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历史记录

吸波沥青混合料在路面工程中的应用研究进展

来源:石油沥青厂家   发布时间:2018-11-19   点击量:737

高速公路的建设和发展是交通运输现代化的重要标志之一。截至2015年底,中国大陆高速公路通车总里程达12万km,居世界第一。沥青路面因其具有良好的力学性能、耐久性能和行车舒适性而成为高速公路主要路面类型,但高速公路沥青路面在严寒地区容易形成结冰现象,严重影响路面行车安全性及其使用寿命,因此快速融雪除冰问题成为道路界人士亟需研究的重点课题之一。基于现阶段沥青混合料路面快速养护以及融雪除冰的需求,国内外研究者提出用微波加热技术来进行沥青混合料路面的养护及融雪除冰。通过微波养护车对沥青路面实施加热融雪去冰,具有快速养护、节能、环保等优点。

石油沥青

研究表明,骨料吸收微波的能力主要与其所含的金属性成分及其吸波性能有关。传统沥青混合料中骨料的金属成分少,微波吸收能力较差,严重降低了利用微波加热技术进行路面养护以及融雪除冰的效率,导致微波加热技术在路面中的应用受到约束。吸波效率是保证微波加热技术应用于沥青混合料路面的前提,基于此,本文通过分析与总结路用吸波材料的发展历程及其特点、作用机理、吸波效果等,结合现阶段微波加热技术及微波加热技术在路面工程中应用的研究现状进行分析总结,为吸波沥青混合料在路面工程的进一步应用提供参考。

路用吸波材料

硫铁矿烧渣

硫铁矿烧渣是硫酸工业中产生的工业固体废渣,最初是将石灰、矿渣、天然砂砾按合理配合比设计后应用于路面结构中,用于改善3、4级公路面层结构性能。范晓正根据硫铁矿烧渣的物化特性,将低品位硫铁矿烧渣制备成集料应用于沥青混合料中,在微波环境下,其温升速率约为普通集料的15倍,掺量为100%的沥青混合料相比普通沥青混合料其吸波效率可提高16倍。这是由于硫铁矿中的Fe2O3受高温作用还原为Fe3O4,在微波环境下,集料中的磁铁矿迅速发热,并通过热传导使沥青混合料的温度快速升高。但是由于硫铁矿渣中的Fe2O3含量不高,且高温下无法100%还原为Fe3O4,所以具有一定的局限性。

碳纤维

碳纤维吸波能力优良,其导电、导磁、导热能力均大于磁性矿石,且还具有抗弯拉、抗冲击强度、耐腐蚀等特点。ZigengWang等人研究发现,碳纤维具有提高沥青混合料的导热系数和降低电阻率的能力。目前,针对其在道路工程中的应用研究多集中于将碳纤维制备成发热线,靠通电发热来实现路面融雪化冰。

铁燧岩

铁燧岩是一种低品位磁铁矿石,主要组成成分为细粒石英、铁的硅酸盐和铁的氧化物,掺入铁燧岩的沥青混合料对微波具有极强的吸收发热作用。铁燧岩可作为集料应用于沥青混合料中以实现微波养护及融雪除冰。研究表明,铁燧岩集料制备的沥青混合料的微波吸收能力远大于普通沥青混合料,且铁燧岩集料制备的沥青混合料路面各项路用性能指标良好,抗滑性能得到显著改善。

磁铁矿石

沥青混合料的吸波作用主要由集料产生,集料的吸微能力与其所含的金属性成分密切相关。磁铁矿石因其含有磁铁,对微波具有极强的吸收和发热作用。郭德栋等指出微波与磁铁具有较强的耦合发热效应,并提出将磁铁矿石作为集料制成沥青混合料以提高沥青路面微波养护与融雪除冰效率。关博文等建议天然磁铁矿粉沥青混合料路面上面层厚度合理设计值为3cm,当沥青路面上面层设计厚度大于3cm时可适当降低天然磁铁矿粉取代率。

二氧化锰

二氧化锰是铁氧体材料的主要原料之一。刘顺华对石英/二氧化锰复合材料的吸波性能进行了实验研究,结果表明二氧化锰的吸波性能良好。其对二氧化锰电磁参数的测试结果表明,二氧化锰介电损耗角正切在整个测试频段内比较稳定,可以作为一种宽频吸波剂,这符合工程应用中对吸波材料“宽频率,高吸收”的要求。郑志涛把二氧化锰作为吸波组分,以玄武岩纤维为增强增韧组分制备复合沥青混合料并对其吸波性能进行了测试,结果表明采用此沥青混合料30min内可修补完一处坑槽,缩短了封闭交通时间。

沥青路面微波加热技术研究现状

目前微波加热技术在沥青混合料融雪除冰和沥青混合料路面养护方面的应用逐渐受到重视。提高沥青路面吸波能力的方法主要有2种,一种是在沥青路面表面铺筑1层吸波材料,并用微波加热让沥青混合料融化,使其用于修补沥青路面的坑槽;另一种是利用极性较强的集料替换传统集料,以提高其微波吸收能力。

ZhuX发现利用强吸波材料制成的沥青混合料铺筑路面可使道路的微波除冰能力显著提升。由于冰层不具有吸波效应,而微波可以直接穿越冰层作用在冰层与路面的结合处,故微波除厚冰层技术具有明显优势。BosisioRG等将碳纤维掺入沥青混合料中,在掺量为0.45%时,2.3~2.6GHz频率范围内沥青混合料的最小反射率达到-13.5dB,表明碳纤维在提升沥青混合料力学性能的同时也显著提高了其吸波性能。Norambuena-ContrerasJ等对影响沥青混合料特性的参数进行了研究,分析了沥青混合料介电损耗与电场强度的衰减规律,建立了电场与热场之间的转换模型,发现电场强度随微波加热深度的增加逐步衰减,混合料的电场强度与其介电常数成反比,且随着介电常数的增大而减小。因此,进行微波加热除冰时,可通过增强内热源的活性来提升沥青混合料的温度。

在国内,微波加热技术在路面中的应用已得到众多研究者的关注。盐城工学院首先从理论上进行了探索,继而对沥青路面现场维修中微波加热技术进行子研究。东南大学通过试验证明微波加热技术是通过辐射热传递来实现,沥青混合料能瞬间整体加热,具有环保、迅速、加热均匀、保证质量等优势。长安大学研究发现沥青混合料的路用性能受其加热方式影响显著,微波加热优于红外加热;微波加热效果受微波加热频率、吸波材料类型和冰层界面反射系数影响,微波加热最佳频率为5.8GHz,吸波材料中铁磁性材料吸波效果最为优异。

由于沥青混合料吸收微波性能较差,微波加热功耗大、效率低,导致微波加热技术在公路养护与除冰雪方面的应用进展相当缓慢。微波除冰技术虽然可以达到快速融雪化冰的目的,但在现场施工过程中存在微波利用率低、采用技术难度高等技术难题,所以要实现微波除冰技术的大规模应用还比较困难。基于此,赵新美等将微波除冰技术纳入综合除冰除雪体系。

工程应用

沥青路面微波养护

目前常用沥青路面病害修补方法为人工修补、红外加热修补和微波加热修补。人工修补是人工开挖破损路面后,加入热料压实,施工简单,但修补效率低、质量差,易产生2次病害。红外加热修补是利用红外加热设备加热破损沥青混合料路面,但红外线加热的深度小于3cm,加热时容易烧焦沥青,温度难以控制,修补质量差。微波加热修补是利用微波加热沥青混合料,使其达到施工温度,加热是由内而外的体积加热,具有加热速度快、均匀和深度大等特点,具有较大的应用优势。

基于微波加热的沥青路面坑槽修补。根据现场坑槽的破坏程度,微波加热修补工艺分为如下2种

1)将常温下块状沥青混合料放进干净的坑槽内,用微波加热设备对其加热至施工温度后再用于坑槽修补。具体施工工艺为:清理坑槽放块状沥青混合料微波加热翻松添加乳化沥青拌和压实撒砂。

2)无路面微波加热设备时,直接利用热拌沥青混合料修补。具体施工工艺为:切割机开槽旧料回收、利用微波加热添加乳化沥青添加热沥青混合料摊平压实撒砂。此工艺的优点是可以利用微波加热设备将旧料直接加热后再次利用。

曾红雄对沥青路面坑槽的形成机理和利用微波加热进行坑槽修补施工工艺进行了研究分析,提出沥青路面坑槽修补的评价指标和一定的检验方法,并发现沥青在微波的反复作用下不会发生老化。郑志涛发现采用微波技术修补路面时,加热需要10~15min,30min即可修补完1处坑槽,不仅缩短了封闭交通时间,同时还可完全消除弱接缝,修补质量好。

基于微波加热的路面裂纹和裂缝维修。疲劳开裂是沥青路面早期主要病害之一,如果不及时处理,在交通荷载和低温应力反复作用下裂纹会不断扩展成为裂缝或发生网裂,最终导致路面结构破坏。由于裂纹通常很窄,沥青灌入时比较困难,传统技术相对于微波加热技术存在一定的不足。

微波加热修补沥青路面裂纹有2种方法,下面将分别予以介绍。

方法1:首先根据疲劳开裂程度确定沥青路面需要加热的时间(一般室外温度为15~20℃时,加热约3~5min即可),然后利用微波加热设备沿路面裂纹将面层加热至180℃,碾压至裂纹消失。

方法2:将热沥青灌入裂纹中,用微波加热仪器将沥青加热到180℃,待沥青渗入裂纹中与沥青路面结合后均匀撒上石屑。

沥青路面裂缝的修补方法与裂纹基本相同,但为了提高裂缝填封料与裂缝壁面间的粘附强度,需对裂缝进行清理,使裂缝彻底清洁并保持干燥。

微波融雪化冰

在道路工程中,采用微波除冰化雪主要是依靠微波可选择性加热的原理。由于冰的相对介电常数和介质损耗角正切都极小,因此微波可以穿过冰层直接到达面层,面层沥青混合料中的吸波材料吸收微波能量后升温,并将热能传递至冰层,致使冰层从路表剥离,从而达到机械快速除冰的目的。同理,雪吸收了热量温度升高至融雪点后,融化成水而蒸发,最终达到除雪目的。

路面微波无损检测

为了达到路面养护目的,依赖于测量的需求信息必须通过破坏或非破坏方法来收集。传统方法主要是破坏性检测,该法最大的优点是直观,但破坏性检测需要切除材料,不仅会对路面造成破损,而且费时费力、效率低,故传统检测手段和评价方法很难对路面质量作出准确和定量的判断;另一方面,非破坏性检测通常不需要切除材料,且检测范围更广。基于此,国内外学者提出了使用微波技术进行非破坏性检测。

无核密度仪。无核密度仪的原理是根据沥青混合料的密度与介电常数存在的比例关系,利用仪器发射环形电场以测量沥青混合料的介电常数,再由无核密度仪内部的转换器将电信号转换为密度读数并显示。在沥青混合料损坏处,电波传递受到不同程度的影响,必然致使混合料的介电常数发生改变,从而影响其密度。

无核密度仪用于沥青路面密度测定时,需分别对不同级配和不同材料的沥青混合料进行标定,标定取样数量为10~15点,但当其公称最大粒径大于25mm时,检测存在较大误差,试验结果缺乏可信度。被测路面的温度、表面洁净度、平整度、湿度及无核密度仪(PQI)的摆向与平行检测次数对无核密度仪精度有相应的影响,其中路面湿度对其精度的影响最大,建议检测时使用干燥的沥青面层进行密度测定。

探地雷达检测技术。探地雷达运用脉冲电磁波原理向地下发射高频电磁波。电磁波在地下传播过程中,路径、强度和波形随其通过的电磁特性不同的相邻结构层而产生不同程度的改变并在层间界面发生电磁波透射和反射,最后根据天线接收的电磁波信号的时延、波形变化及频谱特性等数据,经数据分析和成像处理,对地下各个层面的空间状态和介质形态进行分析,从而达到识别路面异常结构的目的。

雷达对沥青路面层间积水进行隐形探伤监测具有良好效果,且数据精确,其也可用于路面检测,以判别车辙类型。随着雷达无损探伤技术的发展,探地雷达图像数据分析依据详实,误差减小,有助于从雷达剖面图中判断路面裂缝宽度。

总结:本文对路用吸波材料的发展历程及其特点、作用机理、吸波效果进行了介绍,并结合现阶段微波加热技术及其在路面工程中的应用现状进行了分析阐述,其结果表明吸波沥青混合料能够显著提高沥青路面的吸波能力,其在道路养护与融雪除冰上的应用也日益受到重视。但目前的研究主要集中在沥青混合料吸波性能的改善以及道路除冰效率的研究方面,对路面养护以及道路除冰施工技术和养护修补路用性能的研究相对较少。笔者认为,以下几方面还有待进一步研究。

1)需研发频带宽、吸收率更高的道路吸波材料,并对沥青混合料进行整体研究,探究吸波沥青混合料能量转化率相关问题并建立相关评价方法。

2)由于微波发射器对加热区域不能实现全覆盖式加热,加热死角会造成路面加热不均匀从而导致局部冰层不能脱落,因此微波发射器如何全面覆盖加热路面有待进一步研究。

3)目前探地雷达对道路无损检测结果的判读解释主要依靠人工判读和经验解释,具有一定主观性,因而需研发道路自动化探地雷达无损检测设备,最终达到对雷达剖面图的自动判读解释。

4)微波发射设备及施工环境需进一步研究,以减少微波加热过程中微波辐射对人体产生的危害。

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