李超
陕西中霖集团工程设计研究有限公司 西安市 710100
沥青路面混合料拌和过程中,需对集料、沥青和混合料进行加热,而不同加热方式会对材料的物理力学性能有很大的影响,如现行规范中已禁止沥青路面材料进行二次普通电加热拌合等。为验证微波加热技术在沥青路面坑槽养护中的适用性,陕西中霖集团科研团队在研发微波坑槽养护车过程中,进行了多种试验研究。最具有代表性的为通过微波加热集料、沥青及沥青混合料,对试验前后各性能指标进行对比分析试验。
一、微波加热原理分析
微波在电磁波谱中介于红外辐射(光波)和无线电波之间,又称超高频,其波长在1mm~1m之间,频率在300~300×103MHz的电磁波。用于加热技术的微波波长一般固定在12.2cm或33.3cm。关于微波加热的原理,一般认为:微波振动同物质分子偶极振动有相似的频率,在快速振动的微波磁场中,物质分子的偶极振动尽力同微波振动相匹配,而分子的偶极振动通常落后于微波磁场,这样物质分子吸收电磁能以数十亿次的高速振动产生热能,因此微波对物质的加热是从物质分子出发的,称为“内加热”。而传统的加热方法如回流则是靠热传导和热对流来实现的,即“外加热”。
通常,一些介质材料由极性分子和非极性分子组成。在微波电磁场的作用下,介质中的极性分子从原来的热运动状态转为跟随微波电磁场的交变而排列取向。例如:采用的微波频率为2450MHz,就会出现每秒4亿5千万次交变,分子间就会产生激烈的摩擦。在这一微观过程中,微波能量转化为介质内的热量,使介质温度呈现为宏观上的升高。由此可见微波加热是介质材料自身损耗电磁能量而加热。微波加热的基木条件是:物体本身要吸收微波。
二、微波对集料性能影响研究分析
选取了闪长岩、玄武岩与石灰岩三种比较典型的路面集料进行了微波对它们作用后的较有代表性的力学性能:压碎值、磨耗值及坚固性进行试验研究。
由3.6图可知,微波加热三种集料后的压碎值呈下降趋势,说明集料通过微波多次加热后其压碎性能逐步提高,从而初步判断出微波加热集料后的力学性能得到了提高。
通过图3.8可以判断,微波加热三种集料后的磨耗值呈下降趋势,说明其磨耗性能随着微波的反复加热成提高态势,进一步说明微波加热集料后的力学性能得到了不同程度的提高。
由图3.10试可以初步判断,微波加热后三种石料的损耗值呈下降趋势,说明集料在微波的作用下其坚固性能成上升趋势,从而更加说明通过微波加热集料后的力学性能得到了增强。
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三、微波对沥青指标性能影响研究
1、由于基质沥青加热温度一般为150~160℃,本文选沥青加热温度155℃(温差±5℃),为研究沥青的性能指标,采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行针入度、软化点与延度、三大经典性能指标试验,结果如下:
由图3.15所示,微波加热后三种沥青后的针入度值略呈下降趋势,但下降得很少,基本是在规范中的重复性试验的允许差范围之内,说明微波对沥青针入度的敏感性不大。
通过图3.16可以初步判断,微波加热后三种沥青的软化点值略呈上升趋势,说明微波对沥青高温敏感性有一定的影响,且是向良态方向发展,说明微波加热有利于基质沥青高温性能的提高。
由图3.17所示,微波加热后对SK-90#基质沥青与中海-90#基质沥青的延度值先呈上升趋势,然后又开始下降,对克拉玛依-90#基质沥青先呈下降趋势,然后又略有升高,说明微波对沥青低温敏感性有一定的影响,但影响不大。
2、为研究各基质沥青的粘度变换趋势,采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行沥青60℃动力粘度试验研究。
由图3.19可知,微波加热三种沥青后的60℃动力粘度值略呈上升趋势,说明微波对基质沥青粘度敏感性有一定的影响,但影响也是非常微弱。
4、为研究沥青混合料的力学性能,马歇尔试件按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)要求制备。测定其马歇尔稳定度(MS),在测定稳定度的同时,测定其流值(FL)。
通过微波作用后,由图3.25(a)所示,沥青混凝土标准稳定度出现了一定的下降;
由图3.25(b)所示,流值有所增加,但是变化趋势都不是很明显,说明混合料在微波作用两次状态下的力学性能削弱不明显;
由图3.25(c)所示,马歇尔模数基本是成线性下降,说明混合料随着微波作用次数的增加整个趋势是趋于硬化状态。
5、微波对沥青混合料水稳定性影响研究
为研究沥青混合料的水稳定性能,按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)分别进行残留稳定度试验与冻融劈裂试验。根据图3.26分析,通过微波作用后的四组沥青混合料马歇尔残留稳定度第一次作用后都下降了少许,第二次作用却比没有微波作用下还提高了少许,这说明微波对沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度影响较小。
6、微波对沥青混合料冻融劈裂试验影响研究
冻融劈裂试验,在规定条件下对沥青混合料进行冻融循环,测定混合料试件在受到水损害前后劈裂破坏的强度比。
由图3.28可以得出,微波作用后的四组沥青混合料的冻融劈裂强度比由普通加热再通过微波作用后得到明显提高,然后在微波作用二次后有所下降,说明沥青混合料在微波作用后其冻融劈裂强度比有一定的提高,及有利于水稳定性。
由图3.29初步判断,微波作用后的四组沥青混合料的低温弯曲试验破坏应变由普通加热再通过微波作用后得到一定的提高,然后在微波作用二次后有所下降,说明沥青混合料在微波作用两次后其低温抗裂性能并没有得到削弱。
如图3.30所示,微波作用后的四组沥青混合料的的劈裂强度没有明显的变化,说明微波对沥青混合料反复作用后对其低温抗裂性能影响不大。
由图3.32所示,微波作用后的四组沥青混合料的的动稳定度得到明显提高,说明沥青混合料在微波作用两次后其高温稳定性能得到较大的增强。
通过微波对集料、沥青以及沥青混合料的影响研究分析,可以得出以下结论:
1、通过对粗集料进行微波作用后的研究可知,粗集料的压碎值、磨耗值和坚固性都是趋向于提高,研究者认为集料中的硫、磷等极性分子且燃点较低的柔韧性物质在微波作用下被“蒸发”的缘故,从而改善了集料的力学性能。
2、通过对沥青进行微波作用后的研究可知,沥青在微波两次作用的情况下老化程度并不是很大,高温性能有所改善,动力粘度值增加。
3、通过对混合料进行微波作用后的研究分析可知:微波加热沥青混合料对其的损伤度几乎可以忽略不计;微波加热对沥青混合料的水稳定性是非常敏感的,而且这种发展趋势是有利的,这是否说明微波加热沥青混合料有利于提高混合料的水稳定性,有待试验的进一步验证;微波对沥青混合料的低温抗裂性能的敏感性很微弱,几乎没有什么影响;微波加热沥青混合料使其的高温稳定性能得到更好的释放,可以使物体内部分子的排列变得更加紧密,可在一定意义上提高沥青混合料抗车辙的能力。
陕西中霖集团科研团队通说上述试验结果说明了微波加热技术应用到沥青路面坑槽养护中是完全适用的。后续团队也将会通过实际应用案例持续对该问题进行进行更为深入的研究分析。