沥青路面养护维修中微波加热技术的应用

王贵波

(山西交通控股集团有限公司长治高速公路分公司,山西 长治 047300)

0 引 言

沥青混凝土路面因使用性能优异而在我国高速公路建设中广泛应用,但是使用期间因行车荷载反复作用及降雨等外界因素的影响,会出现裂缝、坑槽、车辙等病害,影响行车安全、舒适性及路用性能的正常发挥。传统的养护方式工期长、效率低、养护效果一般,对病害旧料铣刨、挖除处理还会产生大量建筑废料。微波加热技术对于旧沥青路面裂缝、坑槽、车辙等病害修复效率高,效果好,且能充分利用旧料,无建筑废料产生。但是该技术在国内并未得到大范围推广和应用,为此,依托具体公路沥青路面病害实际,对微波加热技术原理及应用展开分析探讨,以资借鉴。

1 微波加热技术原理

1.1 技术原理及特征

微波加热并非通过热传导过程达到加热目的,而是依靠热量辐射实现加热,介质材料在吸收微波能量后将其转化为热能,并在微波电磁场的作用下在材料中偶极子;此后,随着高频交变电磁场摆动速度的增大,分子必须克服原热运动及相互作用而重新排列。在重新排列的过程中,分子之间的摩擦作用会释放大量热量[1],最终达到介质材料自身吸热并升温的目的。

通过比较微波加热和常规加热过程见图1,微波加热区箱体属于多模谐振腔,该区域的微波功率主要用于腔壁能耗、腔体内能量储存、充填介质功率损耗[2]。箱体采用金属材料,故腔壁因吸收微波而产生的损耗占比并不大,腔体内所进入的微波能量大部分均能被充填介质所吸收,说明微波加热技术具有能量利用率较高的优势。图中1、2、3分别表示温度梯度方向、热量传递方向及蒸汽扩散方向。充填介质对微波功率的损耗[3]按照下式确定

(1)

根据热传递方程

T=T0+(ω/4k)(R2-r2)+ωR/2α

(2)

式中:T0为结构周边温度;ω为结构内部平均功率密度;R为结构外径;r为结构内径;α为热量散失系数;其余参数含义同前。据此可以得出,微波加热技术加热均匀且高效,微波加热介质自身即为发热体,无需热传导,可在短时间内达到预计加热效果[4]。

1.2 微波加热对沥青温度的影响

性能试验在该工程试验室进行,采用1台额定功率800 W,频率2.45 GHz,容量为25 L的微波炉进行沥青、集料和混合料微波加热,以模拟微波加热施工过程。加热时将沥青等材料均放置在透明的耐热玻璃烧杯中,按照试验规程进行加热,加热过程中沥青等材料温度通过红外温度计实时测量。根据测量结果,将沥青材料在微波炉中的温度随加热时间的变化趋势绘制成曲线,沥青的微波升温曲线及室温环境下降温曲线见图2。由图可知,沥青材料对微波具有一定的吸收效果,将沥青从23 ℃加热至150 ℃,所需要的时间为45 min;升温过程近似呈线性趋势,且升温速率基本稳定在2.3 ℃/(min·kg);降温速率则与环境温差有关,环境温差越大,则降温速度越快。

图2 微波加热过程中沥青温度变化曲线

根据试验结果,微波加热次数分别为2次、4次和6次时,针入度依次下降3.2%、4.3%和5.2%,延度分别减小6.8%、24.3%和32.5%,软化点依次增大1.2%、5.9%和11.8%。随着微波加热次数的增多,沥青材料老化特征明显,为此,应当严格控制沥青材料加热时间和加热次数。

2 工程概况

山西某高速公路于2009年建成运营,因公路建筑材料选用、施工工艺等要求较为严格,在公路运行前几年沥青路面各类病害较少。此后随着交通量的逐渐增长,交通运营逐渐表现出车辆大型化、超载化趋势特征,再加上降雨等不利环境,部分路段沥青路面先后出现车辙、裂缝、水损等病害。为积极探索养护新技术、新工艺及新养护机械在该病害路段中应用的可行性,公路管理部门采用沥青道路微波养护车和微波加热技术,对该公路沥青路面病害进行处治和修复。在病害处治前,通过常规路面检测车及人工对病害路段路面损坏情况展开调研,并将病害分成横向裂缝、车辙、坑槽、沉陷等种类,记录病害具体位置坐标及严重程度。

3 微波加热技术应用

3.1 再生设备选用

该沥青路面微波加热施工的主要设备是热再生机组,加热墙是提供辐射热能的关键部件,对旧路面既要控制加热时间和深度,又要避免因加热时间过长、温度过高而造成沥青材料老化,影响再生性能。该路面所使用的微波加热设备同时具备热铣刨、新混合料添加及拌和、摊铺等功能。该设备发电机组输出功率为150 kW,额定频率50 Hz,正常加热深度为80～120 mm,持续加热时间为15～25 min;其加热墙分隔为数个区域,能在15 min以内将厚度为10 cm的沥青路面加热至140 ℃高温状态。辅料加热器则能按照800～1 000 kg/h的量固定供应热沥青混合料。通过装置所喷洒的乳化沥青可同时作为再生剂和粘结层使用。该设备还以水冷型大功率磁控管为功率源,冷却效果好。微波加热养护设备功能模量及技术特点如表1所示。

表1 微波加热养护设备功能模量及技术特点

3.2 微波加热修补车辙

该沥青路面车辙类型分为压密型和失稳型两种,根据车辙类型及微波加热技术原理,可将车辙修复工艺分为直接碾压和耙松两种,两者分别适用于压密型和失稳型车辙的修复[5]。

(1)直接碾压。根据室内试验结果,在利用微波加热设备加热后立即碾压,能在不破坏原路面结构的基础上起到较好的补充压实效果,尤其在较大的压实功下,会明显减小沥青混合料孔隙率,提升旧沥青路面抗变形性能和密实度。在施工开始前,将病害区域杂物、积水、尘土等彻底清除,确保待处理路面清洁干燥;对于宽度在2.5 cm以内的车辙,直接加热;而对于宽度超出2.5 cm的车辙,必须量化确定出所掺加新混合料的数量,将新混合料均匀摊铺于旧沥青路面后再通过加热设备予以加热;对于深层车辙,为保证处治效果,必须分层加热,分层压实。

(2)耙松。与直接碾压施工一样,在施工前将病害区域杂物、积水、尘土等彻底清除,使待处理路面保持清洁干燥;通过施工机械微波加热病害区,再将加热后软化的病害区耙松,通过向耙松料中喷洒乳化沥青,使沥青性能快速恢复,再按照设计要求添加新混合料并拌和均匀后铺平;使用微波加热设备的压实功能碾压修补区域至设计压实度和平整度。

旧沥青路面表层混合料经耙松处理后均匀性显著提升,但对原路面结构会造成一定程度的破坏,修复的混合料稳定度会降低,孔隙率提高,即使施工温度和压实功与新建路面相同,力学性能也无法达到相等水平。

3.3 微波加热修补裂缝

在应用常规灌缝修补工艺时,灌缝料与周围旧沥青料粘结难度大,影响灌缝修补效果。而微波加热技术可快速预热裂缝周围旧沥青料,加强灌缝料和旧料的粘结效果。在加热前彻底清扫裂缝病害部位,通过微波养护车将裂缝四周旧料加热至120～150 ℃,灌注沥青灌缝料,待修补后的区域材料温度降至环境温度时即可开放交通。

3.4 微波加热修复坑槽

使用微波加热设备直接加热该公路病害沥青路面坑槽部位,待加热至设计温度后再喷洒改性沥青再生剂,翻拌、碾压后达到路面热再生的目的。基于微波加热的旧沥青路面坑槽修补过程工艺简单、加热速度快,可有效避免传统坑槽修补方法对旧料的铣刨、切割、破碎和挖除,能充分利用旧料,废料产生率为零,还能省去现场熬制沥青的环节,直接喷洒改性沥青再生剂实现旧料性能的恢复与再生。

将微波加热养护设备停放至坑槽上方,打开加热开关后结合病害深度确定加热时间,此后将病害区域持续加热至120～150 ℃,这一过程中应严格控制加热时间,避免因加热过长引发沥青性能老化。使用铁锹等工具将加热后的病害区域旧料全部疏松翻拌,再按照0.5 L/m2的使用量向翻松的旧料均匀喷洒乳化沥青,边喷洒边翻拌,确保拌和均匀。结合试验段所确定的松铺系数及病害面积,掺加热拌沥青混合料,按设计要求摊铺至设计平整度。最后,通过微波加热养护设备多遍碾压,达到设计压实度和平整度,并不得与原路面存在高差。

坑槽处治结束后按照《公路沥青路面养护技术规范JTG 5142-2019》、《公路路基路面现场测试规程JTG E60-2018》等规定,应用3 m直尺测量路面平整度,使用核子密度仪检测压实度,并采用相应检测技术展开对表面构造深度及渗水系数等参数值的检测。在试验段共设置5个测点,检测结果如表2所示。应用微波加热养护技术处治后沥青路面压实度、平整度及构造深度均满足相关规范,也说明微波加热技术对具体沥青路面病害处治较为适用。

表2 坑槽处治施工效果检测

4 结 论

综上所述,应用微波加热技术处治病害沥青路面后可使沥青混合料高温抗变形性能显著提升,水稳性和低温性能略微降低。车辙修复后混合料密实度、动稳定度均有所提高,对于车辙修复期间可能出现的泛油问题,可在旧料加热后温度较高期间均匀撒布粒径3～5 mm粗砂,并碾压平整,以有效解决。微波加热修复裂缝后接缝处与灌缝材料可较好结合,养护质量有保证。坑槽病害的微波加热处治和修复不会像常规铣刨、挖除处理过程产生大量旧料,而是在旧料上均匀喷洒乳化沥青再生剂改性后重新利用旧料,处治效果完全符合相关规范,经济效益、社会效益和环境效益十分显著。