微波辅助加热材料对沥青混合料的影响

沈欣欣，张 杨

（1.金陵科技学院，江苏 南京 211169；2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112）

江苏省作为中国高等级公路建设和养护的典型省份，“十三五”末省内大部分高速的服役年限已超过10 年，江苏省高速公路的建养模式由“建养并重”向“养护优先”转变[1]。就地热再生技术可实现旧沥青路面铣刨料50%~100%的利用，就地热再生工艺在沥青路面养护与维修中得到了广泛应用[2]。传统的就地热再生存在着路表温度过高、沥青老化严重、面层受热不均匀、环境污染严重等问题。而新型的微波加热沥青路面技术，具有加热均匀好，不会产生原路面沥青的老化等优点，长安大学等科研院所长期致力于微波加热沥青路面的研究[3-5]。赵华[6]提出磁铁矿粉复合改性沥青混合料微波吸收性能的优化设计，研究成果适用于微波加热路面养护。郑志涛等[7]通过在沥青混合料中掺加二氧化锰，提高了微波对道路表面的修补。蔡园等[8]综述了国内外路用吸波材料在道路养护中的应用以及吸波沥青混合料的发展趋势。袁斌等[9]利用磁铁矿石集料制备的沥青混合料具有较好的微波吸收特性。关博文等[10]以磁铁矿粉制备的沥青混合料具有较大的复介电常数，电磁损耗较小，吸波性能优异。

综上所述，国内外学者多将吸波材料作为大粒径的骨料制备成沥青混合料来提高微波的加热温升效率，该方式在就地热再生工艺中难以实现。因此，本文基于微波辅助加热材料的研发，研究了微波辅助加热材料对沥青混合料的影响。

1 微波辅助加热材料的制备与性能评价

1.1 原材料

吸波材料：磁铁矿粉，粒径大小为800 目，黑色粉末，具有良好的吸波特性，如图1 所示。

图1 吸波材料

分散剂：六偏磷酸钠（TAMOL-N），粒径大小为500 目，相对密度2.347 g/cm3，棕色粉末状，可加速添加剂的扩散速度，缩短分散时间，如图2 所示。

图2 分散剂

粘结剂：羟丙甲纤维素（HPMC），白色或类白色粉末状，粒径大小为200 目，相对密度1.39 g/cm3，能加强材料与物质的吸附作用，如图3 所示。

图3 粘结剂

1.2 微波辅助加热材料的制备

微波辅助加热材料（记为MAHM）由吸波材料、分散剂和粘结剂复合而成。其中分散剂和粘结剂的掺量分别为吸波材料质量的0.2%，将三者混合均匀后，利用小型复拌机进行搅拌，复拌机的转速为200~300 r/min，待三者搅拌均匀后，密封置于室内阴凉处备用，严禁吸波材料受潮。

1.3 MAHM 的温度敏感性

为验证MAHM 的高温稳定性，实验室取适量的MAHM置于马弗炉内，调节马弗炉的温度分别为常温、300 ℃、400 ℃、500 ℃，对比MAHM 的理化特性变化，试验结果如图4 所示。

图4 不同温度作用下MAHM 的变化

由图4 可以看出，MAHM 在高温作用下，从常温到500 ℃由黑色变成红棕色，温度越高反应越明显。分析原因可知，MAHM 中吸波材料的主要成分是Fe3O4，在高温作用下，极易氧化成Fe2O3，Fe 元素由+2 价变为+3 价，吸波材料由铁磁性向顺磁性转变，材料的吸波性能降低，MAHM就有较高的温度敏感性。

2 微波辅助加热材料对沥青混合料性能的影响

2.1 MAHM 对沥青混合料温升的影响

基于体积置换法成型不同掺量MAHM 的石灰岩AC-13和玄武岩SMA-13 沥青混合料，室内采用工作频率为2 450 MHz 的微波炉对沥青混合料进行加热试验，微波加热不同类型沥青混合料的温度变化如表1 和表2 所示。

表1 微波加热一定时间后AC-13 沥青混合料的温度（单位：℃）

表2 微波加热一定时间后SMA-13 沥青混合料的温度（单位：℃）

由表1 可知，随着微波加热时间的延长，当MAHM 掺量由0.1%增加到2%时，石灰岩AC-13 沥青混合料的温度随MAHM 掺量的增加呈先快速增大后稳定的趋势。

当微波加热8 min，且MAHM 的掺量为矿料的1%时，石灰岩AC-13 沥青混合料的吸波升温性能提高80%。确定石灰岩AC-13 沥青混合料的MAHM 的掺量为矿料质量的1%。

由表2 可知，微波加热5 min，当MAHM 掺量分别为矿料的2.0%、5.0%时，玄武岩SMA-13 沥青混合料的加热温度与未掺加MAHM 的SMA-13 沥青混合料相比，从140.1 ℃提高到164.1 ℃、167 ℃，温升速率从22.62 ℃/min提高到27.42 ℃/min、28 ℃/min，确定玄武岩SMA-13 沥青混合料的MAHM 的掺量为矿料质量的2%。

2.2 MAHM 的掺加对沥青混合料性能的影响

为验证MAHM 的掺加对沥青混合料路用性能的影响，室内成型掺加1%的MAHM 的石灰岩AC-13 沥青混合料，分别进行高温性能、低温性能试验，试验结果如表3~表5所示。

表3 车辙试验结果

表4 冻融劈裂试验结果

表5 低温小梁弯曲试验结果

表5（续）

综合沥青混合料的室内试验结果可知，掺加MAHM 的沥青混合料与未掺加MAHM 的沥青混合料的高温性和低温抗裂性能相近，表明MAHM 的掺加对沥青混合料的路用性能影响较小。

3 结论

本文通过对微波辅助加热材料的研发以及微波辅助加热材料对沥青混合料性能的影响，主要结论如下：①MAHM对温度变化较为敏感，随着温度的提高，MAHM 由铁磁性向顺磁性转变，吸波能力衰减；②基于MAHM 对微波加热不同类型沥青混合料的温升效果，MAHM 在石灰岩AC-13和玄武岩SMA-13 沥青混合料中的掺量分别为1%和2%；③MAHM 的掺加对微波加热沥青混合料具有较好的温度提升效果，且不影响沥青混合料的路用性能。