李 旋 馬登成 劉曉輝 朱文鋒

(長安大學(xué)公路養(yǎng)護裝備國家工程實驗室, 西安 710064)

瀝青路面就地?zé)嵩偕膬?yōu)勢是顯著減少瀝青、礦石等原材料的用量,降低路面養(yǎng)護成本,減緩對環(huán)境的破壞,但效率和質(zhì)量難以保證[1].對舊瀝青路面進行加熱是瀝青路面就地?zé)嵩偕幸坏辣夭豢缮俚墓に?路面的加熱質(zhì)量和效率與瀝青路面就地?zé)嵩偕┕べ|(zhì)量和效率密切相關(guān).路面的加熱過程包含復(fù)雜的瀝青老化行為與傳熱學(xué)問題,目前瀝青路面的加熱質(zhì)量和加熱效率低等問題在國內(nèi)外都未得到很好的解決[2].合理的路面加熱方法對于減少瀝青路面老化、提升路面加熱速度,從而提高瀝青路面就地?zé)嵩偕B(yǎng)護質(zhì)量和養(yǎng)護效率、降低養(yǎng)護成本、減少環(huán)境污染具有重要的意義[3-4].

針對瀝青路面的加熱已經(jīng)做了大量的研究.如Sun[5]將瀝青路面簡化成多孔介質(zhì),建立了瀝青路面電磁擴散傳熱模型,對微波加熱瀝青路面進行了深入研究；Huang等[6]基于離散元法對瀝青路面就地?zé)嵩偕^程中的加熱效果進行了研究,分析了間歇式加熱和持續(xù)式加熱對路面加熱效果的影響；Kang等[7]基于有限元法對紅外加熱瀝青路面的加熱效果進行了研究,得出了不同加熱溫度下瀝青路面的溫度分布情況；董強柱等[8]研究了路面加熱時熱能的輸入與瀝青路面溫度變化之間的關(guān)系.目前瀝青路面常用的加熱方法有紅外加熱法、熱風(fēng)循環(huán)加熱法和微波加熱法3種,它們各有優(yōu)缺點,而已有研究大都針對某一種加熱方法開展.為此,本文結(jié)合紅外輻射加熱法和熱風(fēng)加熱法的優(yōu)點,提出紅外熱風(fēng)復(fù)合式加熱法,并基于有限元和傳熱學(xué)相關(guān)理論對不同加熱方法下瀝青路面的加熱過程進行數(shù)值模擬研究,旨在尋求更合理的路面加熱方法,提高紅外輻射和熱風(fēng)加熱在路面熱再生中的應(yīng)用效果.

1 瀝青路面紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱模型

1.1 瀝青路面結(jié)構(gòu)與加熱原理

以典型的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)為研究對象,其各層結(jié)構(gòu)如表1所示[9].常規(guī)的熱風(fēng)加熱瀝青路面的傳熱機理是：高溫?zé)煔馀c瀝青路表面進行對流換熱,將熱量傳遞給瀝青路表面,路表的熱量通過熱傳導(dǎo)向路面內(nèi)部傳遞,使路面溫度不斷升高.然而瀝青路面是熱的不良導(dǎo)體,熱量從表層傳遞到深層是一個緩慢的過程,單純依靠瀝青路面自身的熱傳導(dǎo)對瀝青路面深層進行加熱需耗費大量的時間,若能將熱風(fēng)引入瀝青路面內(nèi)部對其進行加熱,將大幅提高加熱效率.要將熱風(fēng)引入路面內(nèi)部,首先需將瀝青路表層加熱軟化后再將熱風(fēng)導(dǎo)管插入路面.紅外加熱具有加熱速度快的特點,因此首先采用紅外加熱板對瀝青路面進行加熱.基于上述分析,楊士敏[10]發(fā)明了一種新型的舊瀝青路面耙松加熱設(shè)備,該設(shè)備結(jié)合了紅外輻射加熱和熱風(fēng)加熱2種加熱方式的優(yōu)點,其加熱原理為：首先利用紅外加熱法對路面進行預(yù)熱,當(dāng)瀝青路面表層受熱軟化后將耙齒(耙齒中間采用空心設(shè)計)壓入路面內(nèi)部,高溫?zé)煔馔ㄟ^空心耙齒端部排出,對瀝青路面深層進行二次加熱.

表1 半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)

1.2 有限元模型與參數(shù)設(shè)置

由于路面加熱溫度場在加熱裝置的長度和寬度方向上具有對稱性,采用平面溫度場模型模擬瀝青路面的加熱過程.結(jié)合文獻[9]中所建立的瀝青路面紅外輻射和熱風(fēng)加熱模型及瀝青路面紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱原理,建立瀝青路面紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱分析模型(見圖1).模型的水平寬度為1 m,模型中的凹槽是耙齒伸入的位置,耙齒直徑為4 cm,耙齒間距為4 cm,伸入深度為3 cm.

圖1 瀝青路面紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱有限元模型

鑒于瀝青材料層的比熱容和密度隨溫度變化不大,在數(shù)值模擬過程中將瀝青各結(jié)構(gòu)層的比熱容和密度視為常數(shù).表2為瀝青路面結(jié)構(gòu)層熱物參數(shù)[11-12].瀝青路面材料導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而增大,可利用分段線性函數(shù)法確定瀝青混凝土導(dǎo)熱系數(shù),表3為瀝青路面面層導(dǎo)熱系數(shù)[13].根據(jù)Solaimanian經(jīng)驗公式確定大氣與瀝青路表面之間的對流換熱系數(shù)為15 W/(m2·℃)[14].瀝青路面發(fā)射率ε1=0.9,紅外加熱墻發(fā)射率ε2=0.92,空間節(jié)點發(fā)射率ε3=1,Stefan-Boltzmann常數(shù)σ=5.67×10-8W/(m2·K4),空間節(jié)點溫度、環(huán)境溫度和瀝青路面初始溫度均為20 ℃.

表2 瀝青路面結(jié)構(gòu)層熱物參數(shù)

表3 瀝青路面面層導(dǎo)熱系數(shù)

2 邊界條件與數(shù)學(xué)模型

2.1 路面?zhèn)鳠徇吔鐥l件

利用有限元軟件ANSYS對瀝青路面的加熱過程進行數(shù)值模擬研究.采用紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱時瀝青路面與外界之間的傳熱包括：紅外加熱墻與路面的輻射傳熱；路面與大氣之間的輻射傳熱；太陽與路面的輻射傳熱；熱風(fēng)與路面的對流傳熱；路面與大氣的對流傳熱[15].在實際工程中,照射在被加熱路面的太陽光基本被加熱設(shè)備遮住,太陽輻射對瀝青路面加熱的影響很小,在模擬中忽略太陽輻射的影響,只考慮路面與外界環(huán)境的輻射,通過建立空間節(jié)點模擬路面與外界環(huán)境的輻射換熱,基于AUX12輻射矩陣分析求解瀝青路面的輻射傳熱.根據(jù)路面加熱的實際工況,在數(shù)值模擬中作如下假設(shè)：

1) 本文所研究的是舊瀝青路面的加熱,由于舊瀝青路面和新瀝青路面的熱物系數(shù)差別很小,仿真中關(guān)于瀝青路面的參數(shù)都依據(jù)新瀝青路面選取.

2) 所加熱的瀝青路面干燥無積水,天氣晴朗.

3) 瀝青路面是多層結(jié)構(gòu),忽略結(jié)構(gòu)層之間的接觸熱阻.

4) 將瀝青路面各層看作結(jié)構(gòu)均勻連續(xù)的各向同性體.

2.2 瀝青路面?zhèn)鳠釘?shù)學(xué)模型

根據(jù)瀝青路面加熱的實際工況可將瀝青路面各層看成是結(jié)構(gòu)均勻連續(xù)的各向同性體.將瀝青路面細化成微元六面體,其邊長分別為dx、dy、dz.由于微元體所處環(huán)境存在溫度差異,因此其6個表面均會發(fā)生導(dǎo)熱.瀝青路面體導(dǎo)熱微分方程為

(1)

式中,t為瀝青路面溫度,K；τ為熱傳導(dǎo)持續(xù)時間,s.

瀝青路面的加熱溫度場分布沿著加熱板的寬度方向和長度方向具有對稱性,可將瀝青路面立體溫度場模型簡化為平面溫度場模型.根據(jù)式(1),若只考慮x、z方向上的熱傳導(dǎo),則可得出瀝青路面平面熱傳導(dǎo)微分方程為[16-17]

(2)

對于紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱瀝青路面,由太陽輻射、空氣對流、紅外輻射、熱風(fēng)對流、路面輻射產(chǎn)生的熱交換可表示為

qTη=αsIs+αhIh+hc(Tg-Tr)-(hc+hr)(Tr-Ta)

(3)

式中,q為瀝青路面邊界熱流密度；η={nx，nz}T,nx、nz為法線的方向余弦；αs為太陽輻射吸收系數(shù)；Is為瀝青路面邊界太陽輻射強度,W/m2；αh為紅外輻射吸收系數(shù)；Ih為瀝青路面邊界紅外輻射強度,W/m2；hc為對流換熱系數(shù),W/(m2·K)；hr為輻射換熱系數(shù),W/(m2·K)；Tg為熱風(fēng)溫度,K；Tr為瀝青路面溫度,K；Ta為大氣溫度,K.

3 瀝青路面加熱數(shù)值模擬與分析

3.1 紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)文獻[9],為了保證瀝青路面的加熱質(zhì)量和加熱效率,首先宜采用間歇式紅外輻射加熱法對路面進行預(yù)熱,預(yù)熱總耗時236 s.其中,0～72、112～136、176～196 s為加熱時段,72～112、136～176、196～236 s為暫停加熱時段.紅外加熱板溫度為800 ℃,長度為1 m,距離瀝青路面高度為10 cm.紅外預(yù)熱結(jié)束后,將通有熱風(fēng)的耙齒壓入瀝青路面內(nèi)部對瀝青路面深層進行進一步加熱,熱風(fēng)溫度設(shè)定為500 ℃,流速為5 m/s.在此研究中路面加熱的要求為：在加熱過程中,瀝青路面4 cm深處溫度達到90 ℃時,路面0.5 cm深處的最高溫度不超過190 ℃.為了比較不同加熱方式下的加熱效率,在模擬過程中當(dāng)距離路表面4 cm深度的溫度達到90 ℃時,即停止加熱,并記錄加熱時間.

選取模型正中部位作為路面溫度觀測點,紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱過程中瀝青路面不同深度溫度變化如圖2(a)所示,圖中h為距離路表深度.由圖可見,利用紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱法將瀝青路面4 cm深處加熱至90 ℃時,整個加熱過程總耗時645 s,加熱過程中瀝青路面0.5 cm深處的最高溫度為188 ℃,未超過一般瀝青的老化溫度190 ℃,加熱質(zhì)量較好.

(a) 加熱過程中溫度

(b) 加熱結(jié)束后溫度

瀝青路面加熱深度也是評價瀝青路面加熱效果的重要指標.對加熱結(jié)束后的瀝青路面沿著豎直方向(由表層至深層)的溫度變化情況進行分析,得到瀝青路面溫度沿著豎直方向的深度變化曲線如圖2(b)所示,圖3為加熱結(jié)束后瀝青路面表層(瀝青磨耗層AK-16和瀝青混凝土層AC-20)的溫度云圖.

綜合圖2(b)和圖3可以得出,距離路表面為0～4 cm的瀝青路面層溫度分布在90.0～189.083 ℃之間,這些區(qū)域的路面均已達到軟化溫度,且均未超過老化溫度,距離路表面為5～6 cm的瀝青路面層溫度分布在51.2～69.8 ℃之間,適當(dāng)延長加熱時間這些區(qū)域也可達到軟化溫度.將耙齒伸入瀝青路面內(nèi)部對路面進行熱風(fēng)加熱的效果較明顯,距離路表面3～8 cm內(nèi),耙齒伸入處路面溫度均高于無耙齒處路面溫度.在耙齒伸入處距離路表面為5～6 cm的瀝青路面層溫度分布在56.5～79.0 ℃之間,紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱法的加熱深度接近5 cm.

圖3 紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱結(jié)束時瀝青路面AK-16和AC-20層溫度云圖

3.2 瀝青路面不同加熱方法加熱效果對比分析

為了對比研究不同路面加熱方式的加熱效果,分別對間歇式紅外輻射加熱和熱風(fēng)加熱路面的過程進行數(shù)值模擬研究.間歇式紅外輻射加熱工藝為：首次加熱→熄火停頓→二次加熱→熄火停頓→三次加熱→…→直至加熱終止,間歇式紅外輻射加熱時間如表4所示.熱風(fēng)加熱為連續(xù)加熱,熱風(fēng)溫度為500 ℃,熱風(fēng)流速為5 m/s.

表4 紅外輻射間歇式加熱時間 s

在模擬過程中當(dāng)距離路表面4 cm深度的溫度達到90 ℃時,即停止加熱,分別得到間歇式紅外輻射加熱與熱風(fēng)加熱過程中瀝青路面的溫度變化如圖4(a)和圖4(b)所示.由圖4(a)可知,采用間歇式紅外輻射加熱法加熱時,當(dāng)路面4 cm深處溫度達到90 ℃總耗時822 s,加熱過程中距瀝青路面0.5 cm深處的最高溫度為188.3 ℃.由圖4(b)可知,采用熱風(fēng)加熱法加熱時,當(dāng)路面4 cm深處溫度達到90 ℃總耗時1 139 s,加熱時間較長,加熱過程中距瀝青路面0.5 cm深處的最高溫度為187.3 ℃.結(jié)合圖2(a)、圖4(a)和圖4(b)可以得出,3種不同加熱方法在加熱過程中,距路面0.5 cm深處溫度非常接近,且均未超過一般瀝青老化溫度190 ℃,說明這3種加熱方法均保證了路面較好的加熱質(zhì)量.但在加熱效率方面,相同條件下采用紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱法時總加熱時間僅為645 s,分別比間歇式紅外輻射加熱法和熱風(fēng)加熱法縮短了21.5%和43.4%,紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱法加熱時間短的優(yōu)勢較為明顯.

為進一步研究3種加熱方法對瀝青路面加熱效果的影響,以瀝青路面磨耗層AK-16和瀝青混凝土層AC-20為研究對象,得到加熱結(jié)束后路面層的溫度分布情況如圖5(a)和圖5(b)所示.從圖5(a)中可以看出,間歇式紅外輻射加熱法加熱結(jié)束后路表面中間大部分區(qū)域溫度超過205 ℃,最高溫度達到228.037 ℃,說明路表面瀝青基本老化,其余區(qū)域的溫度均在190 ℃以下,整個路面層老化現(xiàn)象不嚴重,加熱質(zhì)量良好.由于紅外線的穿透深度有限,在深度方向上路面的溫度梯度較大,在保證路表瀝青不老化的前提下此方法的加熱深度有限.由圖5(b)可以得出,采用熱風(fēng)加熱法加熱結(jié)束后,瀝青路表面的最高溫度達到203.823 ℃,路表面高溫區(qū)域溫度介于183.569 ℃～203.823 ℃之間,路表老化現(xiàn)象較小,在深度方向上瀝青路面的溫度梯度較小,說明熱風(fēng)加熱方式比間歇式紅外輻射加熱方式加熱更為均勻,且路面更不易出現(xiàn)老化現(xiàn)象.將圖3、圖5(a)和圖5(b)進行對比分析可得,相比其他2種加熱方式,紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱法的加熱深度更深,加熱結(jié)束后瀝青路面的溫度分布均勻性更好,將熱風(fēng)引入路面內(nèi)部的加熱效果顯著.加熱結(jié)束后,在通過耙齒對路面進行翻松時,可繼續(xù)通過耙齒排出熱風(fēng)對翻松的混凝土進行進一步加熱,從而保證翻松后的瀝青混合料整體溫度較高,加熱質(zhì)量更好,因此瀝青路面就地再生質(zhì)量更好.

(a) 間歇式紅外輻射加熱

(b) 熱風(fēng)加熱

(a) 間歇式紅外輻射加熱

(b) 熱風(fēng)加熱

4 結(jié)論

1) 瀝青路面紅外輻射加熱法具有加熱速度快的優(yōu)點,路表面瀝青容易出現(xiàn)烤焦老化現(xiàn)象,由于紅外線穿透能力有限,在深度方向上路面的溫度梯度較大.

2) 瀝青路面熱風(fēng)加熱法比間歇式紅外輻射加熱法加熱更為均勻,且路面不易出現(xiàn)老化現(xiàn)象,但是采用熱風(fēng)加熱相同深度的瀝青路面耗時更長,這對施工速度影響較大.

3) 紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱法兼?zhèn)浼t外輻射加熱法和熱風(fēng)加熱法的優(yōu)點,在相同條件下采用紅外熱風(fēng)復(fù)合加熱法的總加熱時間僅為645 s,分別比間歇式紅外輻射加熱法和熱風(fēng)加熱法縮短了21.5%和43.4%,加熱效率提升顯著,而且加熱深度大,加熱結(jié)束后瀝青路面的溫度分布均勻性更好,表明將熱風(fēng)引入路面內(nèi)部的加熱效果顯著.加熱結(jié)束后,在進行翻松作業(yè)時,可對瀝青混凝土進行進一步加熱,能夠保證翻松后的瀝青混合料整體溫度較高,可保證再生瀝青混合料的質(zhì)量,從而大大提高瀝青路面就地?zé)嵩偕S修的質(zhì)量.