(華南理工大學土木與交通學院, 廣東廣州510640)

0 前言

在瀝青路面就地熱再生技術中，施工效果不僅跟新舊瀝青混合料配合比設計有關，同時施工過程中對瀝青路面的加熱工藝也是關系施工質(zhì)量的重要因素[1-5]。在施工過程中通過加熱使舊路面達到合適的溫度范圍內(nèi)，若溫度過高，則加劇RAP料中瀝青的老化，影響再生瀝青混合料的路用性能；若溫度過低，則會造成RAP料中舊瀝青流動性差，無法與施工過程中加入的新瀝青進行有效融合，新舊瀝青混合料無法形成一個充分混溶，性能均勻的整體[6-10]。我國現(xiàn)行規(guī)范中對就地熱再生加熱工藝及質(zhì)量控制已經(jīng)做出一些規(guī)定，但并不完善，施工過程中對于路面的加熱仍存在影響因素復雜，控制難度大的問題，嚴重影響就地熱再生施工質(zhì)量，為此國內(nèi)外道路工作者展開了大量的研究工作[11-13]。顧海榮等[14]采用Energy2D軟件對不同加熱功率下瀝青路面溫度隨時間變化的過程進行分析，得出了瀝青路面的理想加熱功率曲線。張德育等[15]借助有限元軟件ABAQUS對加熱溫度場進行數(shù)值模擬，分析了加熱方式、環(huán)境因素、加熱機的操作參數(shù)及加熱功率對瀝青路面加熱溫度場的影響程度,提出了卡羅泰康就地熱再生機組的理想加熱方式。郭小宏等[16]假定瀝青路面的加熱過程為一維穩(wěn)態(tài)導熱模型，分析瀝青路面內(nèi)部溫度與加熱時間的關系，得出瀝青路面內(nèi)部各點的溫度值與路面總吸熱量的計算方法。然而，上述研究工作大部分都是通過軟件模擬實驗進行研究，在采用室內(nèi)實驗進行研究時所采用的設備并不能很好地貼近施工現(xiàn)場實際情況。

為此，本文設計了一套室內(nèi)實驗方法研究油石比、加熱源溫度、加熱源高度及風速等因素對瀝青路面加熱效果的影響。

1 室內(nèi)加熱實驗方法

1.1 實驗設備

實驗設備包括室內(nèi)加熱裝置、溫度探測器、試驗板、鉆孔機、風扇、鉗子等。

加熱試驗裝置如圖1所示，由溫控箱和加熱板兩部分組成，溫控箱用于調(diào)節(jié)加熱板溫度，最高溫度為1 000 ℃，加熱板中的發(fā)熱體為紅外線陶瓷發(fā)熱體，其加熱高度可通過4個腳架進行調(diào)節(jié)。

1.2 實驗過程

①以成型車轍板的方式制作試驗板，試驗板厚度5 cm，通過鉆孔機在板底鉆孔，孔的直徑為2 cm，孔的位置及孔深如圖2所示。

②將溫度探測器中的溫度探頭插入試驗板的孔中，將孔塞緊，然后將溫度探頭連接到溫度探測器上，如圖3所示。

③利用室內(nèi)加熱裝置模擬瀝青路面就地熱再生施工中的加熱機，用試驗板模擬瀝青路面，室內(nèi)加熱裝置對試驗板進行加熱60 min，后散熱60 min，通過溫度探測器記錄試驗板中不同位置溫度的變化。

④通過改變油石比、加熱源溫度、加熱源高度、風速等因素，進行加熱實驗，并記錄溫度變化的數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖3 溫度探頭布置
Fig.3 Temperature probe arrangement

圖4 室內(nèi)加熱實驗
Fig.4 Indoor heating experiment

1.3 熱傳遞效率計算公式

試驗板吸收熱量計算公式如式(1)所示，加熱裝置產(chǎn)生的熱量計算公式如式(2)所示，熱轉(zhuǎn)化效率公式如式(3)所示。

(1)

式中，Q1為試驗板吸收的熱量，J；c為瀝青混合料比熱容，J/(kg· ℃)；m為瀝青混合料質(zhì)量，kg；ΔT為溫度差，℃；ρ為試驗板密度，kg/m3；S為加熱試驗板的面積，0.01 m2；at+b為根據(jù)實驗所測的4個深度的數(shù)據(jù)擬合的深度與溫度的關系式，℃；T0為試驗板原始溫度，℃。

(2)

式中，Q2為加熱裝置產(chǎn)生的熱量，J；P為加熱裝置功率，w；t為加熱時間，s；T為設置的加熱溫度，℃；Tmax為加熱源最大溫度，1 000 ℃；P0為加熱裝置最大功率，1 000 W。

(3)

式中，η為熱傳遞效率， %。

1.4 試驗材料及試件的性能參數(shù)

本次實驗采用的試驗板集料級配類型為AC-13,級配曲線如圖5所示，瀝青采用70號普通瀝青。

圖5 試驗板合成級配曲線圖Fig.5 Synthetic gradation curve of the test plate

采用以上級配，分別采用4.5 %、5.0 %、5.5 %的油石比制作馬歇爾試件，測定空隙率，密度和比熱容等數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 馬歇爾試件檢測結果Tab.1 Marshall test results

2 各因素對加熱效果的影響

2.1 油石比對加熱效果的影響

選用1.4中的級配，分別采用4.5 %、5.0 %、5.5 %的油石比成型試驗板，按“1.2節(jié)”中的實驗過程進行加熱實驗，設置加熱源溫度800 ℃、加熱源高度10 cm，實驗結果如表2和圖6～圖8所示。

圖6 4.5 %油石比溫度變化圖
Fig.6 4.5 % oil-stone ratio temperaturechange diagram

圖7 5.0 %油石比溫度變化圖
Fig.7 5.0 % oil-stone ratio temperaturechange diagram

圖8 5.5 %油石比溫度變化圖Fig.8 5.5 % oil-stone ratio temperature change diagram

從表2和圖6～圖8中可以看出，在油石比不同的情況下，加熱和散熱的趨勢基本相同，越靠近表面，溫度上升和下降的幅度越大。為便于分析，將60 min時不同油石比試驗板各層溫度統(tǒng)計如表3所示。

表3 不同油石比60min溫度統(tǒng)計Tab.3 Temperature statistics of different oil-stone ratios of 60 mins

從表3可以看出，隨著油石比的增加，加熱板對試驗板的加熱效果變差。在油石比上升1 %的情況下，深度1 cm的瀝青混合料溫度下降10.5 ℃，深度4 cm的瀝青混合料溫度下降8.1 ℃。隨著油石比的上升，瀝青混合料的孔隙率下降，比熱容大的瀝青取代了比熱容小的空氣。在瀝青混合料體積和加熱功率不變的情況下，油石比低的瀝青混合料溫度上升更快。

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，計算不同油石比試驗板的熱轉(zhuǎn)化效率，如表4所示，從表中可以看出熱轉(zhuǎn)化效率隨著油石比的增加而降低。

表4 不同油石比試驗板熱轉(zhuǎn)化效率表Tab.4 Table of thermal conversion efficiency of different oil-stone ratio test plates

2.2 加熱源溫度對加熱效果的影響

選用1.3中的級配，采用4.5 %的油石比成型3塊試驗板，設置加熱源高度10 cm，調(diào)整加熱源溫度為600 ℃、800 ℃、1 000 ℃，按1.2中的實驗過程進行加熱實驗，實驗結果如表5和圖9～圖11所示。

表5 不同加熱源溫度試驗板加熱溫度數(shù)據(jù)Tab.5 Heating temperature data of different heating source temperature test plates

圖9 加熱源溫度600 ℃溫度變化圖
Fig.9 Temperature change diagram ofheating source temperature 600 ℃

圖10 加熱源溫度800 ℃溫度變化圖
Fig.10 Temperature change diagram ofheating source temperature 800 ℃

圖11 加熱源溫度1 000 ℃溫度變化圖Fig.11 Temperature change diagram of heating source temperature 1 000 ℃

從表5和圖9～圖11可以看出，在加熱源溫度變化的情況下，瀝青混合料升溫與降溫的趨勢基本相似，加熱源溫度越高，瀝青混合料的加熱效果越好，將60 min時不同加熱源溫度試驗板各層溫度統(tǒng)計如表6，計算不同加熱源溫度試驗板的熱轉(zhuǎn)化效率，如表7所示。

表6 不同加熱源溫度60 min溫度統(tǒng)計Tab.6 Temperature statistics of different heating source temperatures for 60 mins

表7 不同加熱源溫度試驗板熱轉(zhuǎn)化效率表Tab.7 Thermal conversion efficiency table of different heating source temperature test plates

從表6和表7可以看出，加熱源溫度對試驗板加熱效果的影響顯著，加熱源溫度從600 ℃提升到1 000 ℃，距離表面1 cm深度溫度提高139.5 ℃，提升幅度達到101.2 %，距離表面4 cm處溫度提高75.4 ℃，提高幅度達76.5 %。熱轉(zhuǎn)化效率隨著加熱源溫度的升高而提高。

2.3 加熱源高度對加熱效果的影響

選用1.3中的級配，采用4.5 %的油石比成型3塊試驗板，設置加熱源溫度為800 ℃，調(diào)整加熱源高度為5 cm、10 cm、15 cm，按“1.2節(jié)”中的實驗過程進行加熱實驗，實驗結果如表8和圖12～圖14所示。

表8 不同加熱源高度試驗板加熱溫度數(shù)據(jù)Tab.8 Heating temperature data of different heating source height test plates

圖12 加熱源高度5 cm溫度變化圖
Fig.12 Temperature change diagram ofheating source height 5 cm

圖13 加熱源高度10 cm溫度變化圖
Fig.13 Temperature change diagram ofheating source height 10 cm

圖14 加熱源高度15 cm溫度變化圖Fig.14 Temperature change diagram of heating source height 15 cm

從表8和圖12～圖14可以看出，在加熱源高度變化的情況下，瀝青混合料升溫與降溫的趨勢基本相似，加熱源高度越高，瀝青混合料的加熱效果越差，將60 min時不同加熱源高度試驗板各層溫度統(tǒng)計如表9所示。

表9 不同加熱源高度60 min溫度統(tǒng)計Tab.9 Temperature statistics of different heating source heights of 60 minutes

從表9可以看出，加熱源高度對加熱效果的影響顯著，加熱源高度從5 cm提高到15 cm，距離表面1 cm深度溫度降低244.7 ℃，降低幅度達到69.6 %，距離表面4 cm處溫度降低114.2 ℃，降低幅度為53.7 %。在加熱源高度5 cm的條件下，加熱時間60 min時，距離試驗板表面1 cm深度的溫度為351 ℃，此時瀝青已經(jīng)嚴重老化，故不進行熱轉(zhuǎn)化效率的計算。熱轉(zhuǎn)化效率的計算如表10所示，從表中可以看出，熱轉(zhuǎn)化效率隨著加熱源高度的提高而降低。

表10 不同加熱源高度試驗板熱轉(zhuǎn)化效率表Tab.10 Table of Thermal Conversion Efficiency of Different Heating Source Height Test Plates

圖15 不同風速下的加熱實驗Fig.15 Heating experiment at different wind speeds

2.4 風速對加熱效果的影響

選用1.3中的級配，采用4.5 %的油石比成型3塊車轍板，進行加熱實驗時在旁邊放置一臺小風扇，如圖15，通過調(diào)節(jié)風扇的風速，來研究風速對加熱效果的影響。設置加熱源高度10 cm，加熱源溫度800 ℃，按1.2中的實驗過程進行加熱實驗，實驗結果如表11和圖16～圖18所示，當風扇分別處于1檔、2檔狀態(tài)下，風速分別為1.39 m/s和2.78 m/s。

表11 不同風速試驗板加熱溫度數(shù)據(jù)Tab.11 Heating temperature data of different wind speed test panels

圖16 無風時溫度變化圖
Fig.16 Temperature change diagram without wind

圖17 風速1.39 m/s溫度變化圖
Fig.17 Wind speed 1.39 m/s temperature change chart

圖18 風速2.78 m/s溫度變化圖Fig.18 Wind speed 2.78 m/s temperature change chart

從表11和圖16～圖18可以看出，在風速變化的情況下，瀝青混合料升溫與降溫的趨勢基本相似，風扇風速越高，瀝青混合料的加熱效果越差，同時越接近表面，瀝青混合料的散熱速度也越快，原因為風帶走了熱量，影響了加熱板將熱量向下傳遞。將60 min時不同風速試驗板各層溫度統(tǒng)計如表12，計算不同風速試驗板的熱轉(zhuǎn)化效率，如表13所示。

表12 不同風速60 min溫度統(tǒng)計Tab 12 Temperature statistics of different wind speeds for 60 minutes

表13 不同風速試驗板熱轉(zhuǎn)化效率表Tab.13 Table of thermal conversion efficiency of different wind speed test panels

從表12和表13可以看出，風速對加熱效果的影響顯著，風速從1.39 m/s提高到2.78 m/s，距離表面1 cm深度溫度降低244.7 ℃，降低幅度達到69.6 %，距離表面4 cm處溫度降低114.2 ℃，降低幅度為53.7 %。熱轉(zhuǎn)化效率隨著風速的提高而降低。

3 施工碾壓時間控制

根據(jù)廣東省標準《瀝青路面就地熱再生技術規(guī)程》DBJ/T 15—127—2017的要求[17]，就地熱再生施工過程中，再生混合料攤鋪溫度要大于或等于120 ℃，碾壓終了溫度要大于或等于70 ℃，假設施工中處于最不利條件，再生混合料攤鋪溫度為120 ℃，碾壓終了溫度為70 ℃，統(tǒng)計室內(nèi)實驗中試驗板散熱過程中，溫度從120 ℃降到70 ℃的時間，如表14所示，對于部分加熱溫度未達到120 ℃的類型則不進行統(tǒng)計。

表14 試驗板降溫時間統(tǒng)計Tab.14 Statistics of cooling time of test plates

從表14可以看出在實驗室理想環(huán)境下，試驗板從120 ℃降到70 ℃的最低時間為31 min，在實際施工過程中，從再生混合料攤鋪到路面碾壓完成所需時間是小于31 min的。對于風速1.39 m/s和風速2.78 m/s的情況下，試驗板從120 ℃降到70 ℃的時間為14 min和10 min，可見風速對路面降溫速度的影響很大，而在室外環(huán)境中，2.78 m/s的風速是很常見的，因此，為保證施工質(zhì)量，應加快施工速度，盡量縮短再生混合料攤鋪到路面碾壓完成的時間。

4 結論

本文通過設計一套室內(nèi)加熱實驗方法，研究就地熱再生施工過程中不同因素對瀝青路面加熱效果的影響，得出以下結論：

①隨著油石比上升，加熱板對試驗板加熱效果變差，原因是比熱容大的瀝青取代比熱容小的空氣，在瀝青混合料體積和加熱功率不變的情況下，油石比低的瀝青混合料溫度上升更快。

②在其他條件不變的情況下，隨著加熱源溫度的升高，加熱板對試驗板的加熱效果越好，熱轉(zhuǎn)化效率越高。

③在其他條件不變的情況下，隨著加熱源高度的升高，加熱板對試驗板的加熱效果越差，熱轉(zhuǎn)化效率越低。

④在其他條件不變的情況下，隨著風速的升高，加熱板對試驗板的加熱效果越差，熱轉(zhuǎn)化效率越低。原因是風帶走了加熱板產(chǎn)生的熱量。

⑤施工過程中風對路面的散熱速度影響巨大，因此為保證施工質(zhì)量，應加快施工的速度。