2022-01-17
 
沥青路面微波养护技术研究综述
2022年01月17日   阅读量:37608

摘 要

阐述了沥青路面微波养护技术的发展历程,简要介绍了微波加热的基本原理与特点、微波应用器与频率的选用、微波加热沥青混凝土电磁热模型和用于加热沥青混合料和除冰相关材料的介电常数,分析了国内外对沥青路面微波养护技术的学术研究与设备的发展现状、专利应用情况,总结了微波加热在RAP材料、除冰除雪、沥青路面微波养护设备、微波吸波材料等方面取得的重要成果和应用,同时指出了现存的问题与未来的发展方向,为推动微波技术在公路养护行业的应用与发展提供参考。


关键词  沥青路面 | 微波加热 | 养护技术 | RAP


引言


现代科学技术向传统产业的渗透和应用是当代技术革命的重要特征和组成部分。微波技术向道路养护领域发展正是反映当代技术革命这种大趋势的典型代表,它体现了现代科学技术对传统机械产品的渗透、改造和升级沥青网sinoasphalt.com。微波技术作为一种新型的沥青路面养护方法,经过十多年深入的基础理论研究和设备研发,有了长足的进步。传统沥青路面红外加热或热风加热维修作业过程中产生大量有害气体,造成环境污染;热传导方式温度梯度大,表面易老化、焦化;传热速度慢,加热时间长;全天候气象条件,尤其是冬季气候条件下难以进行路面养护……种种缺陷影响了路面的养护质量。沥青路面微波加热技术克服了这些缺陷。本文拟对这一领域的国内外研究现状、热点、存在问题和展望进行论述,以期为同行的研究提供参考和借鉴。


微波加热的基本原理与特点


微波加热的介质按照电结构可以分为极性分子介质和非极性分子介质。当把极性分子介质置于微波场中时,在电磁场的作用下,介质材料中会形成偶极子或已有的偶极子重新排列,并随着高频交变电磁场以每秒高达数亿次的速度摆动。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。


微波加热有其自身独有的一些特点。


(1)即时性。微波在加热介质物料时具有即时性。只要有微波辐射,物料即刻被加热,反之,物料就因为得不到微波能量而立即停止升温。可以使物料在瞬间得到或失去热量来源,表现出对物料加热的无惰性。


(2)整体性。微波是一种穿透力很强的电磁波,频率为915M Hz的电磁波的波长可达到320mm,能够穿透物体,使物体内、外部几乎同时加热升温,形成体热源状态,节省了常规加热方式的热传导过程所需的时间,且在介质损耗因数与温度呈负相关的条件下,物料内外加热均匀一致。


(3)选择性。并非所有介质都能使用微波加热,介质吸收微波的能力主要由介质损耗因数决定。不同的介质由于自身介电特性的差异,对微波的吸收能力存在相当大的差别,因此,微波加热表现出选择性加热的特点。


(4)高效性。在常规加热中,设备预热、辐射热损失和高温介质热损失在总能耗中占据了相当大的比例。由于微波加热是电磁能量以波的形式渗透到介质内部,使介质损耗而发热,不需要经过传导,并且不需要高温介质来传热。设备壳体的金属材料是微波反射型材料,只能反射而不能吸收微波,因此,设备的热损失仅占总能耗的极少部分。绝大部分的微波能量最终被介质吸收,并转化为温度升高所需的热量,表现出微波能量利用的高效性。


微波应用器与频率的选用


驻波场式应用器,又称为谐振腔式应用器,是一种应用最广泛的应用器形式。这类应用器实际上就是一个尺寸特定的空心金属箱,输入微波在箱内壁间多次反射叠加后形成驻波场,微波经箱壁反射通过介质而被介质吸收,场强幅度降低,经多次反射后被介质耗尽。驻波场式应用器最明显的特点就是具有谐振性(或称频率选择性),即只在某些特定频率上,才能在其中建立很强的驻波场。这些特定的频率称为谐振频率,它与箱体形状、尺寸以及其中的物料形状、尺寸和介电常数等因素有关。一个棱长分别为a、b、d的矩形箱,空载时的谐振频率为

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驻波场式应用器的效率由箱体是否和传输线匹配决定,匹配就意味着能量全部被物料吸收;不完全匹配时,部分能量就会反射回微波发生器,造成效率低下,甚至产生打火。


驻波场式应用器依据腔体内微波模式的多寡,可以分为单模腔应用器和多模腔应用器。单模腔应用器需要在一个很窄的频带内才能维持较高的工作效率,且体积小,缺乏多模腔应用器或行波场式应用器的灵活性,故在工业生产中很少应用。多模腔应用器既可以以一个多模腔为基础,做成适宜于批量处理产品的家用或工业用微波炉,又可以由若干个多模腔组成能连续处理物料的隧道式微波能加热设备,在工业生产中得到了广泛的应用。


辐射场式应用器以被加热的对象为目标,将微波能量向空间辐射。由于辐射式微波应用器将微波能量全部投放空间,微波能量很难被加热对象全部吸收,常常散射、残留于空间,非但浪费能量,而且有可能造成微波泄露,因此工业领域一般不采用辐射场式应用器。在设计和使用这类应用器时,应尽量注意使辐射的微波波束集中于被照射的对象,并采取必要的防护措施。此外,利用汇聚式辐射器可将微波能量聚焦到一个很小的区域内,从而得到强场高温,可以用来破碎岩石或混凝土。


选择什么结构形式的微波应用器,主要取决于被加工物料的形状、结构、介质特性、数量和生产流程,同时也要考虑到被加工物料的物理特性及加工要求等因素。例如,薄片状物体应选用行波场式应用器,块状材料适合采用谐振腔式应用器,对于生产量大的块状、颗粒状且需要连续加热的物料,则应选用由几个多模腔串联组成的隧道式应用器,从而得到均匀的加热处理。辐射场式应用器除广泛地应用于各种理疗和热疗之外,也可用于对大面积物料的照射,或汇聚微波能量,对岩石和混凝土等物质进行破坏。


目前全球开放的微波ISM频段在各国的规定并不统一,普遍采用的有433.92(±0.2%)M Hz、915(±13)M Hz、2450(±50)M Hz、5800(±75)M Hz、24125(±125)M Hz,俄罗斯和东欧国家采用2375(±50)M Hz。微波频率与功率的选择可根据被加热材料的形状、材质、含水率而定。提高微波频率可以提高单位时间、单位体积内产生的热量以及在相同热容量和散热条件下的温升;在相同的场强下,采用频率5.8G Hz的单位体积内吸收的微波功率要比2.45G Hz高2.37倍。目前国际上微波加热领域普遍使用的频率是915M Hz和2.45G Hz两个频段。


915M Hz频率微波的加热特点是输出功率大、效率高、穿透深度大,但其微波发射源及电源的使用、维护成本较高,主要应用于工业领域;2.45G Hz频率微波以往被广泛应用于家用领域,其加热效果适中,维护成本低,目前也得到了工业领域的认可,被越来越多的工业微波设备采用。5.8G Hz频率的微波是微波能应用领域的新贵,目前多用于通信和测量;德国利恒热工有限公司的2.45/5.8G Hz双频微波烧结炉,是其在加热领域的一个应用例子。


微波加热沥青混凝土电磁热模型


在建立微波加热沥青混凝土热电耦合模型时,选取沥青混凝土介电常数和比热容作为温变参数,而认为其余属性参数是不变的常量。


假设微波沿通常的z传播方向进入沥青混凝土,则可建立一个单位时间和单位体积内的一维热传导方程,即

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建立二维非线性热电耦合模型,即二维热传导方程式。

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针对微波透射沥青混凝土路面时的一个加热单元,研究微波对单元沥青混凝土进行加热时的电磁场和温度场值的分布情况。只要所取的微单元足够小,就可以认为从喇叭口面上的点向微单元透射的微波是平面波,得出三维热传导方程。

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用于加热沥青混合料和除冰相关材料的介电常数


根据微波加热理论,任何一种物质在微波电磁场作用下,物料中单位体积内的功率耗散(即损耗于物料中的功率密度)都可以根据式(5)计算出来。

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沥青的介电常数ε′只有2.5~2.8,衰耗角正切tanδ也仅为0.001,因此沥青自身并不能吸收微波产生的热量,微波对沥青没有加热效果。微波对沥青混合料的加热实质上是对沥青混合料中骨料的加热,骨料在温度上升后通过热传导的方式对沥青进行加热,从而达到整体加热沥青混合料的目的。这种加热方式不仅可以避免沥青由于被过度加热而导致老化和加热不均,还可以有效避免由于沥青组分挥发而造成的环境污染问题。沥青及沥青混合料的电介质特性见表1。

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沥青路面微波养护技术的国内外研究现状


国外研究现状


1973年秋季,Bosisio等采用微波加热技术修补了加拿大蒙特利尔和魁北克城之间的高速公路20km处的路面裂缝,取得了满意的成果。


美国的HowardK.Long在1986年设计了微波除冰车及其除冰装置。1987年,在美国联邦公路局实施的公路战略研究计划项目(SHRP)中,密歇根理工大学的JackMonson在道路除冰项目中提出微波除冰车的设计方案,但是因为最关键的除冰速度太低的缘故,项目未能实施。


Al-Ohaly等在1988年研究了微波加热对沥青混合料性能的影响,通过试验发现,用微波处理沥青混合料能改善沥青与聚集料间的黏附力,并提高其抗水腐性能,这样可保证路面修补的质量。1989年,Osborne和Hutcheson提出在沥青混合料中添加微波吸收性能较好的材料以改进其组分,使得在使用微波修补路面病害时可以更好地恢复和改善路用性能。工业专用大功率磁控管结构复杂、维护困难、成本昂贵,需要完善的保护装置才能工作,因而没有得到推广应用。


2005年,美国明尼苏达大学的Hopstock提出了将铁燧岩矿石作为沥青路面的面层材料,以提高路面表层的微波吸收能力,加速贴近路面的冰层融化,提高微波除冰的速度。美国明尼苏达州的NRRI组织也因此将研究方向转为研究吸收微波能力更强的路面材料,并计划修筑“微波路”,用于路面快速微波修补和除冰。之后,国外的研究相对很少。


国内研究现状


2003年,北方交通大学的徐宇工等采用家用微波炉(Pout=800W,f=2.45G Hz)进行了微波除冰室内模拟试验,结果证实了微波能够透过冰层加热路面,使接触路面的冰层首先融化,从而验证了微波加热技术可以用于清除道路冰雪。但其试验过于简单,且采用的是家用微波炉,属驻波场谐振腔式微波加热器,而在道路除冰时只能使用辐射场式微波加热器,两者之间差别较大,试验得出需要30s加热时间的结论和实际相差较大。


从2004年开始,原美的集团下属子公司佛山市威特公路养护设备有限公司进入公路养护工程机械行业,联合长安大学和电子科技大学,对微波加热沥青混合料的特性及其影响因素进行了系统研究,对比了不同加热方式对沥青混合料路用性能的影响,为沥青路面微波养护工艺的设计奠定了基础;解决了微波天线及天线阵列设计、微波屏蔽及泄漏检测、水冷磁控管及加热墙冷却、车载高压供电等技术难题,实现了微波加热技术应用的突破。2004年,该公司开发了WT5160TYHB型沥青路面微波养护车,之后又陆续研制了微波综合养护车CK5251TYA、风驰CK5050TYHA、灵特CK5140TYHB、灵特CK-5050TYHB、灵特CK5050TYHB等系列产品。另外,对微波厂拌热再生过程中的旧料输送、搅拌、水汽处理、再生性能等方面做了探索性研究,研制了二级输送加热试验装置。


研究成果被行业标准《沥青道路微波养护车》(QC/T811-2009)、《综合养护车术语》(JB/T5957-2007)、《道路施工与养护机械设备沥青路面微波加热装置》、《道路施工与养护机械设备综合养护车》采纳,对推动行业技术进步有重要意义。


2012年,美的集团因战略调整停止了沥青路面微波加热应用技术研究。2013年,江苏威拓公路养护设备有限公司收购了美的集团旗下的江苏淮安威拓公路养护设备有限公司,并开发生产了5160TYHB微波沥青路面养护车;2017年7月,自主研发了“微波就地热再生”列车。该列车采用微波加热技术以及鸥翼式微波加热墙,加热宽度为3.7~4.0m。湖南天立工程机械有限公司生产了TLWB1样机,东风特汽生产了EQ5120TYH立式微波坑槽养护车,陕西中霖沥青路面养护科技有限公司生产了微波沥青路面养护车,但均未形成规模。


成立于2017年6月的江苏省产业技术研究院道路工程技术与装备研究所(由江苏省产业研究院、徐州经济技术开发区、徐工集团与核心团队共建),从2018年开始研制新一代沥青路面微波养护车。采用了单发动机、高频开关电源、变功率、高性能防微波泄漏、“一坑一档”数字化智能管理系统等技术的JCM100W沥青路面微波养护车在2018年11月的上海宝马展会亮相。该研究所之后研发了经济型JCM60W和JCM15W,用于小面积坑槽修补和井盖更换维修。还有大型就地热再生微波加热机JH450W,装机功率574kW,加热长度9.0m,加热宽度1.2m,加热深度17mm,带有辅助加热谐振腔,加热效率、均匀性、环保性都远高于传统形式。同时建立了国内最大的厂拌热再生微波试验系统及不同功率大小的微波沥青混合料试验组合系列装置,用于试验研究不同天线阵列组合、移动状态、不同含水量、不同级配与不同密实度等条件下旧混合料的加热效率、性能等。研制了适用于2000型和3000型沥青拌合设备的JRP80型热风微波复合加热RAP装置。2019年,JCM100W沥青路面微波养护车在G1201吉林绕城高速丰满段、湖南许广高速长沙段、湛江高速遂溪段、江肇高速、广惠高速、北京西六环高速、南京江宁区国省干线公路等项目应用,同时作为江苏省2019年全省公路养护职业技能竞赛用设备。2019年在工程机械工业协会列项的团体标准包括沥青路面微波综合养护车、沥青路面微波综合养护施工工法、沥青路面热风微波复合加热就地热再生施工工法、热风微波复合加热沥青路面就地热再生复拌机组,前二项已在审查,后二项正在进行中。集萃道路所在微波加热基础研究、材料、施工工艺、设备研发方面又将这一技术向前推进了一大步,尤其是热风与微波复合加热技术取得了重要进展。


长安大学郝培文教授等对比研究了不同加热方式对沥青混合料路用性能的影响,发现沥青混合料经微波加热后在高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性等方面都有较好的表现,路用性能满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中的技术要求。微波加热比其他加热方式更适用于沥青路面。


唐相伟在微波除冰技术方面做了比较深入系统的研究,并于2009年在其博士论文《道路微波除冰效率研究》中发表重要的研究结论。


(1)提出了以冰层和路面结合处温度到达0℃的时间作为微波除冰效率的判定依据,给出了停止微波加热的时刻。


(2)对微波频率、微波电场强度、加热模式及加热墙波导口距路面高度进行了仿真和试验研究,结果表明:微波频率对除冰效率的影响最大,增大微波频率能够有效提高除冰效率;间歇式加热除冰效果优于持续加热,且每次间歇时间为10s时加热除冰效果最好;在加热结束30s左右除冰,效果最佳;同等条件下,通过增大微波电场强度来提高微波除冰效率作用不大;波导口加热距离路面50mm时,除冰效率较高。


(3)研究了道路材料对除冰效率的影响,结果表明:水泥混凝土除冰效率是沥青混凝土的3~4倍;铁磁性道路材料能够有效提高微波除冰效率,2.45G Hz微波加热含40%磁铁矿石骨料的沥青混凝土比加热不含磁铁矿石骨料时的效率提高了7倍。5.8G Hz微波加热磁铁矿石体积比为1∶4沥青混凝土时,除冰效率能够满足微波除冰工程应用。


(4)对环境温度、冰层杂质、冰厚进行了研究,仿真和试验结果表明:环境温度为-5℃时的除冰效率约是-20℃时的4.7倍;冰层底部存在土类杂质有助于提升除冰效率;冰层厚度对除冰效率影响甚小,体现了微波除厚冰层的优势。


沥青路面微波养护技术学术研究现状


近年来,在沥青路面微波养护技术学术研究过程中,笔者搜索到在专业核心期刊、国际学术期刊中公开发表的研究论文145篇,包括微波加热相关设备研究、微波技术应用、材料性能研究、微波除冰技术研究[1-145]。先后有博士后1人、博士生9人、硕士生57人分别完成相关的论文,他们在微波加热沥青路面再生机理、建模、养护、关键技术、仿真、数值模拟、坑槽修补装备与工艺、连续式再生加热拌合设备与工艺、路用性能、吸波材料、吸波效率、微波防泄漏技术以及除冰雪方面做了大量的基础理论和应用研究[146-212],推动了微波理论、沥青路面材料、微波加热设备设计与制造、施工工艺等的发展。


国内沥青路面微波养护技术专利现状


近年来国内沥青路面微波养护技术方面的发明专利见表2。其中发明专利22件,有效9件,因未缴费失效5件,受理8件;结构设计方面的专利15件,施工工艺与方法7件。表3为有效的微波养护车实用新型专利和外观专利。另检索到微波加热装置、微波防护、微波散热、结构设计等方面的失效专利144件(因篇幅限制,不再一一列出),且绝大多数申请人为美的集团和长安大学。透过这些专利申请的时间历程和内容,可以看到这一技术领域研究探索的内容、方法、路径、取得的成果和进步,给后来的研究者启迪。

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存在的问题与发展方向


目前的电源系统是由家用微波炉电器系统移植过来的(1个电源对1个磁控管),尽管这几年用开关电源代替了传统的变压器电源,使效率大大提高,重量也有所降低,但集群使用效率还需要进一步改善,适应不同材料加热工艺的研究还不够深入。


现有微波路面养护设备采用的微波工作频率是2.45G Hz,而5.8G Hz频率微波具有穿透深度小、物料表层功率密度高、微波吸收能力强的特点,路面养护设备如果采用5.8G Hz频率微波,就可以有效提高微波加热沥青路面的温升速度,控制路面的加热深度,有利于降低能耗,大幅提升微波路面养护设备的技术品质。目前国内外对5.8G Hz频率微波的应用还缺乏深入的研究,如5.8G Hz频率微波加热沥青混合料的效率、效果及其对路用性能的影响。因此,哪一个频率更适合微波路面养护应用,有待进一步研究。


微波加热技术的未来发展方向包括:电源系统集成式高低压分离技术,对大型机组尤为重要;减小体积和重量,提高效率和可靠性;研究新的散热方式和途径,提高系统散热效率;研究微波电磁参数与不同沥青混凝土材料等效电磁参数的合理匹配;吸波材料、谐波反射腔结构、工艺、整机协同研发,提高沥青路面维修质量和延长使用寿命,降低制造与使用成本。


随着半导体技术的快速发展,使用固态射频微波功率源加热解决方案的应用逐步兴起,其优点是高效,使用寿命达20年,可控制微波能量到被加热负载的过程。


橡胶沥青微波脱硫技术、沥青路面钢桥梁微波维修技术、稀浆封层路面强度微波增强技术研究已经起步,未来可期。

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结语


国内的沥青路面微波应用技术经过十多年的研究与发展,基础研究与应用研究都有了长足的进步,也走在世界的前列,应用范围也在逐步拓展。2019年9月19日,中共中央国务院印发了《交通强国建设纲要》,并发出通知,要求各地区各部门结合实际认真贯彻落实。各省、市、自治区交通运输厅依据交通运输部的要求,紧锣密鼓地部署未来交通方案与规划,公路建设与更新改造的需求以及路面使用性能日益提高的技术要求,推动着筑养路机械向更好地满足路面新材料、新工艺、新技术的方向发展。可持续发展战略对经济与环境、人与自然和谐发展的要求,推动着筑养路机械向资源节约、能源节约、环境保护以及资源再生和利用的方向发展,微波技术在公路养护行业的应用正是代表了这个新的发展方向。展望未来,云计算、大数据、物联网等层出不穷的新技术将成为养护机械创新发展的引擎。


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