微波辅助加热就地热再生在高速公路养护中的应用研究

朱浩然，张杨，马辉，符适，王贵

（1.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112；2.新型道路材料国家工程实验室，江苏 南京 211112；3.江苏高速公路工程养护技术有限公司，江苏 南京 211100；4.江苏高速公路工程养护有限公司，江苏 淮安 223005；5.江苏集萃道路工程技术与装备研究所有限公司，江苏徐州 220005）

0 引言

公路作为中国的重要基础设施，给人们的生活带来了极大的便利，交通强国战略的实施，使得中国交通运输网日渐完整。作为高等级公路建设和养护的典型省份，截至2019 年底，江苏省公路里程达16 万km，其中高速公路4 865 km，“十三五”末江苏省内大部分高速公路的服役年限已超过10 年，江苏省高速公路的建养模式由“建养并重”向“养护优先”转变［1］。

就地热再生技术可实现旧沥青路面铣刨料60%～100%的利用，基于资源节约型与环境友好型理念，就地热再生工艺在沥青路面养护与维修中得到了广泛应用［2-4］。就地热再生通常有3 种工艺形式：表面再生、复拌再生和复拌加铺［5-7］，中国多采用表面再生工艺。传统的沥青路面加热方式主要采用红外加热和热风加热，存在路表加热温度高，沥青老化严重，面层结构受热不均匀，环境污染严重等问题。而微波加热是国内外新近研究的一种路面加热方式，具有加热深度大、加热均匀性好、整体性好、环保等优点，长安大学等科研院所长期致力于微波加热沥青路面的研究［8-11］。边晓伟等［12］通过对微波天线结构的优化，提高了微波加热的均匀性；杨伦磊等［13］通过研究对沥青道路微波养护车结构组成和技术参数进行了优化；张集海［14］、袁凯［15］、孙猛［16］采用先进的微波加热技术，研究了微波加热技术在沥青路面坑槽、裂缝、车辙等日常养护中的应用。

综上所述，国内外学者大多聚焦于将微波加热技术应用于沥青路面日常养护领域，未见微波加热技术在沥青路面就地热再生工程中的应用。本文基于微波加热的原理和特点，提出国内外独特的微波辅助加热就地热再生组合工艺流程，并依托2020年连霍高速公路就地热再生工程，从混合料设计、热再生工艺及施工质量检测等方面，开展了微波辅助加热就地热再生在江苏省高速公路养护工程中的应用研究。

1 微波加热原理和特点

微波加热原理：将电能通过磁控管转换成波长12.24 cm、频率为2.45 GHz 的微波，在微波覆盖范围内分子之间剧烈摩擦产生热能，温度随之升高。微波加热沥青混合料的作用机理：微波通过沥青混合料时，由于沥青不吸收微波，骨料特有的介电特性和磁滞特性吸收微波能，致使骨料温度升高，骨料再将热量传递给沥青，从而实现沥青混合料整体受热［17］。微波加热独有的特点如下：

（1）即时性：物料温度的改变源自微波辐射，其热量的得失来自微波与物料的作用，表现出对物料加热的无惰性。

（2）整体性：微波特有的频率与波长，具有较强的穿透能力，使物体内、外部几乎同时加热升温，节省了常规加热方式中热传导过程所需的时间，物料内外加热均匀性好。

（3）选择性：物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数和磁滞损耗因子所决定，不同物质吸收微波的能力差异性较大。

（4）高效性：传统的加热方式存在较大能量损耗，而微波加热是微波通过介质内部，介质的损耗致使整体温度升高，绝大部分的微波能量最终被介质所吸收并转化为温度升高所需要的热量，表现出微波能量利用的高效性。

2 微波辅助加热就地热再生组合工艺研究

2.1 微波加热沥青混凝土深度

当微波从物质表面进入物质内部时，微波能被介质吸收转化为热能，这种微波通过表面到介质内部的能力称为穿透深度，用D表示，计算公式如下：

式中：D为场强穿透深度（m）；λ为波长（m）；εr为物料介电常数；tanδ为介电损耗系数。

由式（1）可知：对于同一种发射频率的微波，微波的穿透深度即加热深度取决于材料的吸波能力，吸波能力越大，则加热深度越小；对于同一种材料，微波的加热深度与微波的频率有关，微波的频率越高，则加热深度越小。由于大部分物料的πεrtanδ约为1，波长12.24 cm、频率为2.45 GHz 的微波加热沥青混凝土路面深度为15～20 cm。

2.2 微波辅助加热就地热再生组合工艺

由上述计算结果可知，2.45 GHz 的微波加热沥青混凝土路面深度为15～20 cm，而一般市场上就地热再生路面深度为3～5 cm，微波加热应用于原路面的就地加热存在较多的能量耗散，深层热量无法利用，造成加热效率低，甚至中面层（非再生层）经微波加热影响路面性能。因此，不能采用微波加热机直接对路面加热的方案。

本文提出微波辅助加热就地热再生的工艺流程如图1 所示。①传统加热机：采用2～3 台热风或红外加热机加热软化沥青路面（路表温度≤200 ℃）；②加热铣刨机：继续对原路面加热，铣刨翻松路面（铣刨底层温度≥110 ℃），喷洒再生剂、微波辅助加热材料并使其与旧沥青混合料充分搅拌均匀后，在路槽中间形成梯形料垄；③料垄微波加热机：采用微波加热机对形成的料垄直接就地加热，提温10～15 ℃，起到旧沥青混合料二次提温的作用，保证后续的拌和摊铺温度和施工质量；④复拌再生机：将新沥青混合料按比例精确添加到料垄，强制搅拌分料形成松散料带，继续加热保温后，收集形成梯料垄，进入长拌缸彻底拌和，加热提升路槽温度。

图1 微波辅助加热就地热再生工艺流程示意图

3 微波辅助加热就地热再生工程应用

连霍（G30）高速公路作为江苏省高速公路的重要组成部分，其运营时间已经超过15 年，为了改善路面使用性能，针对车辙深度处于8～15 mm 且未再生养护过的段落，进行微波辅助加热就地热再生施工工艺研究及试验段的铺筑。

3.1 配合比设计

3.1.1 原路面混合料性状分析

选取具有代表性的原路面AC-13 混合料进行抽提、筛分和回收并进行沥青三大指标试验，回收沥青掺加不同掺量再生剂后，其性能指标的检测结果见表1。

表1 回收沥青掺加再生剂三大指标试验结果

由表1 可知：在回收沥青中掺加3%的再生剂后沥青的针入度、软化点和延度均可满足规范要求。因此拟定再生剂的掺量为原路面沥青混合料中沥青含量的3%。

3.1.2 新料掺量确定及配合比初选

在不提高原路面标高的基础上，结合历年相关工程的施工经验，原路面预处理采用铣刨1 m 宽、4 cm 厚方案，根据计算，新料内掺比例为26%，旧料内掺比例为74%。根据设计指标要求，新料沥青的检测结果见表2，初选新料的级配如表3 所示。两种试级配混合料马歇尔试验结果如表4 所示。

表2 新料沥青的检测结果

表3 两种新料级配及合成级配明细

表4 两种试级配混合料马歇尔试验结果

3.1.3 最佳油石比确定

按照新料掺量26%（内掺）、再生剂添加量3%进行合成混合料的设计，对新料通过不同的油石比（4.2%、4.7%、5.2%、5.7%、6.2%）按照与原路面混合料比例26∶74 充分拌和均匀，成型马歇尔试件，测定合成混合料马歇尔试件的相关物理指标，相关检测结果见表5。

表5 不同油石比合成混合料体积指标检测结果

由表5 中各项指标与油石比的关系，并根据往年施工经验和当地气候条件取5.2%作为新料最佳油石比，则合成混合料油石比为5.08%。

（4）再生混合料性能验证

根据配合比设计结果，新料掺量26%（内掺），再生剂掺量3%，新料油石比5.2%，室内成型再生混合料，并进行性能验证，结果见表6。

表6 再生合成混合料性能检测

3.2 施工控制要点

连霍高速微波辅助加热就地热再生工程的施工机组为：3 台Ecoheater Kaph 8 sp 加热机、1 台徐工热风加热机、1 台徐工热风加热铣刨机、1 台徐工微波加热机、1 辆沥青混合料运输车、1 台徐工复拌再生机、1台沥青摊铺机、2 台双钢轮压路机和1 台胶轮压路机。

微波辅助加热就地热再生工艺施工流程如下：

（1）路面预处理：为了不改变原路面标高，保证新料的掺加比例，就地热再生之前，先将原路面铣刨1 m 宽。如 图2 所 示。

图2 原路面预铣刨

（2）路面加热保温：采用3 台Ecoheater Kaph 8 sp 加热机和1 台徐工热风加热机加热软化沥青路面，确保路面的加热温度。如图3、4 所示。

图3 Ecoheater Kaph 8 sp 加热机

图4 徐工热风加热机

（3）原路面加热铣刨：采用徐工加热铣刨机，继续对原路面加热，铣刨翻松路面（铣刨底层温度≥110 ℃），喷洒再生剂并使其与旧沥青混合料充分搅拌均匀后，在路槽中间形成梯形料垄。如图5、6所示。

图5 加热铣刨

图6 喷洒再生剂

（4）微波辅助加热：利用徐工料垄微波加热机对精铣刨形成的料垄直接加热，提温10～15 ℃。如图7所示。

图7 料垄微波加热

（5）复拌摊铺碾压：用复拌再生机将新沥青混合料按比例精确添加到料垄，强制搅拌分料形成松散料带，继续加热保温后，收集形成梯料垄，进入长拌缸彻底拌和，加热提升路槽温度。当料垄温度达到一定值后，完成后续的摊铺、碾压等工序。

（6）开放交通：就地热再生加热机组的行驶速度控制为3.5 m/min，热再生完成后，待热拌沥青混合料自然冷却至表面温度小于50 ℃，即可开放交通。

4 微波辅助加热就地热再生施工质量检测

4.1 再生加热温度

采用红外热成像仪和数显式温度计对就地热再生施工过程各个环节的加热温度进行跟踪测试，测试结果见表7，实现了就地热再生各环节的温度控制。微波加热前后混合料表面和内部5 cm 的温度提升情况对比结果见表8。

表7 就地热再生施工过程各环节的温度

表8 微波加热机前后料垄表面和内部温度对比

由表7、8 可以看出：受表面温度散失、风等影响，微波加热机前料垄表面的温度并未升高，反而有所降低，而经微波加热后，料垄内部的加热温度提升14 ℃。分析原因可知：微波加热方式对混合料整体加热，均匀性好，且热量由混合料内部向表面进行，表面温度低于中心温度。

4.2 现场检测

微波辅助加热就地热再生试验段完工后，对热再生路段进行了现场检测，结果如表9 所示。从芯样厚度及压实度结果来看，厚度单点值、代表值、路面压实度均满足技术要求。

表9 再生路段压实度检测结果

5 结论

本文通过微波辅助加热就地热再生组合工艺研究以及微波辅助加热就地热再生在连霍高速公路养护工程中的应用，得出以下结论：

（1）考虑到微波加热沥青混凝土路面深度为15～20 cm，而一般就地热再生路面深度为3～5 cm，微波直接对原路面加热存在较多的能量耗散，造成加热时间长、效率低，因此，不能采用微波加热机直接对路面加热的方案，提出了国内外独特的微波辅助加热就地热再生组合工艺流程。

（2）基于连霍高速公路就地热再生混合料配合比设计，确定新料内掺比例约为26%，新料油石比5.2%，合成混合料油石比5.08%，再生剂掺量3%，再生混合料的路用性能均满足技术指标要求。

（3）再生温度测试结果表明：经微波加热机后，料垄表面的温度并未升高，料垄内部的加热温度提升14 ℃。验证了微波加热的原理是对混合料整体加热，均匀性好，且混合料内部的热量高于表面，避免了混合料表面老化。