就地热再生过程沥青路面的加热梯度与机械作业参数控制

舒 琴，胡筑云，任达成，郭小宏

(1.贵州省铜仁公路管理局，贵州 铜仁 554300；2.贵州省公路工程集团有限公司，贵州 贵阳 550008；3.重庆交通大学 管理学院，重庆 400074)

0 引 言

在沥青路面就地热再生施工中，旧路面的加热温度是影响整个再生施工质量的关键因素。它不仅影响了旧路面沥青混合料被再利用的程度以及旧料和新料的充分混合，也影响了再生层与旧沥青路面良好的黏结性，同时还是摊铺、碾压等一系列工艺过程质量的重要保证。因此，掌握和控制旧路面加热过程中各工艺环节的温度变化十分重要。

在旧路面加热过程中，沥青路面表面温度一般不超过180 ℃，表面以下4～5 cm处的温度为90 ℃左右，加热深度为4～5 cm时最为理想[1]。为加热均匀和减轻沥青老化，一般就地热再生的加热分为二级加热或三级加热。每级分为两个加热室，工作中两个加热室的温度通过温控系统控制，这样就形成一个相对独立完整的加热系统[2-3]。旧路面若是二级加热，就存在两个独立完整的加热系统；旧路面若是三级加热，就存在3个独立完整的加热系统。

旧沥青路面就地热再生加热是一个连续过程。路面在加热时，热量从路表面连续向表层内4～5 cm处传导中，由于沥青路面本身的热传导特性，保证路面表面温度不超过180 ℃，表面以下4～5 cm处的温度为90 ℃左右，而且加热均匀和减轻沥青老化是困难的[1]。因此，必须从加热工艺上对路面加热进行分级，对每一级的加热功能进行区分，对每级加热的温度梯度进行研究，在加热中通过调整机械作业参数对温度梯度进行控制。这样才可能实现旧路面沥青混合料被最大程度再利用，旧料和新料充分混合，再生层与旧沥青路面良好黏结性的目的[4-8]。

1 旧路面的加热分级与功能

室内与依托工程的实践证明，就地热再生中对原路面的加热功能要求是：首先将旧沥青路面加热，其次将旧路面表层4～5 cm内的温度控制在90 ℃以上，并在加热过程中尽量避免沥青进一步老化。

为了使原路面沥青混合料被最大可能的再利用，应使原路面老化沥青恢复原有路用性能，原路面中的集料与级配尽可能的保持完整[2]。为此，对原路面的加热进行分级，明确每一级加热的功能，就显得十分重要。

在利用路面加热机加热旧路面过程中：第1级加热系统的功能应是对旧路面提供热量，使旧路面的受热表面的温度在较短时间内(不超过10 min)，从原始温度升高至180 ℃左右，达到干燥路面，排除原路面表面及缝隙中水分的目的；第2级加热系统的功能应是对旧路面持续提供低热源的热量，在较短时间内(≯10 min)，使热渗透量达到最大。在保持旧路面表面温度控制在180 ℃左右的同时，能够将旧路面表层4～5 cm内的温度控制在90 ℃以上；第3级加热系统的功能应是对旧路面持续提供低热源的补充热量，确保不同施工环境中，在保持旧路面表面温度控制在180 ℃左右的同时，能够将旧路面表层内4～5 cm处的温度，持续、稳定的控制在90 ℃以上。

在3级加热中，最重要的是：经过加热，旧路面表面温度控制在180 ℃左右，旧路面表层内4～5 cm处的温度，持续、稳定的控制在90 ℃以上。

2 沥青路面加热理论计算

若将沥青路面看成一个无限大的平板，温度沿厚度方向变化，这样对沥青路面加热可以看成导热物体边界上温度或换热情况的第三类边界条件的一维非稳态导热问题[1]，可以对沥青路面的加热温度进行理论计算。

2.1 路表面加热温度、时间及速度计算

选择20，30，40，50 ℃这4种旧沥青路表面原始温度环境。设沥青路面绝热层厚度δ=5 cm；加热时加热板的长度为L=4.5 m；加热机有前后两个加热室，工作时烟气在沥青路面的流速为u=22 m/s；烟气平均温度tw=550 ℃；沥青路面加热温度t∞=180 ℃左右。

对边界层类型的对流传热，规定采用边界层中流体的平均温度。平均温度tm计算如式(1)[5]：

(1)

根据tm查得标准大气压下，烟气的热物性参数有：

导热系数：λ0=5.27×10-2W/(m·k)

运动黏度：v=6.04×10-5m2/s

普朗特数：Pr=0.64

又因为平板长度：L=4.5 m，所以，其雷诺数为：

(2)

由于雷诺数5×105≤Re≤107。因而可以判定对流边界层主体处于湍流流动状态[6]。得到平均换热系数公式如式(3)：

(3)

式中：u∞为流体沿平板的流速；xc为层流向湍流过渡的临界距离。

对式(3)进行积分并简化：

(4)

设：Bi为比渥准则数；λ为沥青路面路面导热系数，一般取2.28；δ为沥青路面的最大加热厚度，有[1]：

(5)

根据设定的工作环境(烟气平均温度550 ℃，沥青路面加热温度180 ℃，沥青路面绝热层厚度5 cm，加热时加热板的长度为4.5 m)，有：

再设：τ为加热时间；x为某点到加热表面中心的距离；t为加热温度；t0为加热物体的初始温度；t∞为加热烟气的温度；θ为过余温度(某点的加热温度与加热烟气温度的差值)；θ/θm为无因次过余温度；θ/θ0为表面上的无量纲过余温度；θm/θ0为中心处的无量纲过余温度；Fo为傅里叶系数，Fo=ατ/δ2(α为沥青混凝土热扩散系数，当密度为2 350 kg/m3，平均比热为950 J/kg·k时，α为0.672×10-6m2/s)。

这样，平板中任意一点的θ/θ0值为：

(6)

根据郭小宏，等[1]及杨世铭，等[5]的介绍，利用图1，则在沥青路面表面：x/δ=1，查得θ/θm为0.75。

图1 无限大平板的θ/θm曲线Fig.1 The θ/θm curve of the infinite plane

由文献[1]知：

(7)

选择20，30，40，50 ℃这4种旧沥青路面表面原始温度(T)，得：

所以，当路面表面原始温度为20 ℃时，若要让沥青路表面温度达到180 ℃，则：

利用图2，当路面表面原始温度为20 ℃时，Fo=0.2；根据Fo=ατ/δ2，这时加热路面表面至180 ℃需要的时间τ0为：

图2 无限大平板中心温度的诺谟图Fig.2 The center temperature nomogram of infinite plates

若在加热过程中，利用3台加热机共6个加热室同时加热，则这时加热机的理论作业速度应为：

同理，温度为30 ℃时、Fo=0.13；温度为40 ℃时，Fo=0.07；温度为50 ℃时，Fo=0.04。

这样加热路面表面至180℃需要的加热时间τ0和作业速度分别为：8.0，5.6，2.3 min与3.3，4.8，11.7 m/min。

将计算数据进行整理得表1。

表1 路表面各参数要求

可以看出，当路面表面原始温度为表1所述时，3台加热机理论上应按表1作业速度工作时，沥青路面表面的温度理论上才能稳定在180 ℃。

2.2 路面表层内4 cm处加热温度、时间及速度

笔者设定仅讨论路表层内4 cm处。同样选择20，30，40，50 ℃这4种旧沥青路表面原始温度环境。设路面绝热层厚度δ=5 cm；加热板的长度为L=4.5 m；加热机有前后两个加热室，工作时烟气的流速为u=22 m/s，烟气平均温度tw=550 ℃，沥青路面加热要求为温度t∞=180 ℃左右。

根据2.1节的分析，当路表面原始温度环境为20 ℃，路表层以下4 cm处的温度计算如下：

所以：tm=0.92×(20-550)+550=62.4(℃)。

即这时路表层以下4 cm处的温度仅为62.4 ℃。

在旧路面的加热分级与功能中，要求在保持旧路面表面温度控制在180 ℃的同时，能够将面表层内4 cm处的温度，持续、稳定的控制在90 ℃以上，这显然没有达到要求。

同理，当旧沥青路表面原始温度环境分别为30，40，50 ℃，将面表层内4 cm处的温度持续、稳定的控制在90 ℃以上，所需要的加热时间τ0和作业速度分别为：9.9，7.0，7.1 min与2.7，3.4，3.8 m/min。

将计算数据进行整理得表2。

表2 路表面温度在90、180 ℃时各参数要求

3 沥青路面加热的温度梯度设置

由理论计算分析可以看出，加热机工作时，要保证将面表面温度控制在180 ℃、面表层内4～5 cm处的温度控制在90 ℃，在理论上存在有“两难问题”。

以2.2节讨论的路表面原始温度环境为20 ℃为例：① 当面表面温度控制在180 ℃时，面表层内4 cm处的温度为62.4 ℃，不满足热再生的工作要求；② 当面表层内4 cm处的温度为90 ℃时，路面表面温度达到195.8 ℃，也没有满足热再生的工作要求。

将表1、表2的数据整理，得到表3。由表3数据可以得出结论：在沥青路面加热中，若加热机的作业参数设定一致，则在特定的施工环境温度下，路面表面与表层内4 cm处的加热温度，是无法同时实现的。

表3路表面参数要求

Table3Parameterrequirementsofroadsurface

为了解决这一问题，必须对加热机加热沥青路面从工艺上进行分析。从工艺上讲，加热分为3个相关的环节。沥青路面加热时，首先应使旧路面在较短时间内干燥、排除原路面表面及缝隙中水分；其次应对旧路面持续提供热量，使路面表层内的热渗透量达到最大，能够将旧路面表层4～5 cm内的温度上升到90 ℃以上；第三在保持旧路面表面温度控制在180 ℃的同时，路面表层内4～5 cm处的温度能够持续、稳定的控制在90 ℃以上。每一工艺环节功能要求不同，自然对加热机的加热要求也不同，要求加热机单位时间内给单位面积的路面提供热能强度也有强弱区别。鉴于这样的分析，应对旧路面的加热进行分级，对每一级的温度梯度进行设定。

根据依托工程的应用研究情况，可以将沥青路面的加热分为3级。第1级加热的目标是干燥路面，排路表及缝隙中水分，加热烟气温度保持在500～550 ℃，路表温度在180～190 ℃之间，加热时间控制在10 min内；第2级加热的目标是使热量在路表层内的渗透量达到最大，这时加热烟气的温度应低于第1级，但要保持持续提供热量并保持要求的加热烟气温度，目的是能够将旧路面表层4～5cm内的温度上升到90 ℃左右；第3级加热的目标是使热量在路表层内的渗透量均匀，在保持旧路面表面温度控制在180 ℃的同时，面表层内4～5 cm处的温度持续、稳定在90 ℃以上，所以这时加热烟气的温度应低于第2级，保持持续提供热量即可。

4 沥青路面加热中机械作业参数的控制与温度梯度的实现

沥青路面就地热再生施工中，加热机时连续对旧路面进行加热，每一台加热机的作业参数在施工中保持稳定。从整体上看，整个加热过程，机械设备依次实现对路面的加热，作业速度保持稳定。

当旧路面的加热过程分为3级加热时，可通过对相应加热机的作业参数进行调整，确保每一级加热功能与温度梯度的实现。参数包括：加热烟气的温度、加热板与路面的间隙、加热机的作业速度等。

对于热风循环加热的设备而言，工作中加热板与路面因为加热烟气的作用，其间隙变化对加热影响不大。

由于3级加热中每一级的加热目标与功能不同，而施工中设备的作业速度应稳定，所以，在加热机作业速度调整并稳定后，关键是调整每一级加热中加热机的烟气温度，加热机工作中设备之间的距离，并以此来稳定各级加热的温度梯度。

5 案例分析

某山区二级公路沥青路面就地热再生施工中，路面结构为5 cm AC-16 + 7 cm AC-20，计划实施就地热再生的路段约30 km。要求实施加热时，保持旧路表面温度180～190 ℃之间，加热铣刨机工作后，铣刨面的温度在80～90 ℃之间。

在施工时，将旧路面的加热分为3级，采用的加热机为热风循环式，加热机工作中设备之间的距离保持在3～5 m，加热深度5 cm，施工期间，路表温度在30～40 ℃之间,天气晴朗、微风。具体作业参数的调整值和加热效果如表4。

表4 作业参数的调整值和加热效果

6 结 语

笔者通过旧沥青路面加热温度及相关指标的计算，从理论上找出了就地热再生加热路面遇到的“两难问题”。解决这一“两难问题”的方法为：将加热过程进行分级。针对加热工艺各环节加热功能、相应的温度梯度与控制方法，指出：在特定施工环境中，通过调整加热机的作业参数，即可实现各工艺环节加热功能和相应的温度梯度控制，从而保证了旧沥青路面的加热质量。

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