沥青路面就地热再生加热影响因素实验分析

(华南理工大学土木与交通学院, 广东广州510640)

0 前言

在沥青路面就地热再生技术中，施工效果不仅跟新旧沥青混合料配合比设计有关，同时施工过程中对沥青路面的加热工艺也是关系施工质量的重要因素[1-5]。在施工过程中通过加热使旧路面达到合适的温度范围内，若温度过高，则加剧RAP料中沥青的老化，影响再生沥青混合料的路用性能；若温度过低，则会造成RAP料中旧沥青流动性差，无法与施工过程中加入的新沥青进行有效融合，新旧沥青混合料无法形成一个充分混溶，性能均匀的整体[6-10]。我国现行规范中对就地热再生加热工艺及质量控制已经做出一些规定，但并不完善，施工过程中对于路面的加热仍存在影响因素复杂，控制难度大的问题，严重影响就地热再生施工质量，为此国内外道路工作者展开了大量的研究工作[11-13]。顾海荣等[14]采用Energy2D软件对不同加热功率下沥青路面温度随时间变化的过程进行分析，得出了沥青路面的理想加热功率曲线。张德育等[15]借助有限元软件ABAQUS对加热温度场进行数值模拟，分析了加热方式、环境因素、加热机的操作参数及加热功率对沥青路面加热温度场的影响程度,提出了卡罗泰康就地热再生机组的理想加热方式。郭小宏等[16]假定沥青路面的加热过程为一维稳态导热模型，分析沥青路面内部温度与加热时间的关系，得出沥青路面内部各点的温度值与路面总吸热量的计算方法。然而，上述研究工作大部分都是通过软件模拟实验进行研究，在采用室内实验进行研究时所采用的设备并不能很好地贴近施工现场实际情况。

为此，本文设计了一套室内实验方法研究油石比、加热源温度、加热源高度及风速等因素对沥青路面加热效果的影响。

1 室内加热实验方法

1.1 实验设备

实验设备包括室内加热装置、温度探测器、试验板、钻孔机、风扇、钳子等。

加热试验装置如图1所示，由温控箱和加热板两部分组成，温控箱用于调节加热板温度，最高温度为1 000 ℃，加热板中的发热体为红外线陶瓷发热体，其加热高度可通过4个脚架进行调节。

1.2 实验过程

①以成型车辙板的方式制作试验板，试验板厚度5 cm，通过钻孔机在板底钻孔，孔的直径为2 cm，孔的位置及孔深如图2所示。

②将温度探测器中的温度探头插入试验板的孔中，将孔塞紧，然后将温度探头连接到温度探测器上，如图3所示。

③利用室内加热装置模拟沥青路面就地热再生施工中的加热机，用试验板模拟沥青路面，室内加热装置对试验板进行加热60 min，后散热60 min，通过温度探测器记录试验板中不同位置温度的变化。

④通过改变油石比、加热源温度、加热源高度、风速等因素，进行加热实验，并记录温度变化的数据，如图4所示。

图3 温度探头布置
Fig.3 Temperature probe arrangement

图4 室内加热实验
Fig.4 Indoor heating experiment

1.3 热传递效率计算公式

试验板吸收热量计算公式如式(1)所示，加热装置产生的热量计算公式如式(2)所示，热转化效率公式如式(3)所示。

(1)

式中，Q1为试验板吸收的热量，J；c为沥青混合料比热容，J/(kg· ℃)；m为沥青混合料质量，kg；ΔT为温度差，℃；ρ为试验板密度，kg/m3；S为加热试验板的面积，0.01 m2；at+b为根据实验所测的4个深度的数据拟合的深度与温度的关系式，℃；T0为试验板原始温度，℃。

(2)

式中，Q2为加热装置产生的热量，J；P为加热装置功率，w；t为加热时间，s；T为设置的加热温度，℃；Tmax为加热源最大温度，1 000 ℃；P0为加热装置最大功率，1 000 W。

(3)

式中，η为热传递效率， %。

1.4 试验材料及试件的性能参数

本次实验采用的试验板集料级配类型为AC-13,级配曲线如图5所示，沥青采用70号普通沥青。

图5 试验板合成级配曲线图Fig.5 Synthetic gradation curve of the test plate

采用以上级配，分别采用4.5 %、5.0 %、5.5 %的油石比制作马歇尔试件，测定空隙率，密度和比热容等数据，如表1所示。

表1 马歇尔试件检测结果Tab.1 Marshall test results

2 各因素对加热效果的影响

2.1 油石比对加热效果的影响

选用1.4中的级配，分别采用4.5 %、5.0 %、5.5 %的油石比成型试验板，按“1.2节”中的实验过程进行加热实验，设置加热源温度800 ℃、加热源高度10 cm，实验结果如表2和图6～图8所示。

图6 4.5 %油石比温度变化图
Fig.6 4.5 % oil-stone ratio temperaturechange diagram

图7 5.0 %油石比温度变化图
Fig.7 5.0 % oil-stone ratio temperaturechange diagram

图8 5.5 %油石比温度变化图Fig.8 5.5 % oil-stone ratio temperature change diagram

从表2和图6～图8中可以看出，在油石比不同的情况下，加热和散热的趋势基本相同，越靠近表面，温度上升和下降的幅度越大。为便于分析，将60 min时不同油石比试验板各层温度统计如表3所示。

表3 不同油石比60min温度统计Tab.3 Temperature statistics of different oil-stone ratios of 60 mins

从表3可以看出，随着油石比的增加，加热板对试验板的加热效果变差。在油石比上升1 %的情况下，深度1 cm的沥青混合料温度下降10.5 ℃，深度4 cm的沥青混合料温度下降8.1 ℃。随着油石比的上升，沥青混合料的孔隙率下降，比热容大的沥青取代了比热容小的空气。在沥青混合料体积和加热功率不变的情况下，油石比低的沥青混合料温度上升更快。

根据表2的数据，计算不同油石比试验板的热转化效率，如表4所示，从表中可以看出热转化效率随着油石比的增加而降低。

表4 不同油石比试验板热转化效率表Tab.4 Table of thermal conversion efficiency of different oil-stone ratio test plates

2.2 加热源温度对加热效果的影响

选用1.3中的级配，采用4.5 %的油石比成型3块试验板，设置加热源高度10 cm，调整加热源温度为600 ℃、800 ℃、1 000 ℃，按1.2中的实验过程进行加热实验，实验结果如表5和图9～图11所示。

表5 不同加热源温度试验板加热温度数据Tab.5 Heating temperature data of different heating source temperature test plates

图9 加热源温度600 ℃温度变化图
Fig.9 Temperature change diagram ofheating source temperature 600 ℃

图10 加热源温度800 ℃温度变化图
Fig.10 Temperature change diagram ofheating source temperature 800 ℃

图11 加热源温度1 000 ℃温度变化图Fig.11 Temperature change diagram of heating source temperature 1 000 ℃

从表5和图9～图11可以看出，在加热源温度变化的情况下，沥青混合料升温与降温的趋势基本相似，加热源温度越高，沥青混合料的加热效果越好，将60 min时不同加热源温度试验板各层温度统计如表6，计算不同加热源温度试验板的热转化效率，如表7所示。

表6 不同加热源温度60 min温度统计Tab.6 Temperature statistics of different heating source temperatures for 60 mins

表7 不同加热源温度试验板热转化效率表Tab.7 Thermal conversion efficiency table of different heating source temperature test plates

从表6和表7可以看出，加热源温度对试验板加热效果的影响显著，加热源温度从600 ℃提升到1 000 ℃，距离表面1 cm深度温度提高139.5 ℃，提升幅度达到101.2 %，距离表面4 cm处温度提高75.4 ℃，提高幅度达76.5 %。热转化效率随着加热源温度的升高而提高。

2.3 加热源高度对加热效果的影响

选用1.3中的级配，采用4.5 %的油石比成型3块试验板，设置加热源温度为800 ℃，调整加热源高度为5 cm、10 cm、15 cm，按“1.2节”中的实验过程进行加热实验，实验结果如表8和图12～图14所示。

表8 不同加热源高度试验板加热温度数据Tab.8 Heating temperature data of different heating source height test plates

图12 加热源高度5 cm温度变化图
Fig.12 Temperature change diagram ofheating source height 5 cm

图13 加热源高度10 cm温度变化图
Fig.13 Temperature change diagram ofheating source height 10 cm

图14 加热源高度15 cm温度变化图Fig.14 Temperature change diagram of heating source height 15 cm

从表8和图12～图14可以看出，在加热源高度变化的情况下，沥青混合料升温与降温的趋势基本相似，加热源高度越高，沥青混合料的加热效果越差，将60 min时不同加热源高度试验板各层温度统计如表9所示。

表9 不同加热源高度60 min温度统计Tab.9 Temperature statistics of different heating source heights of 60 minutes

从表9可以看出，加热源高度对加热效果的影响显著，加热源高度从5 cm提高到15 cm，距离表面1 cm深度温度降低244.7 ℃，降低幅度达到69.6 %，距离表面4 cm处温度降低114.2 ℃，降低幅度为53.7 %。在加热源高度5 cm的条件下，加热时间60 min时，距离试验板表面1 cm深度的温度为351 ℃，此时沥青已经严重老化，故不进行热转化效率的计算。热转化效率的计算如表10所示，从表中可以看出，热转化效率随着加热源高度的提高而降低。

表10 不同加热源高度试验板热转化效率表Tab.10 Table of Thermal Conversion Efficiency of Different Heating Source Height Test Plates

图15 不同风速下的加热实验Fig.15 Heating experiment at different wind speeds

2.4 风速对加热效果的影响

选用1.3中的级配，采用4.5 %的油石比成型3块车辙板，进行加热实验时在旁边放置一台小风扇，如图15，通过调节风扇的风速，来研究风速对加热效果的影响。设置加热源高度10 cm，加热源温度800 ℃，按1.2中的实验过程进行加热实验，实验结果如表11和图16～图18所示，当风扇分别处于1档、2档状态下，风速分别为1.39 m/s和2.78 m/s。

表11 不同风速试验板加热温度数据Tab.11 Heating temperature data of different wind speed test panels

图16 无风时温度变化图
Fig.16 Temperature change diagram without wind

图17 风速1.39 m/s温度变化图
Fig.17 Wind speed 1.39 m/s temperature change chart

图18 风速2.78 m/s温度变化图Fig.18 Wind speed 2.78 m/s temperature change chart

从表11和图16～图18可以看出，在风速变化的情况下，沥青混合料升温与降温的趋势基本相似，风扇风速越高，沥青混合料的加热效果越差，同时越接近表面，沥青混合料的散热速度也越快，原因为风带走了热量，影响了加热板将热量向下传递。将60 min时不同风速试验板各层温度统计如表12，计算不同风速试验板的热转化效率，如表13所示。

表12 不同风速60 min温度统计Tab 12 Temperature statistics of different wind speeds for 60 minutes

表13 不同风速试验板热转化效率表Tab.13 Table of thermal conversion efficiency of different wind speed test panels

从表12和表13可以看出，风速对加热效果的影响显著，风速从1.39 m/s提高到2.78 m/s，距离表面1 cm深度温度降低244.7 ℃，降低幅度达到69.6 %，距离表面4 cm处温度降低114.2 ℃，降低幅度为53.7 %。热转化效率随着风速的提高而降低。

3 施工碾压时间控制

根据广东省标准《沥青路面就地热再生技术规程》DBJ/T 15—127—2017的要求[17]，就地热再生施工过程中，再生混合料摊铺温度要大于或等于120 ℃，碾压终了温度要大于或等于70 ℃，假设施工中处于最不利条件，再生混合料摊铺温度为120 ℃，碾压终了温度为70 ℃，统计室内实验中试验板散热过程中，温度从120 ℃降到70 ℃的时间，如表14所示，对于部分加热温度未达到120 ℃的类型则不进行统计。

表14 试验板降温时间统计Tab.14 Statistics of cooling time of test plates

从表14可以看出在实验室理想环境下，试验板从120 ℃降到70 ℃的最低时间为31 min，在实际施工过程中，从再生混合料摊铺到路面碾压完成所需时间是小于31 min的。对于风速1.39 m/s和风速2.78 m/s的情况下，试验板从120 ℃降到70 ℃的时间为14 min和10 min，可见风速对路面降温速度的影响很大，而在室外环境中，2.78 m/s的风速是很常见的，因此，为保证施工质量，应加快施工速度，尽量缩短再生混合料摊铺到路面碾压完成的时间。

4 结论

本文通过设计一套室内加热实验方法，研究就地热再生施工过程中不同因素对沥青路面加热效果的影响，得出以下结论：

①随着油石比上升，加热板对试验板加热效果变差，原因是比热容大的沥青取代比热容小的空气，在沥青混合料体积和加热功率不变的情况下，油石比低的沥青混合料温度上升更快。

②在其他条件不变的情况下，随着加热源温度的升高，加热板对试验板的加热效果越好，热转化效率越高。

③在其他条件不变的情况下，随着加热源高度的升高，加热板对试验板的加热效果越差，热转化效率越低。

④在其他条件不变的情况下，随着风速的升高，加热板对试验板的加热效果越差，热转化效率越低。原因是风带走了加热板产生的热量。

⑤施工过程中风对路面的散热速度影响巨大，因此为保证施工质量，应加快施工的速度。