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微波敏感型瀝青再生劑軟化效果影響因素分析
2019年08月21日    閱讀量:6386    新聞來源: 瀝青路面  |  投稿

摘 要

微波敏感型瀝青再生劑是一種用于瀝青路面就地熱再生的乳液型再生劑,具有極強的微波敏感性,可以在微波作用下實現瀝青路面的快速軟化和再生。為了使微波敏感型瀝青再生劑在就地熱再生中發揮最佳性能,通過微波敏感型瀝青再生劑的理化特性試驗和自行設計的混合料軟化試驗,對影響微波敏感型瀝青再生劑軟化效果的影響因素:微波作用方式(不同時間、不同功率)、再生劑用量、混合料空隙率、集料類型進行了研究,分析了各影響因素對混合料軟化效果的影響規律。通過路試,驗證了微波敏感型瀝青再生劑的軟化效果瀝青網sinoasphalt.com。研究結果表明,微波敏感型瀝青再生劑軟化效果受微波作用時間和作用功率的雙重影響,微波作用時間越長軟化效果越好,而作用功率存在最佳值;隨著微波敏感型瀝青再生劑用量的增加,混合料的軟化效果增強,但當用量大于某值時,軟化效果增加不明顯;混合料的空隙率越大,軟化效果越好;混合料的軟化效果受集料類型影響,但與集料的微波敏感程度相關性不大。

關鍵詞

道路工程 | 再生劑 | 就地熱再生 | 瀝青混合料 | 微波

引言

瀝青路面就地熱再生技術可以有效修復車轍、裂縫、波浪、擁包等路表病害,使受損路面恢復使用性能,同時就地熱再生具有舊料利用率高,再生過程不產生廢料,對交通干擾少,開放交通速度快等優點,被廣泛應用于公路和市政道路中[1-4]。雖然就地熱再生技術得到了廣泛應用,但還存在一些缺陷[5-6],如軟化瀝青路面的方式不理想。現階段瀝青路面就地熱再生主要采用明火加熱、紅外加熱和熱風循環加熱3種方式[7],這幾種加熱方式不同程度的存在以下缺陷: (1)加熱效率低,達到再生要求的溫度往往需要加熱幾十分鐘; (2)通過熱傳導方式加熱路面,導致再生層的溫度梯度大,表面層溫度過高,瀝青二次老化嚴重,而下面層加熱溫度不足,不滿足就地熱再生耙松的要求,使集料發生破碎影響再生混合料的級配;(3)對環境影響大,由于在施工中路面加熱溫度高,產生的瀝青煙有害氣體污染環境,同時高溫對再生路面周圍植被破壞,采用熱風循環加熱時破壞尤為嚴重[8]。為解決就地熱再生加熱過程中存在的問題,相關學者進行了大量的研究。顧海榮等[7,9]通過數值分析的方法研究了瀝青路面加熱過程中熱能傳遞的規律,從理論上指出路面分層逐次加熱對提高路面軟化效率的作用。HuangKai等[10]通過建立離散元模型,對比了連續加熱法和間歇加熱法的加熱效果,提出間歇加熱法能有效提升再生層溫度的均勻性,降低原路面瀝青的二次老化,并通過試驗進行了驗證。董強柱等[11]利用試驗結合理論分析的方法研究了瀝青路面加熱過程中的能量輸入與升溫特性的關系,提出加熱機階梯配制功率能夠有效改善瀝青路面加熱效果。以上學者通過改進加熱方式在一定程度上改善了就地熱再生中的問題,但由于瀝青路面固有的熱傳遞性能差,熱量只能緩慢向下傳遞,不能從根本上解決加熱效率低的問題,因此部分學者提出利用穿透性能好的微波進行路面加熱。孫銅生等[12]建立了微波加熱瀝青混合料熱傳熱數學模型,并對實際微波加熱實際路面的熱量傳遞規律進行了模擬,驗證了瀝青路面短時間升溫的可行性。朱松青等[13-14]通過建立二維微波加熱傳熱模型,對微波作用的瀝青路面溫度場進行了研究,得出微波加熱瀝青路面溫度場的分布規律。長安大學張翼飛等[15]在考慮微波間干擾、耦合的基礎上,對微波加熱裝置進行仿真研究,并在此基礎上開發出就地微波加熱設備。雖然微波具有穿透性和良好的加熱效果,但目前還未能在大加熱功率和大工程量的就地熱再生中實現應用[7],介于上述原因,研究人員開發出了微波敏感型瀝青再生劑[8](以下簡稱YG-1),以期解決微波軟化瀝青路面過程中面臨的功率不足無法大規模應用的問題。YG-1是一種能在較低微波功率作用下快速滲透到瀝青路面內部,通過“微爆擴孔”、“通道滲透”等作用實現瀝青路面快速軟化的新型再生劑,該再生劑不但能夠使舊瀝青混合料再生,而且能夠提升原路面的軟化效率,為瀝青路面就地熱再生提供了新方法。本研究對YG-1的微觀形態、電磁特性、再生成分指標等理化特性進行了測試,并對影響YG-1軟化效果的微波作用方式(不同時間、不同功率)、用量、混合料空隙率、集料類型等因素進行了分析研究,對其軟化混合料的技術特性進行了研究。

外觀及微觀形態觀測

本節通過目測和光學顯微鏡兩種觀測手段,觀察YG-1的宏觀和微觀形態。


(1)宏觀形態

將YG-1置于玻璃管中,YG-1為土黃色,無分層,無沉淀,分布均一的不透明乳液;將YG-1置于玻璃板上,無顆粒和異物。YG-1在宏觀上表現為各組分均勻分布。


(2)微觀形態

采用光學顯微鏡分別放大100倍和1000倍,可以看出,YG-1的各組分在微觀上分布并不均勻,部分組分存在聚團現象,并呈現島狀分布的特點。

電磁特性分析

YG-1由多種材料復配而成[8],其中包含有機再生成分、納米微波敏感材料、水等,電磁特性復雜,采用常規的開放環境測試系統誤差較難處理[16],因此本節選用了如圖1所示的測試系統。測試系統整體等效為一個雙端口網絡,兩端口位于待測YG-1兩側,根據微波網絡理論,可以將此系統的網絡參數與材料的電磁參數相關聯,從而測得YG-1的電磁參數。

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通過矢量網絡分析儀,測得YG-1的電參數為εr=64.04,tanδ=0.493。根據微波發熱理論[17],在微波作用下單位時間內單位體積介質所產生的熱量為P,符合式(1):

P=2πεoεr tanδ·f·E2,(1)式中,tanδ為介質的損耗角正切;εo為真空介電常數;εr為測試材料介電常數;f為微波頻率;E為電場強度。


參考瀝青混凝土[18]電參數ε r=35.45,tanδ=0.   015,可知,YG-1相比瀝青混合料單位時間單位體積產生的熱量約為瀝青混合料的60倍,微波發熱及吸收能力極強。

其他理化參數的測定

YG-1是由多種成分復配而成的瀝青再生劑乳液,具有乳液和再生劑的雙重特性,本研究參照現行的《公路瀝青路面再生技術規范》[19](JTGF41—2008)、《公路瀝青路面施工技術規范》[20](JTGF40—2004)中對再生劑和乳化瀝青的相關技術要求,對其中部分適用YG-1的指標進行了測試,測試結果如表1所示。


由測試結果可知,YG-1為非離子慢裂型瀝青再生劑乳液,乳液乳化效果、儲存穩定性滿足現行規范對乳化瀝青的要求;YG-1蒸發殘留物即再生成分滿足現行規范對瀝青再生劑的指標要求。


由1.1~1.3節的測試結果可知,YG-1是一種復合型瀝青再生劑乳液,乳液為非離子慢裂型,常溫下為土黃色,儲存穩定性良好,具有極強微波吸收能力和發熱能力,乳液中的再生成分滿足現行規范中對瀝青再生劑的要求。

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微波作用方式對軟化效果的影響

YG-1軟化瀝青混合料需在微波環境下進行,微波作用方式對其軟化混合料的效果至關重要。本節通過自行設計的混合料軟化試驗,研究了微波功率P和作用時間t,對混合料軟化效果的影響規律,建立了軟化效果與微波功率P和作用時間t的關系式。


(1)瀝青混合料軟化試驗方法瀝青混合料軟化試驗步驟如下:


①成型相同配比馬歇爾試件16組,每組4個。本節試驗選用的混合料類型為AC-13;


②將成型好的混合料試件一面涂抹YG-1,本節試驗YG-1用量為6.5g/試件(約合0.8kg/m2);


③將涂抹YG-1的試件放入功率可調的微波合成儀中進行試驗;


④將微波作用后的馬歇爾試件置于0.5m的高度,涂抹YG-1的面朝下,讓其自由下落到硬質地面上,同一試件重復3次,確保松動的集料脫落;


⑤稱量散落的集料質量mg,計算散落質量ms與原馬歇爾試件質量mo的比值,記為Wi=ms/mo×100%;


⑥計算每組4個試件Wi的平均值,記作質量損失Wp;

⑦通過質量損失Wp來評價混合料的軟化效果,Wp越大,混合料的軟化效果越好。

(2)試驗條件及結果分析本節試驗采用功率P為100,300,500,700W,作用時間t為1,3,5,7min進行混合料的軟化試驗。對試驗結果進行擬合,建立質量損失Wp與微波     功率P和時間t的關系式,如式(2)所示:

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式(2)方差R^2=0.9979,說明質量損失W與時間t和功率P有很好的相關性。質量損失Wp隨時間t和功率P的變化規律如圖2所示。

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由圖3可知,功率相同的情況下,混合料質量損失Wp隨著時間的增加而逐漸增加。試驗7min后,Wp由大到小的作用功率依次為500W>300W>700W>100W。由圖4可知,不同功率在不同時間段的質量損失差Wp不同,當功率為100W時,Wc在各時段幾乎為0;當功率為300W時,Wc呈現先增后減的現象,Wc最大值出現在3~5min時段;功率為500W和700W時,Wc都呈現出遞減的現象,Wc最大值出現在1~3min時段,但各時段的Wc均為500W>700W。分析可知,瀝青混合料的軟化效果并未隨著功率的增大而增大,當功率值大于或小于一定值時,軟化效果都不好,功率存在最佳值。

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分析上述現象是由于YG-1軟化混合料關鍵在于“微爆擴孔”作用[8],即YG-1中的微波敏感材料在微波的作用下急劇升溫,當其溫度高于某值時,其周邊的水發生瞬間汽化,在微小密閉的空間發生微爆現象,在微爆力的作用下,沖開軟化后的瀝青使YG-1繼續滲透到混合料內部,實現混合料的進一步軟化。在微波的作用下,“微爆擴孔”作用持續進行,Wp隨著時間的增加而增加。當功率過低時(如100W),微波敏感材料吸收能力過低,不足以支撐“微爆擴孔”現象大范圍發生,產生了試驗中混合料未軟化的現象;當功率較低時(如300W),微波敏感材料吸收能量不足,“微爆擴孔”作用發生較慢,隨著微波作用時間延長,能量集聚,“微爆擴孔”作用才大量發生,因此出現了質量損失差Wc先增大后減小的現象;當功率恰當時(如500W),微波敏感材料吸收能量恰好支持足量“微爆擴孔”作用的發生,YG-1滲透得以保障,隨著時間的延長,YG-1逐漸消耗,軟化作用減弱,因此出現了質量損失差Wc先大后小的現象;當功率過高時(如700W),微波敏感材料在短時間內吸收大量能量,溫度升高過快,微爆在YG-1未充分滲透到混合料內部時已經發生,因此沒有起到很好的擴孔作用,影響了其對混合料的軟化效果。

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除功率和時間外,微波入射方向也是微波作用的變量之一。本節采用錫紙包裹馬歇爾試件側面的方法阻止微波由試件側面進入,改變微波入射方向,研究了不同微波入射方向對混合料軟化效果的影響,該試驗方法更接近于就地熱再生的實際工況。


試驗采用前期試驗中軟化效果較好的試驗條件,功率500W,作用時間5min,YG-1用量6.5g/試件(約合0.8kg/m2),對包裹錫紙后混合料的軟化效果進行測試,并與未包裹錫紙的試驗結果進行對比,結果如表2所示。

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由試驗結果可知,微波入射方向對YG-1軟化瀝青混合料的影響并不大,兩組試驗中質量損失Wp基本相同。分析原因是由于YG-1和瀝青混合料的吸收微波能力相差較大,如前1.2節所述,YG-1具有極強的吸波能力,試驗中的微波能量大部分被YG-1吸收,包裹錫紙后雖然改變了微波的入射方向,但并未改變YG-1和混合料對微波的吸收量,而混合料軟化的關鍵在于YG-1吸收微波后發生的“微爆擴孔”等作用,在吸收能量不變的情況下最終表現為兩組試樣軟化效果相當。

YG-1用量對軟化效果的影響

本節采用與2. 1 節相同的試驗方法,選取2. 1節試驗過程中軟化效果較好的試驗條件,即微波作用功率P 為500 W 和時間t 為5 min。YG - 1 的用量l 取值分別為0. 5,0. 7,0. 9,1. 1,1. 3 kg /m^2,試驗結果見圖5。對質量損失Wp和YG - 1 用量l 進行相關性分析,二者關系式如式( 3) 所示。


Wp = - 31. 94 + 163. 01l - 68. 04l2。              (3)


關系式的R2 = 0. 974 6,質量損失Wp和YG - 1用量l 具有較好的相關性。

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對式(3)中Wp進行求導,即可得到質量損失增率Sz與YG-1用量l的關系式,如式(4)所示:


即: Sz = (Wp) = 163. 01 - 136. 8l。( 4)


由試驗結果可知,隨著YG-1用量l的增加,Wp增大,混合料的軟化效果變好,但當用量超過1. 1kg/m2時,軟化效果增加不明顯,Wp出現下降趨勢,由式(3)可知l存在最佳值。由式(4)可知,質量損失增加率Sz與YG-1用量l成反比,即單位用量的YG-1軟化效果隨著用量的增加而逐漸降低。可以得出結論,雖然增加YG-1用量可以在一定程度上改善瀝青混合料的軟化效果,但當用量l達到某一值后,對軟化混合料效果提高將變得不明顯,出現降低的趨勢;在一定范圍內,隨著YG-1用量的增大,單位用量的YG-1對瀝青混合料的軟化效果降低。


這是由于在混合料軟化過程中,YG-1用量增加,能夠保證足量YG-1滲透入混合料內部,為“微爆擴孔”作用提供充足的原料。但當用量l達到一定量后,“微爆擴孔”作用達到極限值,再增加用量對混合料的滲透軟化效果增加不明顯。


為說明YG-1與普通瀝青再生劑的區別,在試驗條件相同的情況下,選用未涂抹再生劑、涂抹普通瀝青再生劑和涂抹YG-1的3組試件進行軟化試驗。試驗條件為功率500W,作用時間5min,YG-1用量為6.5g/試件(約合0.8kg/m2)。試驗結果如表3所示

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由試驗結果可知,涂抹普通瀝青再生劑并沒有起到軟化瀝青混合料作用,其質量損失Wp接近未涂抹再生劑單純加熱的混合料試件質量損失。試驗結束發現涂抹普通瀝青再生劑的試件試驗后只在邊角上出現了少量脫落,并未出現混合料松散的現象,與涂抹YG-1后混合料的狀態差別明顯。


分析原因是由于YG-1在微波作用下通過“通道滲透”、“分相滲透”、“微爆擴孔”、“持續軟化”4步實現瀝青混合料的軟化[8],而普通瀝青再生劑主要成分為非極性有機分子,因此對微波不敏感,不具備發生軟化混合料的條件,所以未發生混合料的軟化。

混合料空隙率對軟化效果的影響

本節對不同空隙率的混合料進行軟化試驗,研究混合料空隙率對軟化效果的影響規律。軟化試驗方法同2.1節,試驗條件為微波功率P為500W,作用時間t為5min,YG-1用量l為0.8kg/m2。試驗選擇不同級配類型的3種混合料,分別為SMA-16、AC-16、OGFC-20,成型后測量空隙率,結果如表4所示。軟化試驗結果如圖6所示。

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由圖6 可知,混合料的空隙率對YG - 1 的軟化效果影響大。空隙率為19. 3%的OGFC - 20,實現了混合料的完全軟化; 空隙率為5. 0% 的AC - 16,達到了57. 5%, 空隙率為4. 7% 的SMA - 16, 為23. 4%。由試驗結果可知,混合料的空隙率越大軟化效果越好。同時發現混合料的級配類型對軟化效果也具有較大的影響,空隙率接近的SMA - 16 和AC - 16 兩種混合料,分別為23. 4% 和57. 5%,軟化效果相差近2. 5 倍。


這是由于YG-1發揮作用的前提是“通道滲透”作用[8],即要求混合料有一定的連通空隙確保YG-1能夠滲透到混合料內部,較大的空隙率利于YG-1的“通道滲透”作用。因此出現混合料軟化效果隨著空隙率增大而增大的現象。同時混合料的軟化效果與級配類型有關,空隙率接近的AC-16軟化效果明顯優于SMA-16,分析原因是由于SMA型混合料中集料的嵌擠作用相較AC更為突出,在瀝青黏度降低的情況下,依然表現出較好強度。

集料類型對軟化效果的影響

不同類型集料對微波的敏感度不同,本節通過混合料軟化試驗,研究集料的微波敏感性是否對混合料軟化效果有影響。試驗采用相同級配不同集料制備馬歇爾試件,軟化混合料試驗方法同2.1節,試驗條件微波功率P為500W,微波作用時間t為5min,YG-1用量為l為0.8kg/m2,集料選用微波敏感性不同的3種集料類型分別為:玄武巖、石灰巖和閃長巖,逐檔篩分回配成相同的級配,試件的級配類型選用AC-13。


對3種材料集料的升溫速率進行測試,測試方法如下:


(1)選擇相同粒徑、相同質量的3種集料各500g,洗凈烘干后放置至常溫備用。


(2)將烘干后的集料放入微波合成儀中加熱,設置功率為500W。


(3)分別測量加熱時間為100,200,300,400,500s的集料溫度(℃)。


(4)進行時間-溫度曲線擬合,得出試件溫度擬合曲線。


試驗結果顯示,石料的溫度與微波加熱時間有很好的線性相關性,擬合時間-溫度曲線如圖7所示,3種集料的升溫速率排序為:石灰巖>玄武巖>閃長巖。3種集料的軟化試驗結果如表5所示。

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由表5可以看出,不同集料類型成型的瀝青混合料試件軟化效果略有不同,但相差不大,由于不同集料對微波的敏感性存在差別,試驗后松散的混合料溫度略有不同,溫度最高的石灰巖松散料溫度比溫度最低的閃長巖高出約10℃,但二者的質量損失差別并不大,質量損失量Wp分別為51.8%和48.1%,相差3.7%,并未發現軟化效果與集料類型的升溫速率(或微波敏感度)有直接聯系。

分析原因,雖然石料類型對微波的敏感性不同,導致最終試驗后松散混合料溫度存在一定差異(如表5所示),但由于混合料軟化主要依靠微波敏感型瀝青再生劑的“通道滲透”、“微爆擴孔”作用實現,軟化效果與混合料本身溫度的相關性并不明顯。集料材質對混合料軟化效果的影響應是綜合多因素得出的,如石料的黏附性、石料的表面紋理等。在分析該因素時應根據工程實際具體分析。

微波敏感型瀝青再生劑路試

為驗證YG-1軟化瀝青路面的實際效果,課題組在河南許昌進行了YG-1軟化瀝青路面路試。

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(1)試驗設備

試驗設備選用威特142TB微波綜合養護車。微波車加熱板面積約2m^2,輸入功率135kW,由90個磁控管組成。


2.45GHz微波穿透瀝青路面深度約0.11m[22],按照微波綜合養護車加熱面積2m^2計算,路試單位體積消耗的微波功率為:PL=135kW/(0.11m×2m^2)=614kW/m^3;對比前述室內試驗,馬歇爾試件的體積約為5.15×10-4m^3,按照單位體積消耗功率為PL進行計算,可知路試的平均功率與室內試驗功率300W(5.15×10-4m^3×P=0.316kW)相當。


(2)試驗路段基本情況

試驗路段選用河南許昌某廢棄公路,原路面混合料類型為AC-13,路面狀況良好,試驗時路面溫度為16℃。


(3)試驗步驟

①路面清掃干凈后,將稱好質量的YG-1均勻涂抹到試驗路面上。結合室內試驗結果,路試YG-1用量為0.8kg/m2,試驗面積與微波車加熱板面積相同;


②使用微波加熱板對涂抹YG-1的路面進行加熱,結合室內試驗結果,對路面的加熱時間選定為5min;


③對未涂抹YG-1的路面進行加熱,對比達到相同軟化程度時的加熱時間;


④加熱結束后對路面的軟化情況進行觀察。


(4)試驗結果涂抹YG-1的路面經過微波作用5min后路面實現了部分軟化,軟化區域呈圓形非連續分布,軟化的區域位于磁控管正下方,偏離磁控管下方的區域軟化效果較差。軟化的瀝青混合料呈松散狀態,軟化深度約為4cm左右。未涂抹YG-1的瀝青路面,達到相同的松散狀態加熱時間約為30min。


分析產生上述現象的原因,是由于微波場在瀝青路面表面及內部的分布不均勻,由2.1節的研究可知,要實現混合料的快速軟化微波功率應在合理范圍之內,偏離該范圍混合料的軟化效果較差。對應路試現象可知,磁控管下方位置的微波能量滿足軟化瀝青混合料微波功率的要求,偏離磁控管位置的微波能量相對較弱,低于軟化所需要的功率,因此出現了軟化區域呈圓形非連續分布的現象。未涂抹YG-1的瀝青路面軟化是通過混合料中石料溫度的升高實現的,因此所需時間較長。


通過路試可以看出,YG-1在微波作用下能夠實現瀝青路面的快速軟化,但由于現有設備微波場分布不均勻,導致瀝青路面軟化區域不均勻不連續。因此需要對現有微波加熱設備進行改進,使微波場分布均勻才能更好的滿足YG-1的工程應用。

結論

(1)微波敏感型瀝青再生劑是一種復合型瀝青再生劑乳液,宏觀上表現為性質均一,微觀結構中存在部分組分聚團的現象。微波敏感型瀝青再生劑中的再生成分滿足現行規范中對瀝青再生劑的所有要求,乳液體系為慢裂型,并具有良好的儲存穩定性和極強微波吸收能力。


(2)微波敏感型瀝青再生劑軟化瀝青混合料效果并非隨著微波功率的增大而增加,在功率超過一定數值后,軟化效果反而變差,功率存在最佳范圍;隨著微波作用時間的增加,軟化作用持續發生,但單位時間的軟化量減少;混合料軟化效果與微波作用方式有很好的相關性。


(3)瀝青混合料軟化效果隨著微波敏感型瀝青再生劑用量的增大而變好,但再生劑用量越大,單位用量對瀝青混合料的軟化效果越低。當用量超過某值后,增加再生劑用量提高軟化效果的作用不明顯。


(4)混合料空隙率對微波敏感型瀝青再生劑的軟化效果影響明顯。混合料的空隙率越大,軟化效果越好。


(5)不同集料類型對微波的敏感程度不同,在微波的作用下升溫速率不同,但混合料的升溫速率對最終瀝青混合料的軟化效果的影響并不明顯,二者沒有相關性。

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