李永翔 李 軍 于 敏 李 偉

(內(nèi)蒙古路橋工程技術(shù)檢測(cè)有限責(zé)任公司1) 呼和浩特 010050) (內(nèi)蒙古自治區(qū)道路材料循環(huán)利用與養(yǎng)護(hù)工程技術(shù)研究中心2) 呼和浩特 010050)

坑槽是瀝青路面的常見病害，對(duì)行車安全尤其是高速公路上的行車安全影響較大.目前常用的坑槽修補(bǔ)方法有兩種[1-3]：①熱補(bǔ)法，采用熱拌瀝青混合料進(jìn)行坑槽修補(bǔ)，熱料的來(lái)源有后場(chǎng)拌和、就地再生、加熱車加熱等；②冷補(bǔ)法[4-6]，主要通過(guò)冷補(bǔ)料對(duì)坑槽進(jìn)行修補(bǔ).但兩種方法都不同程度的存在缺陷，如熱補(bǔ)法采用后場(chǎng)拌合獲取熱料時(shí)，需要坑槽修補(bǔ)量達(dá)到一定規(guī)模才適用，往往導(dǎo)致坑槽修補(bǔ)不及時(shí)；就地?zé)嵩偕m然解決了修補(bǔ)及時(shí)性問(wèn)題，但存在再生過(guò)程路面的加熱時(shí)間長(zhǎng)，再生混合料性能不穩(wěn)定等問(wèn)題；加熱車方式能夠解決修補(bǔ)及時(shí)性問(wèn)題，但存在微波加熱效率低、明火加熱使瀝青混合料老化等問(wèn)題.冷補(bǔ)法雖然有較好及時(shí)性，但由于冷補(bǔ)料的路用性能相對(duì)較差，一般只用于應(yīng)急處理.

為解決目前坑槽修補(bǔ)中存在的問(wèn)題，本文提出利用微波敏感型瀝青再生劑[7]配合LWX-300Ⅱ型瀝青混合料微波加熱車進(jìn)行坑槽修補(bǔ)的方法，并對(duì)微波敏感型瀝青再生劑加入前后混合料的性能、加熱效率，以及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對(duì)比分析.

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

再生混合料由30%坑槽切割后收集的未污染舊料和70%預(yù)先拌和的熱拌瀝青混合料放涼后的新料組成，舊料、新料級(jí)配均為AC-13，原級(jí)配和合成級(jí)配見表1.

表1 不同瀝青混合料的級(jí)配

再生中采用的微波敏感型瀝青再生劑(以下簡(jiǎn)稱YG-1)是一種乳液型瀝青再生劑，該再生劑是由瀝青再生成分、水、微波敏感材料、乳化劑等材復(fù)配成的乳液.在微波作用下，能夠快速滲透到瀝青混合料內(nèi)部使其中的再生成分與老化瀝青融合，同時(shí)加快混合料的升溫速率.

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用LWX-300Ⅱ型瀝青混合料微波加熱車，該設(shè)備輸入功率為20 kW，料倉(cāng)一次可加熱約600 kg瀝青混合料.

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)內(nèi)容主要分為兩項(xiàng)：①利用微波加熱車對(duì)再生混合料進(jìn)行加熱，研究加入YG-1前后再生混合料的溫度變化規(guī)律，并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行分析；②對(duì)比加入YG-1前后再生的混合料的高溫、低溫、抗水損害等性能，對(duì)YG-1再生混合料的性能進(jìn)行驗(yàn)證.

2 微波敏感型瀝青再生劑對(duì)再生混合料溫度的影響

2.1 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)步驟如下.

步驟1將30%坑槽切割后收集的未污染舊料和70%預(yù)先拌和的熱拌瀝青混合料放涼后的新料放入LWX-300Ⅱ型瀝青混合料微波加熱車料倉(cāng)，使料倉(cāng)內(nèi)瀝青混合料的質(zhì)量為400 kg.

步驟2將微波敏感型瀝青再生劑均勻添加到料倉(cāng)內(nèi)的混合料，YG-1的用量為瀝青用量的8%，用量確定方法參考文獻(xiàn)[8-9]，開動(dòng)料倉(cāng)內(nèi)的雙螺桿進(jìn)行冷料預(yù)拌.對(duì)為添加YG-1的再生混合料在相同條件下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn).

步驟3開機(jī)對(duì)混合料進(jìn)行微波加熱，通過(guò)LWX-300Ⅱ型瀝青混合料微波加熱車的溫度顯示裝置，對(duì)不同時(shí)間混合料的料溫進(jìn)行記錄，觀察再生混合料的升溫規(guī)律.

步驟4當(dāng)料溫達(dá)到150 ℃時(shí)，通過(guò)料倉(cāng)內(nèi)的螺旋輸送器出料，由測(cè)溫槍對(duì)出料后的溫度每隔1 min測(cè)量一次，觀察再生混合料14 min內(nèi)的降溫規(guī)律.

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)對(duì)添加YG-1前后混合料的溫度隨時(shí)間變化規(guī)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖1.

由試驗(yàn)結(jié)果可知，添加YG-1后混合料由常溫25 ℃加熱到150 ℃所需的時(shí)間由原來(lái)的30 min縮短到14 min，加熱時(shí)間縮短一半以上；添加YG-1后混合料升溫規(guī)律出現(xiàn)明顯不同，未添加YG-1的混合料溫度隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)線性增加，回歸后滿足式(1)，R2=0.996 4.

圖1 添加YG-1前后再生料溫度隨時(shí)間升高規(guī)律

(1)

添加YG-1后混合料的升溫規(guī)律接近拋物線，回歸后滿足式(2)，R2=0.983 9.隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，混合料升溫速率逐漸降低，但整體升溫速率高于未添加YG-1混合料的升溫速率.

θ=31.23+15.36t-0.50t2

(2)

式中：θ為混合料溫度，℃；t為混合料加熱時(shí)間，min.

分析原因，產(chǎn)生升溫速率提高的原因有兩點(diǎn).首先是由于微波敏感型瀝青再生劑中含有微波敏感型材料，該材料相較普通瀝青混合料對(duì)微波敏感度高，具有極強(qiáng)的微波吸收能力，吸收微波后快速升溫，并通過(guò)熱傳遞加熱瀝青混合料，在一定程度上提高了混合料的升溫速率.另外一個(gè)原因是由于YG-1為乳液型再生劑，再生劑中含有一定量的水，水為典型的非極性分子，對(duì)微波也較為敏感，在微波的作用下同樣能夠?qū)崿F(xiàn)溫度快速升高.水在溫度達(dá)到一定值后汽化，在遇到溫度相對(duì)較低的瀝青混合料時(shí)，冷凝放出熱量，再混合料溫度較低時(shí)次過(guò)程不斷反復(fù)，在一定程度上增加了混合料的升溫速率和熱傳導(dǎo)速度.

隨著混合料的溫度升高，微波敏感型材料和水的熱傳遞作用慢慢減弱，因此,出現(xiàn)了混合料的升溫速率降低的現(xiàn)象.隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，水分逐漸散失，混合料的進(jìn)一步升溫主要由微波加熱石料實(shí)現(xiàn)，但由于混合料中仍有微波敏感型材料存在，添加YG-1后的混合料升溫速率始終高于未添加YG-1的混合料.

本文對(duì)添加YG-1再生后的混合料降溫特性進(jìn)行了研究，并與未添加YG-1再生后的混合料進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見圖2.

由試驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)14 min的降溫后，添加YG-1再生的混合料溫度明顯低于未添加的混合料，溫度由150 ℃降低到93 ℃，而未添加YG-1混合料的溫度由150 ℃降低到122 ℃，二者降低溫度相差接近30 ℃；添加YG-1和未加YG-1混合料的降溫規(guī)律均接近拋物線，前期降溫速率快，后期降溫速率逐漸降低，但添加YG-1的混合料溫度降低速率明顯高于未添加YG-1混合料的速率.

圖2 添加YG-1前后再生料溫度隨時(shí)間降低規(guī)律

分析原因，是由于YG-1添加前后混合料的發(fā)熱機(jī)理不同，如前所述，添加YG-1的混合料發(fā)熱是由YG-1中微波敏感材料升溫后熱傳導(dǎo)，水升溫汽化、冷凝放熱，以及微波加熱石料三部分組成的，而由未添加YG-1混合料的溫度升高主要只是由微波加熱石料所致.微波敏感材料升溫，水冷凝放熱兩種作用都發(fā)生在作用集料表面，加熱方式是通過(guò)集料表面由外及里進(jìn)行的，因此集料的外部溫度高于集料內(nèi)部溫度，而微波加熱石料的方式與上述兩種方式不同，由于微波極強(qiáng)的穿透性，微波對(duì)集料進(jìn)行整體加熱，而且由于集料表面與外界接觸，最終導(dǎo)致了集料表面的溫度要略低于集料內(nèi)部的溫度，與添加YG-1后混合料的溫度分布情況恰好相反.在集料堆放期間測(cè)量降溫速率，添加YG-1的再生混合料分布在集料表面的溫度與外界接觸時(shí)更容易散失，同時(shí)由于石料內(nèi)部溫度低于石料表面溫度，部分熱量繼續(xù)向石料內(nèi)部進(jìn)行傳遞，石料的溫度逐步達(dá)到平衡，最終導(dǎo)致了添加YG-1混合料的降溫速率高于未添加的混合料.相反，由于未添加YG-1混合料集料溫度內(nèi)高外低，在表面溫度降低后，集料內(nèi)部溫度向外擴(kuò)散，使降低的溫度得到一定的補(bǔ)償，最終表現(xiàn)出降溫速率慢的試驗(yàn)現(xiàn)象.從能量守恒角度同樣能夠得出相同的結(jié)論.不考慮微波泄露等問(wèn)題，假設(shè)在整個(gè)混合料加熱過(guò)程中微波發(fā)射的能量全部被倉(cāng)內(nèi)的混合料吸收，可知未添加YG-1的瀝青混合料的能量是添加YG-1混合料能量的將近2倍，在集料表面溫度相同的情況下，最合理的解釋是YG-1改變了集料熱量的分布，及添加YG-1后微波能量吸收主要停留在集料的表面，而未添加YG-1的集料，能量在集料內(nèi)部分布相對(duì)均勻，集料內(nèi)部溫度達(dá)到甚至超過(guò)集料表面的溫度.

通過(guò)分析可知，YG-1所起的作用是改變集料溫度場(chǎng)的分布，對(duì)工程實(shí)踐來(lái)講是有益的.YG-1加入可以快速提高集料表面的溫度，進(jìn)而提高瀝青的溫度使其滿足碾壓成型的要求，在提高效率的同時(shí)降低了能耗；另一方面，YG-1的快速降溫有利于開放交通，在坑槽修補(bǔ)后短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)開放交通，避免造成交通堵塞和交通事故.

3 再生混合料的性能測(cè)試

混合料的性能是混合料應(yīng)用的關(guān)鍵，本節(jié)對(duì)YG-1再生混合料進(jìn)行測(cè)試，并與未添加YG-1的再生混合料性能進(jìn)行對(duì)比.

試驗(yàn)采用LWX-300Ⅱ型瀝青混合料微波加熱車，分別對(duì)添加YG-1和未添加YG-1的混合料進(jìn)行加熱，用保溫料桶取樣后進(jìn)行馬歇爾試件和車轍板試件的成型，對(duì)兩組再生料的空隙率、動(dòng)穩(wěn)定度、凍融劈裂、低溫彎曲進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試的方法采用文獻(xiàn)[10]中相應(yīng)的方法，試件成型溫度為150 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 再生瀝青混合料性能

YG-1YG-1/%4.58.73～6 /(·mm-1)1 5631 609≥1 000 /%85.472.4≥75 /×10-62 7411 964≥2 600

注：最大理論密度采用抽真空法進(jìn)行測(cè)定.

由試驗(yàn)結(jié)果可知，添加YG-1后的再生混合料性能均滿足現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范的要求，除動(dòng)穩(wěn)定度外，其他三項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于未添加YG-1再生料.未添加YG-1的再生混合料除動(dòng)穩(wěn)定度滿足規(guī)范要求外，其他三項(xiàng)均不滿足規(guī)范要求值.由此可知，YG-1能夠起到很好的混合料再生作用，在其他條件不變的情況下，添加YG-1能夠使再生混合料的性能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，相比未添加YG-1的再生料，性能得到了提升[11-13].

分析產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因，除了YG-1的再生作用外，微波的加速融合作用和水在混合料成型時(shí)起到的降黏作用也是提升混合料性能的重要因素.所謂微波的加速融合是指在添加YG-1的混合料加熱時(shí)，YG-1中微波敏感材料可以快速吸收微波釋放熱量，使原來(lái)舊料表面的瀝青迅速軟化，與YG-1中的再生組分充分融合，更好的實(shí)現(xiàn)舊料表面瀝青的再生；YG-1中水的存在能夠在高溫時(shí)使瀝青發(fā)泡，起到降低瀝青黏度的作用，更有利于混合料的成型.

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

坑槽修補(bǔ)費(fèi)用計(jì)算主要由以下幾方面構(gòu)成：①燃油(發(fā)電機(jī)燃油、汽車燃油),7元/L；②人工,200元/d；③YG-1,10元/kg；④坑槽修補(bǔ)單價(jià),30元/(cm·m2)；⑤設(shè)備折舊,600元/d；⑥過(guò)路費(fèi),300元/d;⑦每日燃油消耗,100 L；⑧工人數(shù)量,5人.

計(jì)算假設(shè)工作量飽滿，添加YG-1的情況下可完成60 m2平均厚度為5 cm的坑槽修補(bǔ)工作，則每工日盈利G1為6 114.8元/d.

修補(bǔ)每平米每厘米坑槽的成本F1為9.62元/(cm·m2).

計(jì)算中瀝青混合料假設(shè)瀝青混合料密度為2.5×103kg/m3；混合料中瀝青含量為4.6%；YG-1用量為瀝青量的8%.

未添加YG-1的情況，由于混合料的加熱效率低，如前所述，約為添加YG-1的一半，由此可得完成工作量為30 m2平均厚度為5cm的坑槽修補(bǔ)工作，則每工日盈利G2為1 900元/d.

修補(bǔ)每平米每厘米坑槽成本F2為17.33元/(cm·m2).

不難看出，由于YG-1能夠大幅提升坑槽修補(bǔ)的效率，由此產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值非?？捎^，添加YG-1后產(chǎn)生的日盈利約為原來(lái)不使用YG-1時(shí)的3倍，單位量修補(bǔ)成本降低近一半.

5 結(jié) 論

1) 添加YG-1后，微波加熱混合料的升溫速率發(fā)生了明顯的變化，混合料由25 ℃上升到150 ℃所需的時(shí)間由30 min減少到14 min，加熱效率提高了1倍.

2) 添加YG-1再生后的混合料溫度降低規(guī)律同樣發(fā)生了明顯的變化，添加YG-1的再生混合料降溫速率明顯大于未添加的混合料，經(jīng)過(guò)降溫14 min后，兩種混合料溫差將近30 ℃，分析原因是由于YG-1改變了集料內(nèi)部的溫度場(chǎng)的分布.

3) YG-1除能夠?qū)崿F(xiàn)混合料的再生外，由于其在微波作用下能起到“加速融合”和“降黏”的作用，使得再生混合料性能得到提升，滿足坑槽修補(bǔ)所需混合料的要求.

4) 假設(shè)工程量飽滿的情況下，利用YG-1產(chǎn)生的日盈利約為原來(lái)的3倍，單位修補(bǔ)成本降低近一半.