沥青路面就地热再生过程中如何实现节能高效加热

顾海荣

事件背景

2016年伊始，就地热再生技术的应用在全国各地四处开花。重庆在市政道路养护中引入就地热再生技术，江苏宿迁250省道路面修复首次引入就地热再生技术，深圳机荷高速公路维护使用就地热再生技术，广东揭阳206国道路面改造引入就地热再生技术，浙江衢州320国道路面修复引入就地热再生技术，河南郑州在开元路引入就地热再生技术……一时之间，这股就地热再生技术“应用风”在东西南北愈刮愈烈。事实证明，就地热生技术能大幅节省路面材料，具有很大的环保优势，这是其发展迅速的重要原因之一，但是使用这种技术时，加热环节的能耗却非常高。因此，在使用这种技术时怎样才能更加节能显得尤为重要，以下让我们对这一问题进行分析。

对于未发生结构性破坏的沥青路面，就地热再生技术可以修复其表层车辙、裂缝、坑槽等各种病害，实现沥青旧料100%的再生利用；特别是使用该技术施工时，仅需向施工地点运输少量用于调节级配的大粒径沥青混合料，对于缓解施工路段的交通拥堵具有积极意义。

就地热再生技术的关键点之一是沥青路面的加热过程。加热沥青路面可使沥青软化，消除沥青的粘结力，减少沥青路面材料铣刨回收过程中的集料破碎；充分加热后的沥青旧料与再生剂均匀搅拌，使沥青旧料的路用性能得以恢复。

但是，沥青路面加热也是就地热再生中的主要技术难点，尤其是耗能高的问题，严重影响了就地热再生技术的推广应用。

沥青路面加热过程中的热能损失分析

一般认为，沥青路面底层温度超过100 ℃，热再生过程就不会对原骨料级配造成大的破坏。按照沥青路面材料热容系数计算，完成沥青路面加热所需的热能其实很小，沥青路面加热能耗高主要是因为在加热过程中损耗了太多的热能。

存在热能损耗的环节主要包括加热器的热能转换环节、加热器输出热能与沥青路面之间的交换环节以及热能由沥青路面表层向内部传递的环节。

（1）热能在沥青路面内部传递过程中的损失。沥青路面材料是热的不良导体，热能由沥青路面表层向内部传递的过程需要较长时间。在温度差的驱动下，处于加热区域的沥青路面将向周围温度较低的沥青路面传递热能，沥青路面底层将向温度更低的基层传递热能，高温的沥青路面表层还会向大气辐射热能。完成沥青路面加热所需的时间越长，损失的热能越多。

（2）加热器与沥青路面之间热能交换环节的热能损失。加热器输出热能与沥青路面进行热交换的形式有很多种，也是就地热再生机组的主要差异所在。加热器加热沥青路面的主要方式有火焰加热、红外辐射加热、热风循环加热。从传热机理上可分为传导、辐射、对流以及上述传热方式的组合。但由于未耙松前的沥青路面是一个整体，加热器只能从沥青路面上方通过表层向沥青路面内部输入能量，从而对沥青路面进行加热。加热器输出热能与沥青路面的热交换过程只能发生在沥青路面表层，不能充分发挥各种传热方式的优势。

此外，加热器与沥青路面之间存在一个空气夹层，从加热器输出的热能首先要对夹层内的空气进行加热，即便红外辐射也不能例外（空气中的水蒸气和二氧化碳对红外辐射具有很强的吸收作用）。加热器与沥青路面还存在相对运动，不能形成良好的密封空间，热空气的泄漏与冷空气的补充会造成热能损失。

为保证安全，前后加热机之间通常有一定的间隙，高温的沥青路面暴露在空气中，向大气辐射大量的热能，高温的加热器自身也会向大气辐射热能，增加了热能损失。

（3）加热器热能转换环节的能量损失。加热器的燃料一般为天然气、柴油或重油。燃烧器的设计存在一个最佳的功率输出区域，超出此区域工作，燃料燃烧不充分，燃料的热能不能充分释放；或是空气盈余系数过大，带走大量热能，造成热能损失。

特别是微波加热，由于存在多次能量转换（燃料热能与发动机机械能的转换、发动机机械能与电能的转换、电能与微波能的转换），也就有较多的热能损失。

提高沥青路面加热效率的措施

（1）提高沥青路面的加热速度

从沥青路面传热理论的角度出发，减小热能在沥青路面内部传递过程中的热能损失的最有效途径是：在最短时间内完成沥青路面加热，减少热能散失的时间。具体方法包括，提高沥青路面表层与底层之间的温度差以及减小对沥青路面加热的厚度。前者适用于目前多台加热机加热和一次铣刨的单步法就地热再生工艺，该工艺也是目前国内外就地热再生的主流工艺。提高沥青路面表层与底层之间的温度差，就是提高沥青路面表层的温度。受沥青高温老化特性的影响，一般认为沥青路面表层温度不宜超过180 ℃。在沥青路面的加热过程中，随着底层温度的升高，施工机械要能够调整输出热能，保证沥青路面表层温度维持在许可值上限。

减小沥青路面加热厚度可以采用分步法或是采用具有穿透性的加热方法予以实现。

分步法的基本原理是对沥青路面采用逐层加热、铣刨并集中搅拌摊铺的方法进行沥青路面的再生施工。如加拿大Ecopaver 400就地再生机组，施工时分3次对再生深度范围内的沥青路面进行加热、铣刨，每次加热、铣刨沥青路面的厚度仅为再生深度的三分之一，弱化了沥青路面传热性能差对加热时间的影响，提高了加热速度。

微波具有较强的穿透性，加热沥青路面过程中，热能从沥青路面再生深度的中间位置分别向沥青路面表层和深度方向传递，减少传热深度约一半，也能有效加快沥青路面的加热速度，该技术已经在坑槽修补车上获得了成功应用。但微波加热的能量由车载发动机提供，需要加强对高效大功率移动电源的研究。

（2）改善加热器输出热能的可控性

沥青路面的快速加热需要加热器输出的热能根据要求进行调整，同时加热器在不同的热能输出情况下要具有较高的热能转化效率。

为实现上述要求，一方面，需要改变目前采用人工主观调节加热器燃气供给量来控制热能输出功率的现状，在机器设计中就应该设定加热功率自动控制、燃气和空气量自动调节的目标，能够根据沥青路面的加热需求，高效转化燃料热能；另一方面，加热器的功率调节范围要能够与沥青路面快速加热的需求相匹配。考察施工现场沥青路面加热温度可以发现，大多存在第一台加热器加热后的沥青路面温度低于许可值上限的情况，说明加热器的最大加热功率还需要增加。

沥青路面就地热再生能耗高的问题可以从技术上通过减少沥青路面加热过程中的热能损失予以解决，但需要对沥青路面材料的传热特性、加热机械的热能输出控制等方面进行深入研究，以获得最佳的施工工艺参数匹配，为就地热再生技术的进一步推广奠定基础。

据了解，中国工程建设标准化协会正在起草的《城镇道路沥青路面就地热再生施工及验收标准》即将落地，我们有理由相信，随着技术规范的出台和大家的接受程度越来越高，这种绿色环保的再生技术将更加完善，更加高效，更加环保。