（机械电子工程专业论文）沥青路面微波现场热再生实验研究.pdf

中文摘要沥青路面微波现场热再生实验研究硕士研究生：吴金花指导教f ) i l i 史金飞教授学校：东南大学摘要本课题是江苏省科技成果转化资金项目( 项目编号：b a 2 0 0 6 0 6 8 ) “沥青路面现场微波热再生养护装备关键技术研究”的子课题。主要研究内容如下：1 设计了沥青路面微波现场热再生的实验系统。将实验系统分为微波加热装置、带有某种病害的沥青混合料试样、介电常数测试系统、红外在线测温系统、微波加热控制装置及微波防泄漏安全装置，并搭建了实验平台。2 对辐射加热器的结构尺寸进行了优化设计。分别建立了磁控管最佳安装位置及加热器离地面最佳辐射高度模型，利用 e 3 d 仿真分析并进行参数优化，优化结果显示可使反射系数减小，能量利用率提高；设计了一种加热器并进行了实验，结果发现沥青料温升增大，仿真结果和实验结果相吻合，验证了模型的正确性和优化的可靠性，为沥青路面微波热再生提供了理论依据和实践指导。3 采用了自由空间反射法来测量沥青混合料复介电常数。从麦克斯韦方程出发，讨论了沥青混合料介电常数的定义。运用微波网络的思想和传输线理论，建立了自由空间反射法测试沥青混合料介电常数的模型。根据测量原理，搭建了自由空间法测试平台，研制了适于该系统的校准方法，选择的矢量网络分析仪发射、接受电磁波信号，并自动完成运算，显示出沥青混合料的介电常数。4 设计了3 x 3 点阵的网式红外在线测温系统。建立了红外在线测温的数学模型，通过模型发现测温误差的来源有沥青混合料的发射率和环境的辐射。为提高测量精度，设计了截止波导管使红外测温仪的探头远离了电磁场测试环境。另外又研究了两种确定沥青混合料发射率的简易方法，实验效果良好。关键词：沥青路面，微波现场热再生，辐射加热器，红外测温仪，介电常数，自由空间法英文摘要e x p e r i m e n t a ls t u d yo nm i c r o w a v eh e a t i n gf o rh o ti n - - p l a c er e c y c l i n go fa s p h a l tp a v e m e n t sb yw uj i n - h u as u p e r v i s e db yp r o f s h lj i n f e is o u t h e a s tu n i v e r s i t ya b s t r a c tt h ep r o j e c ti sas u b p r o j e c to ft h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya c h i e v e m e n t st r a n s f o r m a t i o nf u n dp r o j e c to fj i a n g s up r o v i n c e ( p r o j e c tn u m b e r ：b a 2 0 0 6 0 6 8 ) - r e s e a r c ho nm a i n t e n a n c ee q u i p m e n tk e yt e c h n o l o g yo fm i c r o w a v eh e a t i n gf o rh o ti n p l a c er e c y c l i n go fa s p h a l tp a v e m e n t s t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ：1 t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mo fm i c r o w a v eh e a t i n gf o rh o ti n p l a c er e c y c l i n go fa s p h a l tp a v e m e n t si sd e s i g n e d t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mi sd i v i d e di n t om i c r o w a v eh e a t i n gd e v i c e 。a s p h a l tm i x t u r es a m p l e sw i t hs o m ed i s e a s e ，p e r m i t t i v i t ym e a s u r i n gs y s t e m ，i n f r a r e do n l i n et e m p e r a t u r em e a s u r i n gs y s t e m ，c o n t r o ld e v i c eo fm i c r o w a v eh e a t i n ga n ds a f e t yd e v i c eo fm i c r o w a v el e a k a g ep r o o i na d d i t i o n ，t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi sb u i l t 2 t h es t r u c t u r a ld i m e n s i o no fr a d i a t i o nh e a t e ri so p t i m i z e d m o d e l so ft h eb e s tf i x i n gp o s i t i o nf o rm a g n e t r o na n dt h eo p t i m a lr a d i a t i o nh e i g h tf r o mh e a t e rt ot h eg r o u n da l eb u i l t t h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t so fs i m u l a t i o na n a l y s e sa n dp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nb a s e do ni e 3 d s h o wt h a tr e f l e c t a n c ed e c r e a s e sa n de n e r g yu t i l i z a t i o nr a t i oi n c r e a s e s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l th e l db yt h eh e a t e rs h o w st h a tt e m p e r a t u r eo fa s p h a l tm i x t u r e si n c r e a s e s ak i n do fh e a t e ri sd e s i g n e da n dt h ee x p e r i m e n t sb a s e do ni ts h o wt h a ta s p h a l tt e m p e r a t u r ei n c r e a s e s s i m u l a t i o nr e s u l t sa g r e ew e l l w i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w h i c hv a l i d a t et h ec o r r e c t n e s so fm o d e la n dt h er e l i a b i l i t yo fo p t i m i z a t i o n a n dt h et h e o r e t i c a lb a s i sa n dt h ep r a c t i c a lg u i d a n c ea r ep r o v i d e df o rm i c r o w a v eh e a t i n gf o rh o tr e c y c l i n go fa s p h a l tp a v e m e n t s 3 t h ep e r m i t t i v i t yo fa s p h a l tm i x t u r e si sm e a s u r e dw i t ht h ef r e es p a c er e f l e c t i o nm e t h o d t h ed e f i n i t i o no fp e r m i t t i v i t yo fa s p h a l tm i x t u r e si sd i s c u s s e db a s e do nm a x w e l le q u a t i o n s t h em o d e lo fm e a s u r i n gp e r m i t t i v i t yo fa s p h a l tm i x t u r e sb yf r e es p a c er e f l e c t i o nm e t h o di sb u i l tb a s e do nt h o u g h to fm i c r o w a v en e t w o r ka n dt h e o r yo ft r a n s m i s s i o nl i n e a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e m e n tp r i n c i p l e s ，t h ef r e es p a c em e a s u r e m e n tp l a t f o r i l li sb u i l ta n dt h ec a l i b r a t i o nm e t h o ds u i t a b l ef o rt h es y s t e mi sd e v e l o p e d t h ev e c t o rn e t w o r ka n a l y z e rl a u n c h e sa n dr e c e i v e se l e c t r o m a g n e t i cw a v es i g n a l s ，c a l c u l a t e sa u t o m a t i c a l l ya n ds h o w st h ep e r m i t t i v i t yo fa s p h a l tm i x t u r e s 4 t h ei n f r a r e do n l i n et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e mw i t h3x3n e t w o r ki sd e s i g n e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fi n f r a r e do n l i n et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti se s t a b l i s h e d i ti sd i s c o v e r e df r o mt h em o d e lt h a tt h es o u r c eo ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n te r r o ri n c l u d e st h ee m i s s i v i t yo fa s p h a l tm i x t u r e sa n dt h ee n v i r o n m e n t a lr a d i a t i o n i no r d e rt oi m p r o v em e a s u r e m e n tp r e c i s i o n ，t h ec u t o f fw a v e - g u i d ek e e p i n gs e n s o ro fi n f r a r e dt h e r m o m e t r i ci n s t r u m e n tf a rf r o me l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt e s t i n ge n v i r o n m e n ti sd e s i g n e d i na d d i t i o n ，t w os i m p l em e t h o d st om e a s u r et h ee m i s s i v i t yo fa s p h a l tm i x t u r e sa r er e s e a r c h e d ，a n dt h ee x p e r i m e n te f f e c ti sg o o d k e yw o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t s ，m i c r o w a v eh o ti n - p l a c er e c y c l i n g ，r a d i a t i o nh e a t e r , i n f r a r e dt h e r m o m e t r i ci n s t r u m e n t ，p e r m i t t i v i t y , f r e es p a c em e t h o di i东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南火学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：萎盒旌；e t研究生签名：交显赴，东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。研究生签名：交金逛导师签名：生当竺日期：捌，w第一章绪论1 1 课题的背景及意义第一章绪论我国高速公路的建设自1 9 8 9 年起得到了飞速的发展，2 0 0 0 年已居世界第二位。目前，我国高速公路中沥青路面占9 0 以上，这些路面在长期的使用过程中，由于自然环境以及行车使用的影响，不可避免地会出现各种形式的损害，诸如车辙、推移、裂缝及剥离等。这种病害严重影响了道路通行效率，是影响行车安全的重要因素之一。对高等级沥青路面实行高质量保养以及对损坏的沥青路面进行快速维修是当今公路工程技术人员迫切需要解决的问题。在养护、大修或重建的过程中，会产生大量的废旧沥青混合料。这些沥青混合料中的石料和沥青还有一定的使用价值。如果这些沥青混凝十不能合理有效地回收利用，不仅浪费资源，增加公路修建的成本，而且污染环境，因此，重复利用废旧沥青混合料是公路建设和发展的必然。沥青路面现场热再生技术是一种具有国际水平的高等级技术，采用就地加热、翻松、搅拌、摊铺、压实等连续作业。它通过加热软化路面，铲起路面废料，再和沥青粘合剂混合，有时可能还需要添加一些新的骨料。然后将再生料重新铺在原来的路面上。一般用一台大型“沥青路面热再生联合机组”( 又称热再生列车) ，先把沥青路面烤热软化，再将旧沥青层收集起米输送剑该机组中的双卧轴连续搅拌机上，添加新骨料、补充新沥青，搅拌后排到机组的摊铺器上，摊铺、捣实、熨平，再用压路机碾压，铺成一条新路。相对于传统的路面病害处治方式，现场热再生技术的优势主要体现在以下几个方面【l 】：1 ) 提高了路面修补质量就地热再生技术进行病害处治时，由于对病害区域和周嗣区域都进行加热，实现了修补区域和四周侧面、底面的热粘结，消除了原先传统处治方法存在的弱接缝和弱界面，极大地提高了修补后新l f j 路面的结合力，提高了路面修补质量。2 ) 提高了路面养护工作效率传统的路面病害处治方式，工序比较复杂，有时候为了一个病害要调用多台人型设备，而采用就地热再生技术，一台沥青路面热再生修补车就可以进行全过程处理；对于较长段落的病害处理，可以使用大型就地热再生机纽进行处理，其施工速度可达3m m i n - - 1 0 m m i n ，效率高于传统铣刨重铺的方法。而且，施 二时占用的工作面小，不受大的交通流量限制，施工结束后即可开放交通。3 ) 实现材料的1 0 0 利用任何直接重铺或铣刨后再填补的工程都可以采用热再生的方法，就地热再生技术能够很好地保证骨料的尺寸大小不变，通过添加再生剂可以恢复沥青性能，实现旧路面混合料就地再生利用，也就不再需要运输废料及准备废弃物堆放场地，节约了能源、材料和- 十地，保护了环境，符合国家的可持续发展战略。4 ) 可缓解半刚性基层反射裂缝半刚性基层反射裂缝是一个一直困扰我们的问题，采用就地热再生技术可以对裂缝进行比较好的处理，通过再生罩面，路面的裂缝宽度相比传统罩面施工大大减少，能有效地缓解或解决裂缝问题。沥青路面的现场热再生技术可分为：红外线热再生和微波热再生。红外线加热技术主要是燃烧液化气通过红外线发生器产生红外线辐射热源，对沥青路面加热。红外线波长通常在l m m 左右，所以加热深度通常3 c m - - 4 c m ，能有效加热到沥青路面的较深层部位。但是，红外辐射加热属于表面热传导加热方式，它不能解决易使沥青二次老化的加热不均匀问题，极容易出现表面沥青焦化而里层还朱达到施工温度的现象，这不但降低路面的实际施_ 质量，也污染环境；而且采用液化气( l p g ) 燃烧，也存在安全方面的隐患 2 1 。微波作为一种新型能源，已在工业上得到了广泛的应用。微波加热依靠增加材料分子运动的动能来使加热物体升温，加热时由内及外，具有深部加热、热惯性小、控制容易的特点，特别适合导热性能极筹的沥青路面的加热，并且不受气候限制，可以一年四季全天候工作，将微波加热技术与现场路面热再生技术结合起来，可以更好地解决目前路面加热技术中存在的不足。微波加热沥青混合料具有以下显著优点【3 1 ：东南大学硕上学位论文1 ) 具有较高的效率由于微波能是直接穿透沥青混合料内部的，使沥青混合料能里外同时加热，从而大火缩短了加热时间，因此，应用微波加热沥青混合料可显著提高路面维修的生产效率，提高路面质量。2 ) 控制及时采用微波加热，给上电源儿分钟即可正常运转，调整微波输出功率，物料的加热情况立即无惰性地改变，便于进行自动控制和连续生产。3 ) 热效率高目前，微波系统将5 0 h z 的交流电转换成沥青混合料中的热，效率通常在9 0 左右，随着磁控管效率的提高将进一步提高微波加热的效率。4 ) 微波加热清洁卫生、无污染微波能只要满足一定的技术规范和卫生标准，采用合适的防泄漏措施，它是安全的。采用微波加热沥青混合料将使旧沥青混合料的回收效率进一步提高，同时避免了传统加热方法对周围空气的污染。1 2 课题的国内外研究现状1 2 1 国外研究现状在微波热再生沥青混合料的研究方面：1 9 8 0 年，m c b e e 等研制出用微波加热沥青料再添加硫磺来回收废旧沥青料的新方法，研究显示该方法经济性好，且处理后的沥青料针入度提高 4 1 。1 9 8 8 年，a i o h a l y ，a a 研究了微波加热对沥青料粘度和湿度的影响，从两方面来验证微波能提高沥青的粘度：讨论当混合料暴露于微波能下时粘度会提高的可能机理；采用对流炉和微波炉对沥青混合料进行弹性模量和霹雳抗拉测试，实验结果验证了微波加热能提高沥青的粘度和对水损害的抵抗力【5 】。文献【6 7 】中提到某公司用微波加热技术再生的废旧沥青料，不仅保持其原有路用性能不变，而且生产成本降低了1 3 ，节约了大量资源。1 9 9 5 年s h o e n b e r g e r 等对再生沥青混凝土技术进行了研究，过微波加热使得以前对沥青路面回收率从4 0 - 6 0 提高到了1 0 0 ，并通过常规粘度和渗透试验进行了评价，发现在微波加热高温后沥青会发生氧化和硬化现象，但是粘度和其变化规律不一致【引。同年，b i s h a r a ，s w 住微观角度研究了微波能对沥青性能的影响，在微波的辐射下带有偶极子的非对称有机分子，正负电子永久性分离发生激励旋转，由于旋转频率较高、沥青介电常数较低沥青分子不能达到电磁场的旋转速度，介电损耗以热量的形式消散在沥青中【9 1 。将微波加热应用于沥青路面现场热再生研究方面：b o s i s i o 等证明用2 4 5 0 m h z 的微波可在4 秒- - 5秒内修补厚1 2 c m 的沥青路面裂缝且不破坏沥青路面路用性能。1 9 7 3 年秋天，又随后用该微波加热单元成功修复了长1 2 英尺、宽0 5 英尺、深6 英尺的沥青高速公路裂缝，经过1 9 7 3 1 9 7 4 整个冬季繁重的交通，修复的路面仍保持了较好的性能i l 。2 0 0 2 年，k i msj 提出了一种用微波加热技术来修补路面病害的方法，结果证明，采用微波加热修补要比常规加热方式修补更持久，且不存在结合缝的问题【1 1 1 。在微波加热装置的设计方面：1 9 7 8 年b o y k o 等研究开发了一种装在卡车底柱上的微波路面修补工程车，该车加热装置首次采用多单元组合微波源，通过在槽形波导壁上开缝隙以漏波进行辐射加热1 1 2 1 其后t h u e r y 等又进行了加热装置的研究。这些装置大都采用人功率工业专用磁控管，结构复杂，需制作精心保护装置如制作环行器以防止微波反射对磁控管的损坏，性价比不高而没有得到推广应用。在沥青混合料介电常数的测试方面：19 9 1 年，u m a f imh 发表了自由空间双静态校准测量平板样品的平行、垂直极化波反射系数的文章【l3 1 。文中采用了点聚焦透镜天线，成本较高，且在低频段时尺寸较大，制造安装是一大难题。s a r a b a n d i 等人开发了一种测试沥青混合料介电常数的实验程序，在该程序中，圆柱形沥青混合料上的反射参量片j 厘米波雷达传感器测出，然后通过一个反射参量模型计算出沥青混合料的介电常刿1 4 j 。2 0 0 5 年，s u z u k i 等人设计了一种厘米波段自由空间反射法测试介质介电常数的方法i l 引。实验装置需要两个喇叭成一定角度分布，对安装精度要求较高。2 0 0 6 年，u g u rch 提出了在电磁波远场，用自动微波测试系统米测量高损耗材料的介电常数【1 6 1 。2第一章绪论可见，将微波加热应用于沥青路面现场热再生，国外已有多例成功的例子。但在2 4 5 0 m i - - l z 频段内测试沥青混合料这种低耗材料的介电常数方面，组合式辐射加热器结构优化设计方面以及红外在线测温等方面的研究还较欠缺。1 2 2 国内研究现状国内对微波加热技术的应用研究很多，如干燥、改性、食品储藏、烧结、杀菌、化工合成与催化等。康爱红等采用微波辐射的方法对废胶粉表面进行改性活化，制备了废胶粉改性沥青，结果表明：微波辐射废胶粉改性沥青的路用性能要优于普通废胶粉改性沥青混合料的路用性能【1 7 】。关明慧等提出了应用微波加热技术清除道路积冰的设想，实验研究发现冰雪吸收微波能力很强，除冰效果很好【博】。而将微波加热应用剑沥青路面再生则是个新兴的研究方向。袁海军等进行了微波加热陶瓷材料及红外线加热陶瓷材料实验，结果证明微波加热具有良好的均匀性，更能使腔体内各部位达剑灭菌的目的【19 1 。在微波再生机理方面：朱松青等为了客观反应微波加热沥青混合料的过程，将沥青混合料作为慢温变材料建立了一个二维菲线性热电耦合模型，并提出了按微波周期为时间步长交替迭代的求解方法i 2 0 l 。在微波加热应用到沥青路面养护方面，文献 2 1 】介绍了微波加热技术在沥青路面道路养护技术中的应用和发展，研究表明，微波加热具有效率高、无污染特点。李万莉等建立了三维有源非稳态加热模型，采用时域差分法求解耦合的麦克斯韦波动方程及热力学方程组，求得了沥青混凝十路面的温度场【2 2 1 。在再生沥青料的性能方面：薛亮等用微波加热设备实验，研究了微波加热沥青混凝土路面的均匀性和微波加热沥青混凝土路面的最佳厚度，结果表明，微波对沥青混合料的加热有着快速、穿透深度大以及受热均匀一致等优点1 2 3 1 。李红群进行微波加热沥青料的试验研究，分析了微波加热对沥青混合料老化的影响，验证了微波加热的及时性、稳定性、持久性【2 训。在微波加热装置的设计方面：庞传欣等利用c s t 软件对组合式辐射加热器的关键尺寸进行优化仿真，加热器丁二优化前相比降低了电磁反射，提高了功率耦合效率【2 卯。在蔡俊日的手推式除冰扫雪机专利中，选择的是被称为近场微波炉的辐射型微波加热器，在这种加热器里，能量是由槽缝辐射出的，槽缝是在一个金属板上开的若干个半波长谐振槽，这些槽由天线室提供能量，天线室通过上面的波导经过对称地放置在天线室的十字天线进行能量的传输。通过槽缝的辐射，微波就可以比较均匀地辐射到箱体下面的路面并加热【z 6 j 。另外，也出现了各种利用微波加热技术的修路工程车，1 9 9 9 年上海通用电子技术服务公司推出微波沥青路面热再生技术修复机；2 0 0 4 年，“东威特公路养护设备有限公司u7 j 和浙江兰亭高科有限公司分别推出了基于微波加热沥青路面现场热再生养护工程车”【2 s 】。在介质材料介电常数的测试方面：张伟等用自由空间法测量了4 种聚合物复合材料样品在x 波段( 8 2 g h z 1 2 4 g h z ) 的复电磁参数，并用波导测量法进行了验证。研究结果表明自由空间法测量复合材料电磁参数具有较高的精确度b 9 1 。贡华连等修正了用同轴探针法测量介质的复介电常数模型，经实验验证，修正的模型比较适合测量虚部较小的介质p 0 1 。魏玮等对实地测量介电常数的常用方法进行了总结，着重对其中利用单极振子进行测量的各种实地检测法进行了分析比较。为了方便野外实地测量及未来深空探测发展的需要，研制了一套实地测量介电常数的简易系统。介绍了该系统的测量原理，利用该系统对儿种介质的介电常数进行了测量，并与网络分析仪的测量结果进行了比较。该系统的主要优点在于体积小、重量轻、测量精度较高1 3 1 1 。在微波热再生在线测温方面：由于强电磁场的存在，使得微波场中的温度测温成为一个技术难题。传统测温元件如热电偶测温时采用接触测温，测温探头及导线在微波场作用下易产生感应电流，使自身温度升高，对温度测量造成严重干扰，且容易引起微波短路、驻波、间隙放电甚至烧毁测温元件和磁控管等现象，另外微波场内的高频电压和电流对测温元件引线中传输的较小低频缓变温度电信号的干扰十分严重1 2 j ，因此并不能j “泛得以推广。东南大学j 二程机械研究室在温度测试方面取得了一定的成果，最早使用的手持式红外测温仪能针对不同物体自动测试出物体温度，其不足之处在于只能进行单点温度测量，不能进行在线测温。目前实验室正利用红# i - n 温仪和红外热像仪来检测温度，具体正在研究之中。3东南大学硕士学位论文可见，国内对沥青路面微波现场热再生技术的研究多集中在微波加热沥青混合料的机理、微波再生后沥青混合料的性能等方面。而微波加热器的结构优化设计、沥青料介电常数的测试和沥青路面在线测温方面的研究偏少，且关于微波现场热再生沥青混合料的实验研究还缺乏一套完整的设计体系。1 3 课题的研究内容应用电磁波传播、微波加热技术、微波技术与天线等理论及数学建模、数值分析等方法。以计算机、矢量网络分析仪、微波漏能测试仪、红外测温仪及在研江苏省科技成果转化资金项目b a 2 0 0 6 0 6 8 的微波加热实验装置等为实验平台，采用实验为主，理论为辅的研究方法展开沥青路面微波现场热再生实验的研究。主要研究内容如下：1 ) 沥青路面微波现场热再生实验系统设计。实验系统总体上由以下几部分组成：微波加热装置、带有某种病害的沥青混合料试样、沥青混合料复介电常数测试系统、网式红外在线测温系统、微波加热控制装置及微波防泄漏安全装置。2 ) 辐射加热器结构尺寸的优化设计。根据矩形波导传输电磁波的条件，设计波导宽窄边的尺寸；运用波导激励与耦合的理论和广义传输线理论，建立辐射加热器关键尺寸和辐射高度的优化模型。课题在理论分析和建立的模型基础上，应用i e 3 d 仿真软件对辐射加热器关键尺寸和辐射高度进行建模仿真，使优化后的加热器反射系数最小、加热均匀性提高，并以实验进行验证。3 ) 沥青混合料复介电常数的测试。采用自由空间反射法测试时，借助矢量网络分析仪和发射、接收天线测出沥青混合料的s 1 1 参量，再运用安装在矢量网络分析仪内的材料测试软件自动运算，最后得出介质的相对复介电常数。4 ) 3 3 点阵的网式红外在线测温系统研究。设计一个3 3 点阵( 是矩形分布) 的网式红外在线测温系统，将9 台红外测温仪以多点网络形式安装，实现对沥青路面多点的温度检测，使沥青混合料温升的检测更加细致化、清晰化。运用普朗克公式和斯蒂芬波尔兹曼辐射定律建立沥青路面真实温度的数学模型。为真实反应沥青混合料温升情况，本课题将着重研究提高红外在线测温精度的策略。4第二章青路面微被现场热再# 宴验系统设计第二章沥青路面微波现场热再生实验系统设计国内对澌青路面微波现场热雨牛技术的研究多集中在微波加热沥青魁台料的机理、微波再生后沥青混合料的性能、维修_ l _ 艺等方面，而关于洳青路面微波现场热再生的实验研究还缺乏一套完整的设计体系，尤其在沥青混台料复介电常数的测试和沥青路面肛接触式住线删温的研究上面较匮乏。2 1 实验系统总体设计实验系统总体上应由以f 儿部分组成：微波加热装置、沥青税合料试样、澌青混合料复介电常数测试系统、同式红外在线4 温系统、微波加热控制装置及微波防卅漏安全装置。微波加热装置将微波能辐射到l c l j 青路面，使锄青混合料温度升高】m 软化，以选到修补时的温度要求：修补对魏川特有某种病害的沥青混合料可模拟微波现场热再生，为实际向h j 提供实践指导沥青混台料复介电常数测试系统为辐射加热器的优化醺计等提供彳r 电参数。网式红外在线测温系统对浙青路面进行实时温度检测井提供数据，以达到实时加热控制的目的；锭i 波加热控制装篁一方而根据阿式红扑在线测温系统删得的温度数据来控制微波加热装置的j 作状态，另一方面根据病害形状控制微波加热装置q t 哪些辐射加热器需要r 作；微波防泄赫安全装置主要是考虑实验、施r 人员的人身安全年保护。系统总体桩国见圈2 - 】。2 2 各实验模块设计吲2 - 】实骑系统总体挺蚓限于篇_ 0 f j 原因，本章将重点 究实验系统的微波加热装置设计、撕青混合料试样的制备、微波加热控制装置和微渡防泄漏安全装置的设计，其他实验模块设计将在后续章节详细 l j f 究。221 微波加热装置殴计微波加热装置由微波加热装置腔体、玲却h m 扇、磁控管和辐射加热器期成，如图2 - 2 所示。嘲2 - 2 微波加热装蓬一脏体框架；2 一带孔屏献罩；3 一安监用金属板；4 辐射加热器：5 风扇；6 一碰控管微波加热盐置腔体一般有以下组成部分：安装辐射加热器朋的金属扳一辅射加热器以一定距离在金属板上表面的瞌度和宽度方向均匀阵列，形成加热端；腔体框架由1 2 根方管焊接而成；东南大学硕士学位论文防辐射及安全保护用的带孔屏蔽罩为保证辐射加热装置腔体内的通风良好，在屏蔽罩的两侧开孔。选择松下2 m 2 1 0 磁控管作为微波加热装置的微波源，它实质上是一个置于恒定磁场中的二极管。管内电子在相互垂直的恒定磁场和恒定电场的控制下，与高频电磁场发生相互作用，把从恒定电场中获得的能量转变成微波能量，从而达到产生微波能的目的。磁控管是微波应用设备的心脏，因此使用时应注意三点：1 ) 负载要匹配，也就是它的电压驻波比应尽可能的小。驻波大不仅反射功率大，使被处理物料实际得到的功率减少，而且会引起磁控管跳模和阴极过热，严重时会损坏管子。下章节拟通过i e 3 d电磁仿真软件对磁控管的安装位置进行仿真优化，使其负载尽可能匹配，来减小驻波比。2 ) 严禁在冷却不足的条件下工作。冷却不良将使管子过热而不能正常工作，严重时将烧坏管子，因此微波加热装置应安装大转速风扇，使其对t 作时的磁控管进行充分冷却。应用中，磁控管安装在辐射加热器上方，磁控管的详细电气接线见图2 3 。高压电容的内部并接着一个1 0 m f 1 2 m r 的高阻电阻，其作用是在关机后自动泄放电容器上的电荷。高压电容的作用是与高压硅堆组成半波倍压整流电路，为磁控管提供直流刚极高压。高压变压器的次级高压绕组输出2 1 0 0 v 左右的交流电压，经高压电容和高压硅堆倍压整流后，获得4 0 0 0 v 左右的直流高压供给磁控管的阳( 阴) 极使用。因为高压变压器下作时存在滞后的漏感电流，效率较低，有了高压电容后，其超前的电容电流会对滞斤漏感电流起到补偿作用，因而高压电容能使电路的功率因素得以提高、效率上升。高压硅堆是由多只高压整流二极管( 硅粒) 串联组成，在高压电路中相当于一个单独的二极管，起到高压整流的作用。通电几秒后，发光二极管发光，说明磁控管正常丁作，反之则磁控管不工作。冷却用的风扇十分重要，实验时务必保证风扇正常工作，否则磁控管会冈过热而损坏。图2 3 磁控管接线图磁控管能量输出窗发射的电磁波方向性不强、能量不集中，不能很好地将微波辐射到沥青路面上，所以应有一个将电磁波从磁控管传输到沥青路面的“传输线”，该“传输线”廊能晕耗费低、加热速度快、加热均匀性好，为此设计了组合式的辐射加热器。详细的优化设计见第三章。微波加热装置内的辐射加热器以一定距离在金属板上表面的长度和宽度方向均匀阵列，形成加热墙，扩大了加热病害路面的面积，从而能提高工作效率。另外，辐射加热器加热沥青路面的温度场呈梯度分布，辐射口面中心附近温度高于口面边缘处的温度，使得单个辐射加热器的加热均匀性有所降低，而多个辐射加热器形成的阵列能通过沥青混合料间的热传递而实现均温加热。实验室设计的微波加热装置的辐射加热器以3 x 3 形式阵列，即安装用金属板的长度和宽度方向各有3 个辐射6第二章沥青路面微波现场热再生实验系统设计加热器。实际应用时，对于辐射加热器的阵列数目，应视情况而定。2 2 2 沥青混合料试样的制备沥青混凝土( 也称沥青混合料) 一般由5 的沥青，5 0 - - 7 0 的粗集料，2 0 - - 4 0 的细集料和1 0 以下的矿粉组成。粗集料和细集料主要是玄武岩或花岗岩。有关沥青混凝土和一些集料的介质特性见表2 1 。表2 1 沥青路面材料的介质特性材料t 刷h z占t a n i水2 53 0 07 7 50 0 1 62 53 0 0 07 6 70 1 5 7沥青水泥2 63 0 0 02 50 0 0 1聚集料一闪长岩2 03 0 0 02 50 0 0 1含闪k 岩2 02 4 5 05 80 0 3 4沥青混凝士含石灰石2 02 4 5 06 70 0 1 5含石英2 02 4 5 04 00 0 0 6上表数据表明，沥青路面材料中水吸收微波能力最强，其次是聚集料，而纯沥青几乎是不吸收微波的，所以微波加热沥青的过程是：沥青路面材料在微波能作用下，集料会产生热量并将热传给沥青，致使微波场内的沥青路面材料温度上升。同时文献【3 2 】经过实验验证后发现集料颗粒较火时更有利于沥青路面材料温度的升高。与传统的冷拌或热拌沥青混合料相比，温拌【3 3 】沥青混合料的拌和温度比热拌沥青混合料的拌合与压实温度低3 0 - 一4 0 ，但二者路用性能基本相同，较低的拌和温度可明显降低沥青混合料生产过程中的能源消耗，减少温室气体以及粉尘等污染物的排放量，无疑温拌沥青混合料越来越受到全球范围内的广泛关注。无论采用哪种工艺，只要所用材料的目标配合比一致，都能满足铺路及本实验的要求。一般的微波设备可以有效地加热4 c m 1 8 c m 深的沥青路面，+ 辐射加热器口面在6 c m - - 2 0 c m 之间，为此实验时，制备了一块长宽高= 4 0 c m 4 0 c m x1 0 c m 的沥青混合料试样。为模拟修路现场实况，也可在试样上表面挖一个坑洞或者其他沥青路面病害。2 2 3 微波加热控制装置设计微波加热控制装置要求能对微波加热装置起到实时控制的目的，同时要求安全可靠并具有一定的智能性。微波加热控制流程见图2 _ 4 。在维修现场，微波修路工程车停靠在沥青路面病害上方后，c c d 广角摄像头开始对病害沥青路面进行拍照，获得的图像信息传输给图像采集卡并保存到计算机内存。设计的病害图像处理程序就可以对病害进行一系列的图像处理，最终提取出病害目标，然后通过算法找出病害的外接矩形，计算出病害图像与加热器单元坐标间的映射关系，确定加热参数，7图2 4 微波加热控制流程图东南大学硕士学位论文以加热范围参数的文本文件形式传送给加热控制的人机界面程序。整个加热控制装置的硬件部分是基于单片机的嵌入式控制系统，通过对i o 口的扩展，实现了对多路辐射加热器的实时控制，每个辐射加热器可以独立工作，由o l 信号控制开关电源，从而控制辐射加热器工作与否。加热控制的人机界面接收到加热范围参数的文本文件后，操作人员就可以看剑病害图像的形状大小及需要工作的辐射加热器数。工作人员可选择加热方式及时间，设置完毕后，启动网式红外在线测温系统的同时开始对沥青路面进行加热。加热过程中，不断查询是否达到加热时间，答案是“否”则不断查询，答案是“是”则检测沥青路面温度是否达到施工温度，答案是“否”则依然持续加热，答案是“是”则停止加热并关闭网式红外在线测温系统。2 2 4 微波防泄漏安全装置设计在微波加热沥青路面的实验环境或维修现场，都会因磁控管与辐射加热器安装不良和辐射加热器出口暴露在空气中而引起微波泄漏，这种泄漏主要构成了两个效应，一是对通信的干扰，二是微波辐照在人体上，将产生由热效应和非热效应导致的伤害。为了避免对通信的干扰，制定了不同的通信频段。另外，辐射人体时，这种泄漏的微波对人体有两方面的危害，一是热效应，二是非热效应。热效应使人体组织升温，但只要这种温升能为人体血液循环自动调节，就无害。非热效应是指在人远远不产生有感热效应的辐射下，微波对神经系统和肌体产生的永久或暂时的遗传变异。东方和西方都有各自不同的微波辐射安全标准，西方以热效应为前提，东方以非热效应为前提。我国根据g b 4 7 0 6 。2 l 一8 8 、3 2 1 规定，在水负载为2 7 5 士1 5 m l 含有1 氰化钠的饮用水，初始温度为2 0 士5 时，微波泄漏的功率密度在离微波源5 c m 处或更远的任何点上，必须不超过5 r o w e r a 2 。2 2 4 1 微波源的防泄漏设计如果磁控管在辐射加热器的馈入口上安装不良，微波就会泄漏。这时可在磁控管的输出天线周围加上金属编制网套做成的垫圈，同时，在微波能馈入口的结构设计上，将馈入口边外翘，如图2 5所示，这样安装时只需将微波馈入口翘边和垫圈压紧，由于金属对微波具有反射作用，这样就能防止因安装不良使微波从缝隙处泄漏出去。图2 5 磁控管能量输出天线处的防泄漏卜加热器馈能口面；2 一磁控管输出天线；3 一翘边；4 一金属丝网垫圈；5 一螺钉压紧2 2 4 2 辐射加热器口的防泄漏设计微波加热装置r 下作时，辐射加热器距离沥青路面有一定距离，即具有一定的辐射高度，如果不采取任何防泄漏措施，大量微波就会泄漏出去而造成通信干扰和损害工作人员身体健康。8第二章沥青路面微波现场热再生实验系统设计实验室环境下，可设计一个用金属丝编制的网罩，孔径尺寸低于电磁波长的1 3 0 时便可，它可有效阻挡电磁波穿过，而过大的开孔，对电磁辐射几乎没有屏蔽作用。考虑实际微波修路现场中微波加热装置的流动性，无法在微波加热装置周围加装金属丝网罩进行屏蔽。为了对其实现可靠屏蔽，设计了如图2 6 所示的微波防泄漏装置。扼流结构由两段传输线组成，第一段( 1 、2 至3 、4 ) 是氏为l 4 ( 九是微波波长，下同) 的开路传输线，第二段( 3 、4 至5 )是长为矾的短路传输线。因第二段输入端( 3 、4 处) 是输入阻抗趋于无限大的开路点、电流波节点，故4 、47 间囚接触不良而产生电阻不损耗电磁能量。对于第一段，它的负载阻抗等于第二段传输线的输入阻抗( 该阻抗无穷大) 与4 、4 间的接触电阻串联，显然第一段传输线仍是k 4 的开路线，其输入阻抗为零，即1 、2 两点间尽管物理接触不良，但电气性能上接触良好，不会发生打火击穿。为使4 、4 间接触更加严紧且不会泄漏，在用螺钉压紧时，在腔体和扼流结构的安装面上加一圈金属丝网衬垫，因金属丝网弹性好，易于压紧，同时又是金属，微波遇到它会全反射同来。考虑到路面的不平，在微波加热板四周加装一圈由金属丝网包裹的橡胶圈，以防止因路面不平导致的微波加热板与路面的空隙而引起的泄漏。图2 6 辐射加热器口的防泄漏卜扼流结构；2 一微波加热装置腔体；3 一金属丝网垫圈；4 一螺钉压紧；5 一带金属丝网橡胶圈2 3 微波热再生沥青混合料实验2 3 1 实验平台搭建好的实验平台见图2 - 7 。计算机上的加热控制人机界面通过串口通信程序与硬件电路板相连，硬件电路通过o l 信号控制电气柜上开关电源的通断，进而控制辐射加热器的工作状态。2 3 2 实验过程实验开始前需要如下准备工作：1 ) 将制备好的沥青混合料试样放在c c d 广角摄像头的下方，调整好位置。2 ) 在计算机上打开图像处理和加热控制人机界面，检查图像采集卡与摄像头间接线正常后，开始采集图像信息，将处理图像后得到的加热范围参数传送给加热控制人机界面。3 ) 将辐射加热装置搬到沥青混合料试样上方，检查硬件电路板与电气柜的开关电源、电气柜与微波加热装置间的连线是否正常，全部正常后进行下一步。9东南大学l 位论i4 ) 检查每个辐射加热器上安装的风扇是否工作正常，可接通电源风扇看一下是否每台风扇都正常运转。全部正常才可进行下步。5 ) 将防i f 【 漏用的金属丝网罩罩在辐射加热装置上方。一( 曲加热井! 制人机羿丽( b ) j j 玎热控制用电路扳f c 、控制用电气柜曲微波加热实验皱置0 ) h 式红，r 在线测温系统( o 介电常数测试袋黄图2 7 微波现场热再生沥青混合料的实验平台至此准备t 作已经全部做完。先接通电气柜、辐射加热装置和网式在线4 温系统的电源，然后在加热榨制人机抖山上设置女r 加热方式和加热时问后点击加热。在台属丝刚罩的周同削肌9 l 型微波漏能测试仪进行漏磁测试，有g w c m 2 级的辐射功率说明辐射加热器正常i 作。特加热完毕后，再用微波潞能测试仪测试f ，确定无漏磁( 即辐射加热器已经停1 1 _ 【= 作) 后打开金属丝网罩，就可坍以专的【具对沥青混合料进行翻松等其他丁作。233 热再