（机械设计及理论专业论文）沥青路面微波加热快速维修技术和设备的研究.pdf

摘要 传统的沥青路面维修工艺存在很多缺点与不足，热量传递效率低下，沥青表 面焦化而内部受热不够，整个加热区域受热不均匀，能量损失大，再生效果差， 作业时间长，对环境影响较大等。造成了大量资金和人力上的浪费，导致路面维 修的成本高而效果不理想。 现代高等级沥青混凝土路面维修工艺要求沥青路面维修设备具有节能、高 效、环保、维修质量好、性能可靠、施工速度快捷、适用于各种气候条件等。将 微波加热引入沥青路面快速维修技术里，利用微波加热具有的特点，它有许多潜 在的优势和良好的发展前景，因此，对沥青路面微波加热快速维修技术和设备的 研究具有重要的意义。 文中概述了沥青路面维修技术以及微波加热的运用现状和发展，对比了沥青 路面微波加热快速维修设备与传统的维修设备所具有的优点；并进行了沥青路面 微波加热快速维修关键技术的理论研究，推导了沥青混凝土路面材料微波介电参 数测试公式，测出了其相关参数，为微波加热沥青混凝土路面材料提供了理论基 础。还设计和试制了一种沥青路面微波加热快速维修设备。 最后，利用a n s y s 进行了该设备主要部件波导管的电磁场和加热温度场的仿 真，并现场测试了该设备的加热效果，试验表明用a n s y s 仿真的结果基本符合实 际情况，此方法为今后对该设备进行优化提供了好的参考工具。 关键词：微波加热；沥青路面；维修技术；加热温度场；。a n s y s a b s t r a c t t h e r ee x i s tm a n yd r a w b a c k si nt h et r a d i t i o n a lt e c h n o l o g yo ft h eb i t u m i n o u s p a v e m e n t m a i n t e n a n c e ，s u c h a s l o w e f f i c i e n c yo f h e a tt r a n s m i s s i o n ，s e r i o u s e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，l o n gw o r k i n gt i m e ，a n dl o wr e g e n e r a t i o nc a p a b i l i t y , e t c i na w o r d ，t h ec u r r e n tt e c h n o l o g yi sc o s t l ya n dl a b o r - i n t e n s e ，w h i l e ，t h eo u t c o m ei s u n s a t i s f a c t o r y d e v e l o p m e n t o fa ne n v i r o n m e n t f r i e n d l ya n dc o s t e f f i c i e n tt h e b i t u m i n o u sp a v e m e n tm a i n t a i n i n gt e c h n o l o g yi s ，t h e r e f o r e ，i nag r e a tn e e d m i c r o w a v eh e a t i n gi sn i le m e r g i n gt e c h n o l o g yi nt h ef i e l do ft h eb i t u m i n o u s p a v e m e n tm a i n t e n a n c e ，w h i c hf e a t u r e sh i g h - s p e e da n dr e l i a b l ep e r f o r m a n c e ，e f f e c t i v e e n e r g yu t i l i z a t i o n , a n dm a n yo t h e ra d v a n t a g e sc o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a l t e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , t h ec u r r e n tt h eb i t u m i n o u sp a v e m e n tm a i n t a i n i n gt e c h n o l o g yi s r e v i e w e d ，t h e nt h ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fm i c r o w a v eh e a t i n gi nt h eb i t u m i n o u s p a v e m e n t m a i n t e n a n c ea r ed e s c r i b e d t h r o u l g hc o m p a r i s o n , t h ea d v a n t a g e so f m i c r o w a v eh e a t i n gt e c h n o l o g ya r eh i g h l i g h t e d f u r t h e r m o r e ，af o r m u l ai sd e v e l o p e d t oc a l c u l a t et h ek e yp a r a m e t e r so ft h ea s p h a l tc o n c r e t em a t e r i a l sw h e nm i c r o w a v e h e a t i n gi sa p p l i e d b a s e do nt h es t u d i e s ，ah i g h - s p e e dm i c r o w a v eh e a t i n ge q u i p m e n t o l lt h eb i t u m i n o u sp a v e m e n tm a i n t e n a n c ei sd e s i g n e d f i n a l l y , t h ee f f i c i e n c yo ft h en e we q u i p m e n ti st e s t e di na n s y s ，as i m u l a t i o n s o f t w a r e ，a n di naf i e l ds t u d y t h ek e yp a r a m e t e r sd e r i v e df r o mt h e s et w ot e s t s ， i n c l u d i n gt h ee l e c t i o m a g n e t i cf i e l do ft h em i c r o w a v e c o n d u c t i n gt u b ea n dt h eh e a t i n g t e m p e r a t u r ef i e l da r ec o m p a r a b l e ，w h i c hi n d i c a t e st h a ta n s y s s i m u l a t i o ni sa c c u r a t e t h e r e f o r e ，i nt h ef u t u r e ，t h eo p t i m i z a t i o no ft h en e w l y - d e s i g n e de q u i p m e n tw o u l db e c o n d u c t e di na n s y sa l o n e k e yw o r d s ：m i c r o w a v eh e a t i n g ；b i t u m i n o u sp a v e m e n t ；m a i n a n t e n a n c et e c h n i q u e ； h e a t i n gt e m p e r a t u r ef i e l d ；a n s y s n 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： l 文日期：口7 年，月扩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名 导师签名 日期：d 7 年岁月吕日 日期：vj 月厂日 1 肜 1 1 研究背景 第一章现状和发展 根据文献 1 统计，2 0 0 5 年全国交通固定资产完成投资突破6 0 0 0 亿 元，达6 4 4 5 0 4 亿元，比上年增长2 1 3 。其中公路建设投资规模继续加 大。全社会完成公路投资5 4 8 4 9 7 亿元，比上年增加7 8 2 6 9 亿元，同比 增长1 6 6 。至2 0 0 5 年底，全国公路总里程达到1 9 3 0 5 万公里，其中等 级公路里程为15 9 1 8 万公里。路网结构进一步改善，公路技术等级和路 面等级不断提高。有铺装路面5 3 2 6 9 7 公里中沥青混凝土路面有2 2 6 0 7 5 公里。 由此可见，在国民经济建设中，公路建设扮演了一个重要角色，获得 了快速的发展”1 。随着我国加强基础设施的建设，公路建设事业得到了 迅猛的发展，现代交通对公路质量提出了更高的要求，从刚性的水泥混 凝土路面发展到了柔性的沥青混凝土路面。由此，路面的车适应性能也 得到了极大的提高，如噪声小、具有柔性、维修方便等优点【3 】。 但在发展的过程中，也遇到了一些问题。一个主要的问题是公路路面 尤其是沥青路面的早期损坏。我国修建的公路一半以上是沥青路面。 随着交通流量、重载车辆的不断增长，由普通沥青混合料铺筑的沥青路 面普遍地出现了的车辙、裂缝、剥落等病害，严重地影响了公路的营运 效率和行车安全”1 。如何又快又好地修复沥青混凝土路面，减少交通堵 塞或中断交通，对于整个国民经济的稳步发展具有重要意义。 1 2 沥青路面维修技术的现状和发展 1 2 1 沥青路面常见病害形式及成因分析 沥青路面常见病害形式有裂缝、车辙和坑槽三种： 1 裂缝 裂缝是沥青路面最主要、最常见的一种破损形式，它的危害在于水 分通过裂缝不断下渗，在荷载的作用下，渗透水的动力作用不断损坏基 层路基，导致路面承载能力下降，加速路面破损，类型有如下三种： ( 1 ) 横向裂缝 横向裂缝可分为荷载性裂缝及非荷载性裂缝两大类。荷载性裂缝是 由于路面设计不当或施工质量低劣，或由于车辆严重超载，致使沥青面 层或半刚性基层内产生的拉应力超过其疲劳强度而断裂；非荷载性裂缝 是横向裂缝的主要形式，它可分沥青面层缩裂和基层反射裂缝两种情况。 ( 2 ) 纵向裂缝 一种情况是由于路基压实度不均匀，或路基、路面产生不均匀沉陷 而引起的；另一种情况是沥青面层分幅摊铺，接茬处未处理好，在行车 荷载和各种自然因素作用下形成纵缝；车辙边缘有时也易产生纵缝。 ( 3 ) 网状裂缝和龟裂 主要是由于路面的整体强度不足而引起的。其原因可能是路面结构 设计不合理，路基路面压实度不足，路面材料配合不当或未拌和均匀等， 也可能是由于路面出现横向或纵向裂缝后未及时封填，致使水分渗入下 层，尤其在融雪期间冻融交加，加剧了路面的破损。沥青老化也是导致 沥青面层形成网裂、龟裂的原因之一。 2 车辙 车辙是在行车荷载重复作用下，路面产生永久性变形积累形成的带 状凹槽。它是由于渠化交通导致沥青路面的主要病害之一。当车辙达到 一定深度时，由于辙槽内积水，极易发生汽车飘滑而导致交通事故，类 型有如下三种： ( 1 ) 结构性车辙 由于荷载作用超过路面各层的强度，发生在沥青面层以下，包括路基 在内的各结构层的永久变形，这种车辙宽度较大，两侧没有隆起现象， 横断面成凹形。 ( 2 ) 流动性车辙 在高温条件下，。车轮碾压反复作用，荷载应力超过沥青混合料的稳 定极限，使流动变形不断积累形成车辙，两侧有一定程度的隆起现象a ( 3 ) 压实不足引起的车辙 由于沥青面层压实不足，致使通车后的第一个高温季节混合料继续压 密，在交通荷载的反复作用下，空隙率不断减少，达到极限残余空隙率 才趋于稳定。它不仅产生压实变形，而且平整度迅速下降。 3 坑槽 主要是面层的网裂、龟裂、小面积的松散、沉陷及人为造成的面层 损坏、修补损坏等未及时进行科学的养护，在行车荷载和雨水等自然因 素作用下逐渐形成了坑槽。而特别值得一提的是水损害性坑槽。水损害 是降水( 或雪融化成水) 透入路面的结构层后，含在结构层中，在车辆荷载 作用下，使路面产生的破坏现象，它是沥青路面早期破坏的最常见的现 象之一。其形成过程可归纳如下：在开始阶段，水分浸入沥青与集料的 界面，以水膜或水气的形式存在，由于表面张力的作用，影响沥青与集 2 料的粘附性。在反复载荷作用下，轮胎对路面的挤压搓揉作用及路面间 的真空吸附作用加速了沥青膜与集料的剥离，渐渐地沥青路面表面层开 始出现麻面，松散，掉粒，产生坑洞，最后形成坑槽。其具体表现为： ( 1 ) 表面层产生坑洞，由于沥青混凝土的不均匀性，坑洞都是在沥青 混凝土空隙率较大处的局部产生，这种破坏现象很多高速公路都有，都 会产生沥青剥落现象，并形成坑洞。 ( 2 ) 表面层和中面层同时产生坑洞，进而局部表面产生网裂和形变。 雨水渗透到表面层和中面层内，较大的交通流量使这两层内的部分集料 上的沥青剥落，导致表面产生网裂、形变和向外推挤，或产生坑洞。在 冰冻地区，冬季的雪水渗透并滞留在沥青面层内，冬季发生多次反复冻 融，春季沥青表面层内的自由水也会使沥青面层产生水损坏。 ( 3 ) 唧浆、坑洞( 包括桥面) 。水透过沥青面层滞留在半刚性基层面( 桥 面水泥混凝土铺装) ，在大量快速行车作用下，自由水产生很大的压力并 冲刷基层混合料表层细料( 桥面水泥混凝土铺装) ，形成灰白色浆。灰浆 通过缝隙被行车压挤到路表面。轻微的，可使路面网裂或变形。严重的， 可能产生坑洞。在雨季，此类病害易产生，且在水泥混凝土铺装层上的 沥青混凝土面层产生的坑洞尤其严重”1 。 1 2 2 沥青路面常见几种修补技术方法的比较 1 稀浆封层 稀浆封层作为一种经济、快速、高效的路面表处方法，在西方发达 国家早已被广泛采用【”。 这项技术四十年代后期发明于德国，六十年代后在欧、美得到迅速推 广，八十年代后又出现改性沥青稀浆封层，并在世界范围内迅速推广。 在美国，改性沥青稀浆封层的应用范围占全国黑色路面的6 0 8 1 。8 0 年代后期，稀浆封层技术传到我国，各地开始乳化沥青及稀浆封层技术 的研究，“八五”期间得到迅速发展并取得了一系列成果。随着国内外 乳化沥青技术及设备的不断更新换代，“九五”期间，我国开始改性乳 化沥青稀浆封层的研究工作。近几年来，这项技术也越来越受到重视， 在公路维修、养护实践中，得到了普遍的认同，它对于新、旧路面的老 化、裂缝、光滑、松散、坑槽等病害能够起到预防和维修的作用，使路 面的防水、抗滑、平整、耐磨性能迅速提高，还可以用于砂石路的防尘 处理、桥面铺装等方面。 稀浆封层技术的适用性 一稀浆封层的类型及选择。类型：一般按封层的厚度不同分为细封 层( i 型) 、中封层( i i 型) 、粗封层( 型) 、加粗封层( 型) 。 类型选择： i 型适用于高等级公路路面下封层及轻型交通量道路的表面封层， 碎石基层的透层和保护层，对于基层稳定的路面，可用做磨耗层。 型适用于中型交通量、路面平整度较好、路面贫油及轻微网裂路 面，中封层不但可以治愈裂缝，还可以通过粗骨料形成骨架结构修补面 层的松散、开裂和老化，改善中等交通量道路和重交通道路的耐磨、抗 滑性能。此结构还可以用于沥青路面或水泥混凝土路面的磨耗层或稳定 类基层的封层。 型适用于高速公路预防性粗封层及重交通量普通道路的路面上，也 可在半刚性基层和旧有街道上做双层铺设，即先做一层粗封层后，再加 铺细封层。 型适用于在轻交通量的半刚性基层的乡道上封层及低等级公路路 面，在交通量大的干线公路及高速公路上做表处层代替中修罩面。 改性乳化沥青稀浆封层具有很强的粘附性与胀缩能力，适合温差变 化大的特点，能很好地起到防止水损害、延缓反射裂缝、延长使用寿命 的作用。强调路面防滑性，需铺筑粗糙度大的路面，必须使用改性乳化 沥青。 微表处：在常规的稀浆混合料配方中加入特殊的高分子聚合物和添加 剂，制成聚合物改性沥青稀浆混合料，集料级配根据路面使用的不同要 求专门设计，达到摊铺厚度较大( 5 15 m m ) 、固化时间加快、粘附性更强 的封层( 稀浆封层的一种7 。 一稀浆封层适用范围：沥青路面( 高速公路) 的预防性养护、粗粒式或 贯入式路面的上封层；原路面整体强度和稳定性均符合技术要求、轻微 网裂、贫油、麻面等病害的路面；高等级路面的下封层，旧路面的上封 层及路面的修补，城市道路、机场跑道等；乡道的半刚性基层路面；低 级路面面层。 一稀浆封层结构的优点：提高路面的防水、防滑、耐磨性能；改善路面 平整度，修复路面轻微车辙；使旧路返老还新，延长路面使用寿命，推 迟路面的大修周期；降低路面养护成本；保护环境、节约能源，降低投 入；施工方便，开放交通早。 2 沥青混凝土路面再生补修技术 ( 1 ) 沥青混凝土路面再生补修技术的发展 石油资源是不会再生的，过度的开采将造成资源的枯竭。节约自然 资源，保护环境是我国的国策。从节约资源出发，将旧沥青路面再生充 4 分加以利用是一项行之有效的措施。世界各国积极开展沥青路面再生利 用的研究与应用。国外对沥青路面再生利用研究，最早从1 9 15 年在美国 开始的，但由于以后大规模的公路建设而忽视了对该技术的研究。1 9 7 3 年石油危机爆发后美国对这项技术才引起重视，并在全国范围内进行广 泛研究，到八十年代末美国再生沥青混合料的用量几乎为全部路用沥青 混合料的一半，并且在再生剂开发、再生混合料的设计、施工设备等方 面的研究也日趋深入。沥青路面的再生利用在美国已是常规实践，目前 其重复利用率高达8 0 。 西欧国家也十分重视这项技术，联邦德国是最早将再生料应用于高 速公路路面养护的国家，1 9 7 8 年就将全部废弃沥青路面材料加以回收利 用。芬兰几乎所有的城镇都组织旧路面材料的收集和储存工作。法国现 在也已开始在高速公路和一些重交通道路的路面修复工程中推广应用这 项技术。 表1 1 各国路面再生技术发展情况9 1 9 7 4 年由于石油危机而在全国推广再生技术。1 9 8 0 年美 国2 5 个州共使用了2 0 0 万吨热拌再生沥青混合料。 1 9 8 1 年美国发展到4 0 个州，共使用了3 5 0 万吨再生沥青 美国 混合料。 1 9 8 5 年猛增至2 亿吨，占全部路用沥青混凝土的1 2 。 现在已作为日常技术应用于生产 19 7 4 年开始进行沥青路面再生技术的研究。 日本 19 8 0 年厂拌再生混合料达5 0 万吨。 国 19 8 4 年日本道路协会出版了路面再生利用技术指南 7 0 年代中期德国将路面废料全部加以利用。 荷兰所有城镇都组织路面废料的收集与储存，并应用于各 欧洲国家类道路的路面工程。 外 法国高速公路部门积极推广应用再生技术，并广泛应用于 高速公路路面 上世纪6 0 年代苏联开始沥青路面再生技术的研究。 1 9 6 6 年苏联出版了沥青混合料废料再生利用技术。 1 9 7 9 年出版了旧沥青混凝土再生混合料技术准则，用 前苏联 以指导推广应用。 1 9 8 4 年苏联出版再生路用沥青混凝土，该书详细介绍 了再生技术。表明苏联在该领域也取得很大进展 上世纪8 0 年代交通部将沥青路面再生利用技术作为重点 科研项目立项研究。 1 9 8 2 年由同济大学组织协调山西、湖北、河北、河南、 山东、江西等省开展了旧有沥青( 渣油) 路面再生 我国 利用研究。累计铺筑再生路面6 0 0 k m 。 1 9 8 9 年交通出版社出版了沥青路面再生技术一书。 但以后由于全国各地忙于高速公路建设而未能使再 生技术进一步推广应用 ( 2 ) 沥青混凝土路面再生补修技术的类型 沥青路面再生技术，能够节约大量的沥青和砂石材料，节省工程投。 资，同时有利于处治废料，节省能源、保护环境，沥青路面再生利用有 以下几种方法【10 1 。 沥青厂拌热再生 厂拌热再生机械主要分为间歇强制式和连续滚筒式。用间歇式沥青 拌和机生产再生沥青混合料，与一般生产全新沥青混合料工艺相比较， 不同之处在于新集料经过干燥筒加热后分批进入拌缸内，新集料的加热 温度在2 2 0 2 5 0 0 c ，而旧料却不经过干燥筒加热，就按一定配比直接进入 拌缸内。在拌缸内旧料和新集料发生热交换，旧料升温，然后再加入再 生沥青和新沥青，继续拌和直至均匀后出料，旧料的掺配比例一般为 2 0 3 0 。 就地热再生 就地热再生是对旧沥青路面就地加热、翻松、拌和、摊铺、压实， 一次性将旧沥青路面翻新成型的施工方法。一般是在路面的损坏程度还 没有波及到基层时采用这种方法。其主要特点是：旧沥青路面混合料就 地再生利用，可节省运输费用，减少环境污染；旧沥青路面混合料1 0 0 再生利用；施工周期短，可以快速开放交通；施工中产生的噪声、振动 比其他施工方法小；需要专用机组连续施工；冬季不宜施工。 就地冷再生 沥青路面的就地冷再生是国外2 0 世纪8 0 年代后期迅速发展起来的 一种新技术，目前已成为国际上道路维修改造的主要方法之一。其优点 是可大大降低路面维修成本，提高公路维修质量，保持路面结构的完整 性，简化施工工序，是一项绿色环保技术。 ( 3 ) 传统路面再生的工艺特点 前面一台加热机将旧路面加热，后面紧跟一台复拌机，将路面翻松， 喷入再生剂，再加适量新拌混合料，拌和均匀，摊铺成型，然后压路机 压实，完成旧路面再生翻新。修复的路幅宽度3 - 4 5 m 。也可以将再生层 设置在下面，上面再加一层新拌混合料，两层同时压实成型2 1 1 。 这种工艺的特点是： 旧沥青路面材料无须往返运输，节省运输费用。 旧沥青路面材料可以全部利用而无废弃。 施工不影响道路的正常交通。 节省施工时间，一台再生机每天可以完成3 0 0 0 4 0 0 0 m 2 ，施工速 度快。 6 节省能耗和新材料，节约成本达3 0 以上，经济效益好。 图1 1 现场表面热再生机 a 现场施工b 热再生工艺c 、d 热再生加热机 路面维修的关键环节是对局部损坏的沥青混凝土路面进行快速高效 的清创处理。按具体的清创工艺，可分为冷处理技术和加热熔化破碎技 术。图1 2 和图1 3 分别给出了冷热两种处理方法的实现过程。对应于冷 处理技术，先后出现了风镐、液压镐、路面铣刨机等冷处理机具与设备。 而应用加热熔化破碎一技术是目前本领域研究的重点，相应的热熔化破碎 处理设备包括燃气加热器、电加热器、燃油加热器、远红外加热装置、 p t c 陶瓷加热装置等都在不断得到发展和完善。 图1 2 冷处理修补技术 7 具体地讲，目前国内外对黑色路面小面积破损的修补大多采用三种作 业方式。 其一是传统的修补方法：首先用风镐、液压镐或铣刨机去除沥青路面 的破损部分，然后采用灌入法将碎石、热沥青等新料填入修整好的坑槽 内或者在现场拌制沥青混合料并将其填入坑槽，摊平后，再用压路机压 实。这种作业方式存在不足是：不但工作时间长，需在现场炒油，而 图1 3 加热熔化破碎技术 且还需大量的人力和机械相配合，如手持式破碎机、运输车、切割机、 新料加热机、压路机等，工作效率低，同时，被修路面的交通也受到很 大的影响。由于原来的路面混凝土是冷的，而加入的新沥青料是热的， 这样在新旧料之间就会形成弱接缝。当有汽车碾压此处时，新旧路面之 间的弱接缝就会分离。这时，此路面就不能有效地阻挡水分渗入道路基 层中，基层遭到破坏，降低道路的使用寿命。而且新旧物料分离后，重 新修补的面积比上一次修补的面积大得多，导致更多的废料和使用更多 的新料。 其二是以液化石油气为燃料的加热红外线辐射板，利用红外线辐射加 热破损路面，然后摊平并压实路面。这种作业方式虽然比前一种作业方 式的效率有了很大提高，新旧料之间的弱接缝问题有所改善，但仍还存 在有不足，红外线加热的传导方式是辐射传导，热效率相对较低，而且 由于自上而下传热，很容易造成上面层的沥青老化，影响沥青料的质量。 第三种方法也是利用辐射加热技术加热破损路面。它是以石油液化 气为燃料，石油液化气经过汽化器汽化以后在加热板后部的燃烧室内进 行燃烧，然后用鼓风机对燃烧的热量加以背压，通过加热砖将热量吹到 地面，间断加热，层层渗透。它实际上是一种可见光在烤路面，因为其 传导和对流所占比重很大，辐射出的热量少，热效率低，易使路面被烤 8 焦或者氧化。 表1 2 沥青混凝土路面维修的几种方法比较 修修废 新 能 作设 补补弁科量业备 方时科 用 利 人 厶 工作 优缺点 口 时问 法间量量用员 盏 摩 传 9 012 85 热带：1 2 月，年技术难度低。 分50 统 名 口寒带：8 月，年 设备繁杂。生产效率低下。维修 钟o0 方 公公 质量不理想 斤斤 法 红2 005 0低31热带：12 月年 8 1 0 分钟内可软化5 c m _ 琛的沥 外分公公 名 台寒带：12 月，年 青混凝土路面设备结构嚣凑 线钟斤斤 加热的上下均匀性小好。易使路 面被烤伟或氧化 热1 505 0低3l 热带：1 2 月年5 分钟可软化6 c m 深的沥青混凝 辐分公公名u寒带：1 2 月，年 土路面。工作效率较高。 射 钟 斤斤但热效牢低，加热的上下均匀性 不好易使路面被烤焦或者氧化 微 15o5 0 高 21 热带：1 2 月，年8 1 0 分钟内可软化8 c m 深的沥 波公公 公名口 塞带：1 2 月，年青混凝土路面。加热深度大，加 加斤斤斤热速度快、均匀加热、节能商敛、 热可以调控咀及可以选择性加热等 特点。 设备比较娇贵 ( 4 ) 现场热再生法的特点 在上述各种方法中，沥青路面现场热再生利用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，一次成型新路面，经济、高效、快速、环保、节约，具有显著的经 济效益和社会效益。当沥青路面表面层出现裂缝、泛油、磨损、车辙、 坑槽等病害或路用性能下降，路面的损坏程度还没有波及到基层时，都 可以采用这种维修方法，使用先进的现场热再生机组，就地加热旧路面， 耙松、收集旧料，增加适当的新拌沥青混合料、再生剂进行机内热搅拌， 9 随即摊铺，熨平，辗压，即可快速开放交通，是一种连续式的现场热再 生作业方式。根据英达公司提供的资料，其“修路王”现场热再生修补方 法与传统方法相比，修补时间可节省5 1 6 ，作业人员节省1 2 ，旧路用材 料完全利用，新沥青混合料用量可节省1 2 。因此，沥青路面现场热再生 方法在近几年的沥青路面养护中得到了相对更为广泛的应用。 沥青路面现场热再生方法的主要特点是： 任何直接重铺或铣刨后再填补的工程都可以用热再生的方法，旧 路面混合料就地再生利用，不需要搬运废料过程及废弃物堆放场 地。 能保存骨料的的完好，保留沥青的组成及性能，1 0 0 地利用旧料。 而传统的工厂再生法只能利用4 0 一5 0 旧料，新的设备能够产生 更高质量的沥青，它和新的沥青混合料具有一样的生命周期。 不受大的交通流量的限制，与以前的维修方法相比，影响交通及 沿途居民的程度小，施工结束就可以开放交通。 施工产生的振动、噪音比其他施工方法小，有利于环保。 此维修方法是以路面面层为施工对象，适于基层承载力良好，因 面层疲劳而龟裂、车辙和破损的路面。损坏波及到基层以下时， 原则上不适用，或必须首先对基层进行处理。现场热再生一般不 能纠正属于结构上的破坏。 现场热再生不能修复位于沥青层以下较深位置的伸缩裂纹，可以 达到最大深度为5 0 r a m 的位置，在某种情况下，可以达到更深的 再生深度。 在实行现场热再生方法前，路面上的大量冷混合料补丁、喷涂补 丁，必须除掉。 此方法是在路上加热旧路面，容易受特殊气温的影响，寒冷季节 一般不宜施工，天冷以及雨天时效率将有所降低。 从沥青路面修复的工程实践来看。与冷处理技术相比，加热熔化破 碎技术具有优越性，也是沥青路面维护技术的发展方向。而加热熔化破 碎技术的关键是对破损沥青路面的加热问题。现有的热辐射和红外加热 技术可以实现对破损路面的快速加热，但均不能保证沥青路面加热的上 下均匀，以及避免沥青混合料在加热后的质量恶化。这既影响了修补后 的路面质量，也无法实现沥青混合料的完全回收再生。 3 直接罩面法、铣刨加铺新料法和挖补法。 此类是传统的沥青路面维修工艺，早期国外沥青路面的养护作业也 是采用多道工序分机流水作业的方式。在修补沥青路面局部损坏部分时， 】o 先用破碎挖掘机械将损坏部分挖成规整的路槽，再用运料车运来沥青混 合料将路槽填上，最后用小型压实机进行压实“1 。显然这种作业方式占 用设备多、费时、养护成本较高。 总之，以上的作业方式都不适用于高速公路及车流量大的公路的修 补。为克服现有技术不足，研制一种特别适用于高速公路及车流量大的 公路的修补并可提高被修补路面服役寿命的节能型沥青路面修复机是非 常必要的。针对存在的问题，另辟蹊径，准备利用微波加热修复沥青混 凝土路面。 由于沥青的热传导效率极其低下，在采用传统的作业方式修补旧路 面时，往往容易导致沥青层表面焦化，而中下层温度变化不明显，所以， 效果很不理想，生产效率低。 为了克服现有技术中之不足，研制一种特别适用于高速公路及车流 量大的公路修补，并可提高被修路面服役寿命的节能型沥青路面修复机 是很必要的。 小结 随着公路建设速度的不断提高，公路通车里程不断增加，如何搞好 路面养护维修工作、保证高速公路安全、舒适、畅通，已成为当今世界 公路行业所面临的一个重要研究课题。近年来，人们一直在寻求更有效、 更经济的沥青路面养护维修技术方法，尤其是对公路的大、中修工程更 为重要。从上述各种沥青路面修补技术方法看，都同时存在利与弊。所 以，公路养护管理人员在选择沥青路面病害处治方案时，应遵循以下两 条总则： 。 1 预防性养护为主 高速公路沥青混凝土路面设计使用寿命1 5 年，公路养护技术规范 规定交付使用后，一般7 年方可进行大修。但近年来随着交通量的日益 增长，车辆大型化、重载超载严重以及渠化交通，而沥青路面对气温、 日照，特别是雨水的影响十分敏感，往往等不到大修时间便出现了严重 的破损。所以，在路基稳固、基层完好路面出现轻微损害时，应及时进 行路面维修，做好预防性养护。预防性养护对凹型车辙，轻度网、龟裂， 泛油及路面租糙度降低，水损害等病害，微表处在目前是最有效、最经 济的处理方法。 2 具体情况具体分析 沥青路面病害形式多种多样，产生的原因千变万化。因此，在日常 管护中，一应注重路况调查，掌握第一手资料，做到对症下药；二应充 分了解每种技术处治方案及机械设备的适用范围，特别是引进国外的技 1 1 术设备；三要有经济效益理念。通过上述三方面的分析，合理科学选定 沥青路面修补技术方案。 1 3 微波的运用现状和发展 1 3 1 什么是微波 微波同无线电波，电视信号，通讯雷达，红外线，可见光一样。都 属于电磁波，只是波长不相同。微波( m m v ) 是指频率为 3 0 0 m h z 3 0 0 g h z ，波长l m m 1 m 的极高频电磁振荡波。 表1 3 列出了各种电磁波的不同用途 频率 泼长m名称段匝用 工业应用 加$ 0 i i k i 电 1 a + 一1 0 3心 中波 高瓤感应加热 ，0 0 3 0 0 a 七1 0 1 1 0 肝通讯、嚣材广播 ，3 0 砌z1 0 ，1 0唧 j 匡谈 高频升历加热 通讯、电视、广 3 0 卟肼z 1 0 i v h f魍短滚 播 3 0 0 3 0 0 0 1 1 0 。1u h f电f 广播、张最 微浚加热及萁它 3 3 0 b b1 0 一1 0 4s 陌触波通讯、雷达、卫 应用 ，0 如0 c - h z1 0 4 1 0 ie h f星通讯 1 3 2 微波加热原理 按照加热方式的不同，我们可以把物体的加热分为两类：一类是常 规加热，该方法是首先通过传导、对流、辐射的传热方式加热物体周围 的环境或者是物体的表面，使物体的表面得到热量，然后再通过热传导 的方式将热量传到物体的内部，其加热介质可以是热空气、炉气、过热 蒸汽等。这种方式加热效率低加热时间长。 另种是微波加热，这是一种全新的加热方法。材料介质是由极性 分子和非极性分子组成。以微波这种高频电磁波的形式对一种极性分子 组成的物质施与能量的时候，则这种物质可被加热，微波引起的热效应 来自于电场施加给物质中带电粒子的能量，如果物质中的带电粒子可以 在电场中自由移动，那么会产生电流：然而，如果电荷载体被束缚于一 定的范围，它们将会发生振动而尽量与电场的取向一致，这样就产生了 介电极化。根据参加极化的微观粒子种类，电介质分子极化大致可分为 电子极化、原子极化、偶极子转向极化( 取向极化) 和界面极化 ( m a x w e l l w a n g n e r 极化) 。前两种极化的弛豫时间在1 0 15 1 01 和 1 01 21 0 “3 s ，而微波交变电场振动一局的时间约为1 0 - 1 01 0 。1 2 s 。 因此，微波场不会引起电子极化和原子极化，而偶极子转向极化与 界面极化的时间刚好与微波的频率吻合，介质在微波场中的加热也主要 是靠这两种极化方式来实现的。由于物质分子偶极振动同微波振动有相 似的频率，在快速振动的微波场中，分子的偶极振动尽力同磁场振动相 匹配，而分子偶极振动又往往滞后于磁场( 达到匹配的时间叫驰豫时间) ， 物质分子吸收电磁能进行每秒数十亿次的高速振动，这样导致分子之间 的摩擦从而产生热能。因此，微波对物质的加热是从物质分子出发的， 又称为“内加热”。而传统的加热方式如回流则是靠传导和热对流来 实现的，因此加热速度很慢。 由此可见，微波加热是介质材料自身损耗电场能量而发热。而不同 物质介电常数e ，和介质损耗角正切值t g6 是不同的，故微波电磁场作 用下的热效应也不一样。由极性分子所组成的物质能较好的吸收微波能。 水分子呈极强的极性是吸收微波最好的介质，所以凡是含水分子的物质 必定吸收微波，另一类由非极性分子组成，它们基本上不吸收或很少吸 收微波，这类物质有聚四氟乙烯，聚丙烯，塑料制品和玻璃，陶瓷等， 他们能透过微波，同时只吸收极其少量的微波。这类物质材料可作为微 波加热用的容器或支撑物，或做密封材料。 鬣蘑乎 + 氢露予 交变电场 水分了运动 q 露 誊静。瓣雹爵翥努睾s 旃凌目魈删 图1 4 水分子的结构图和水分子在电场中的取向图 1 3 3 微波加热的特点 ( 1 ) 加热速度快一即时性 常规加热( 火焰，热风，电热，蒸汽等) 都是利用热传导、对流、 热辐射将热量首先传递给被加热物的表面，再通过热传导逐步使中心温 度升高( 既常说的外部加热) 。它要使中心部位达到所需要的温度，需要 一定的热传导时间，而对热传导率差的物体所需的时间更长。用微波加 热介质材料时，加热非常迅速，只要有微波辐射，物体即刻得到加热， 反之物体就得不到微波能量而立即停止加热，它能使物体在瞬间得到或 失去热量来源，表现出对物体加热的无惰性。根据德拜理论“”，极性分 1 3 子在极化驰豫过程中的驰豫时间t 与外加交变电磁场极性改变的角频率 有关。在微波段时有t = 1 的结果。微波的工作频率为3 0 3 0 0 g h z ， 根据计算其t 约为1 0 - 1 0 1 0 d 2 s 数量级。因此，微波能在物体内转化为 热能的过程具有即时性。 ( 2 ) 均匀加热一整体性 用外部加热方式加热时，为提高加热速度，就需要升高外部温度， 加大温度梯度。然而随之就容易产生外焦内生现象，而微波是一种穿透 能力强的电磁波，不论物体是什么形状，它都能透过物体的内部，向被 加热材料内部辐射微波电磁场，推动其极化分子的剧烈运动，是分子相 互碰撞摩擦。因此其加热过程在整个物体内同时进行，升温迅速，温度 均匀，温度梯度小，是一种。体热源”，大大缩短了常规加热中热传导的 时间，除了特别大的物体外，一般可以作到表里如一，一起均匀加热， 这符合自动化控制的要求 ( 3 ) 区别加热一选择性 并非所有材料都能用微波加热，不同材料由于其自身的介电特性不 同，其对微波的反映也不同。根据材料对微波的不同反应，我们可将材 料分为微波反射型、微波透明型和微波吸收型，因此，我们可以利用微 波加热的选择性对混合物料中的各组分或零件的不同部位进行选择性的 加热。 ( 4 ) 节能加热一高效性 不同材料对微波有不同的吸收率，含有水分的物质容易吸收微波能。 玻璃、陶瓷塑料等则很少吸收微波，金属将反射微波，这些物质都不能 被微波加热。微波加热时，被加热的物体材料一般都是放在用金属制成 的加热室内，加热室对电磁波来说是个封闭的腔体，电磁波不能外泄， 只能被加热物体吸收，加热室内的空气与相应的容器都不会被加热，所 以热效率高，与常规电加热方式相比，它一般可以节电3 0 5 0 。 ( 5 ) 安全加热一环保性 常规加热一般采用矿物燃料作为能源，其燃烧产生的二氧化碳被称 为产生“温室效应”的主要成分，而微波加热所用能源是电能，对环境 没有污染，用微波辐射生物体时，除了产生微波热效应外，微波还能使 生物体的生物活性得到抑制或激励，即微波的非热效应或生物效应，在 相同的温度条件下，微波对细菌的致死率远高于常规加热。 除此之外，微波加热还具有加热质量高，营养破坏少，加热设备紧凑， 节省空间等优点。同时微波功率的控制是由开关、旋钮调节，既开既用， 无热惯性，功率连续可调，易于自动化“。 1 4 1 3 4 微波的新运用与研究 由于微波加热技术具有许多常规加热技术所具备的优点，国外从2 0 世纪6 0 年代起就将微波加热技术应用于许多行业我国从2 0 世纪7 0 年 代始研究并应用微波加热技术，目前它己被广泛应用于纺织与印染、造 纸与印刷、烟草、药物和药材、木材、皮革、陶瓷、煤炭、橡胶、化纤、 化工产品、医疗行业。其应用主要反映在微波加热与解冻、微波干燥、 微波灭菌与杀虫等方面“。 1 ，微波加热与解冻 由于微波加热具有即时性的特点，我们可以用微波在很短的时间内 将物料加热到所要求的温度。目前微波纯加热技术已被广泛应用于工业 生产、家庭民用中。据估计，全世界有超过8 0 0 0 万台家微波炉在使用着 ”，它为人们的生活提供了巨大方便。微波加热技术可以应用于冻结物 料的解冻，与传统的解冻方法相比，微波解冻具有解冻时间短、冻品滴 水少、无污水排放、工作环境整洁等一系列优点。据报道，仅需几分钟， 原木表面的1 1 5 c m 深处温度能由一2 0 。c 上升到0 。c ，而且此时树皮附着 力也随之下降，与蒸汽热水解冻相比，每生产1 吨纸浆可节省能耗 1 0 0 3 0 0 m j 。 2 微波干燥 微波干燥是把固体湿物料作为一种电介质，置于微波交变电磁场中， 在频繁交变电磁场的作用下物料中的极化水分子迅速旋转，相互摩擦， 产生热量，从而加热和干燥物料。用微波对物料进行干燥时，一般物料 表面温度低于芯层温度，形成“负温度场”( 一般加热方式为正温度场) ， 且物料内产生较高的蒸汽压力，与环境形成较大的静压力差，使物料中 的自由水和水蒸气形成渗透流。负温度场和物料内外静压力梯度的存在， 使微波干燥完全不同于传统的物料干燥方法，形成了微波干燥的独特机 理。它具有干燥速度快、质量好的优点。 于秀荣等曾用微波对玉米进行干燥，并研究了不同加热功率和加 热时间对玉米发芽率、暴腰率、过氧化氢酶活性的影响。其研究表明： 选择合适的加热功率和时间，在保持玉米良好品质和低暴腰率的前提下， 可以实现对玉米的快速干燥。 王俊2 1 等曾研究了稻谷的微波干燥特性及品质，其结果表明，当干 燥功率不超过0 2 w g 时，稻谷的发芽率高，暴腰率低，总的干燥时间可 缩短到热风干燥的1 3 以内。 3 微波改性 杨进”等用微波加热技术对米糠进行处理，分析了微波处理时间、 料层厚度、米糠原始水分、贮藏时间对米糠稳定性的影响。工艺试验表 明，当含水率为l5 8 2 1 ，料层厚度为3 0 7 0 m m ，微波处理时间为 1 5 0 2 0 0 s 时，可产生较好的稳定效果。实验结果表明，微波处理可以明 显地提高米糠的稳定性，且微波加热处理时间是对稳定化效果影响最大 的工艺参数。 4 微波烧结 微波烧结技术是一门新的烧结工艺。相对于传统的烧结方法，微波 烧结具有突出的优势：材料内部结晶结构更加均匀，致密度更高，改善 了材料的性能；实现选择性烧结，产生具有新的微观结构和优良性能的 材料。作为前沿跟踪技术，我国也于1 9 8 8 年将微波烧结技术列入国家高 技术研究发展计划( “8 6 3 ”计划) ，取得了可喜的成绩。不仅烧结出了h l ：0 。 瓷舟，而且还成功地烧结出不开裂、组织均匀的发动机增压器涡轮转子。 其坯体直径为9 6 m m ，最终致密度为理论致密度的9 7 “”。 5 微波杀虫、灭菌 很多研究表明：当物料作用于微波场中时，能引起物料的温升，即 产生“温度场”，同时，还能造就“电磁场”，对生物体产生比温度场更 大的效能，即微波的生物效应，从而达到杀虫、灭菌的目的。但有些学 者认为，微波的量子能量只有1 6 2 1 0 e v ，而h o h 这样的弱化学结合 能也有3 - 6 e y ，用微波的非热效应达到杀虫、灭菌的目的是不可能的，其 影响生物体的只能是微波的热效应。 王绍林曾对微波非热效