有顽火辉石、黑云母、透闪石和方石英等矿物,而石灰岩峰值较为简单,样品中方解石和白云石为主要成分.相关文献中显示,矿物的微波吸收能力可分为强微波吸收类矿物、中等微波吸收类矿物、弱微波吸收类矿物3类,微波吸收能力越强则矿物微波加热效率越高,其中顽火辉石为强微波吸收类矿物,黑云母为中等微波吸收类矿物,方解石、石英、白云石为弱微波吸收类矿物.因此,玄武岩使用微波加热的效果最好,而RAP为玄武岩和石灰岩的混合产物,微波加热的效果较玄武岩差、比石灰岩好,石灰岩的矿物组成对微波吸收能力较弱,为三种集料中加热效果最差.

3 结 论

1) RAP中含有一定量的沥青,对集料温度的提升有一定的影响,加热时间在0～115 s时间内,加热速率从大到小依次是0～5>5～10>10～15 mm,当加热时间在115～180 s内时,加热速率从大到小依次是5～10>0～5>10～15 mm,RAP中的沥青吸收热量,降低集料的升温速率.RAP的整体升温速率变化规律呈先变大、后减小趋势.

2) 石灰岩粒径的大小对微波较热效果影响较大,粒径越大,集料升温速率越小.玄武岩粒径对微波加热效果有一定影响,但影响较小,当粒径达到一定程度后,基本对微波加热效果几乎没有影响.

3) 用红外热像仪和温度计测量对三种集料温度进行测量,排除一些干扰因素,两种方式的测量结果相差不大,且分析热像仪成型的图片可以得出,微波对集料加热比较均匀.

4) 根据XRD的分析结果可知:玄武岩组分比较复杂,含有顽火辉石、黑云母、透闪石和方石英等矿物,顽火辉石、黑云母属于强微波吸收类矿物、中微波吸收类矿物,因此玄武岩的微波加热效果较好.而石灰岩主要成分为方解石和白云石,属于弱微波吸收类矿,因此微波加热效果较差.