杜永剛

（甘肅省定西公路事業(yè)發(fā)展中心，甘肅定西743000）

瀝青路面成型技術是較早應用在公共道路建設領域的路面硬化成型技術,早期因為路基硬化技術并不成熟,導致瀝青路面并未廣泛推廣[1]。上世紀九十年代以后,因為鋼筋混凝土硬化道路基礎技術的逐漸普及,以及改性瀝青技術的出現(xiàn),使得瀝青路面的優(yōu)勢被發(fā)揮出來,成為高標準路面特別是高速公路、機場跑道等的重要路面硬化成型技術[2]。但是,瀝青路面仍有一定的先天不足,因為重載荷作用下瀝青的塑性表現(xiàn)和脆性表現(xiàn),導致路面的開裂、鼓包、風化等問題較早出現(xiàn),以致瀝青路面的后期維護工作量較大[3]。傳統(tǒng)的瀝青路面維護技術,需要對損傷的瀝青路面進行切割并剔除,并在剝離區(qū)域澆筑成型新的瀝青路面,從而實現(xiàn)對瀝青路面的修復[4]。但這種瀝青路面修復技術面臨著工期較長、建筑垃圾較多、施工環(huán)境污染難以克服、路面疤痕明顯、結合處易發(fā)生縮裂等現(xiàn)實問題,成為瀝青路面維護過程中難以克服的頑疾[5]。

而近年來,路面微波加熱技術被應用到瀝青路面中,該技術可以實現(xiàn)對原有路面瀝青設施的有效利用,且在程控成型技術的支持下,實現(xiàn)對路面的無創(chuàng)快速修復[6]。該過程無需切割路面,基本不產(chǎn)生建筑垃圾和環(huán)境污染,成型后養(yǎng)護時間較短,維修過程對交通功能的影響較弱[7]。

本文梳理使用路面微波加熱技術的通用流程,研究路面微波加熱技術修復路面過程的問題及對策,探討其施工管理標準化策略和技術提升策略。

1 路面微波加熱技術的原理及施工

1.1 路面微波加熱技術的原理

微波加熱技術的本質是利用微波加熱設備對路面之下8～12 cm區(qū)域進行充分加熱重融,使其自重自流狀態(tài)下對裂隙、鼓包、風化等故障瑕疵進行自修復,此時微波重融區(qū)域會有一定的沉降,對沉降后的路面表面使用乳化瀝青噴灑的方式進行填充,再經(jīng)過壓實、灑砂等流程,實現(xiàn)對路面的最終重塑。詳見圖1[8]。

圖1 傳統(tǒng)修復策略與微波加熱策略的工程特征對比圖Fig. 1 Comparison of engineering characteristics between traditional repair strategy and microwave heating strategy

圖1中,上圖為傳統(tǒng)模式下的瀝青路面修復技術。該技術使用切割機對損傷區(qū)域進行環(huán)切、破碎、剝離,再使用新瀝青材料對其進行填充、壓實、灑砂處理,以形成新的路面；下圖為基于微波加熱的瀝青路面修復技術,使用微波加熱設備對路面進行重融和自流沉降后,使用乳化瀝青對其下陷部分進行噴涂,隨后進行壓實、灑砂處理以形成新的路面?？梢钥吹?傳統(tǒng)模式下,難以避免形成路面環(huán)切的切割縫,因為新填充的瀝青材料與原有材料之間不可能保證完全的組方一致性,且其固化時間有區(qū)別,所以在后續(xù)使用過程中,難以避免出現(xiàn)切割縫因為熱脹系數(shù)不同而發(fā)生開裂,引起修復路面的快速二次損傷[9-10]。

1.2 路面微波加熱技術的施工步驟

在高速公路的不間斷運行需求條件下,如果使用路面微波加熱技術進行路面修復,則需要對修復期間的高速公路交通調度問題進行有效規(guī)劃,比如維修路面的限速和臨近路口的交通疏通等,并在施工區(qū)域設置顯著標識并布置臨時限速設施。這一過程與傳統(tǒng)修復模式基本一致。而因為路面微波加熱技術的維修工期更短,此過程的壓力也更小。修復完成后,應撤出現(xiàn)場人員設備、拆除圍擋及臨時限速和臨時交通管制標志物,并將路面標線等設施恢復到之前狀態(tài)。詳見圖2。

圖2 路面微波加熱技術的工程接續(xù)流圖Fig. 2 Engineering connection diagram of pavement microwave heating technology

圖2中,除交通規(guī)劃和設備人員調度的相關步驟（步驟1、2、3、9、10）外,其主要施工步驟包括以下5項：

（1）路面加熱重融。

當前已經(jīng)投入工程應用的路面加熱重融設備,通過磁控管、天線、波導、諧振腔等實現(xiàn)對微波能量的有效控制,并聯(lián)合使用電磁屏蔽罩等設施防止微波外泄對周邊人員帶來傷害。路面重融后,必要時要添加活性劑、穩(wěn)定劑、塑化劑等添加劑對重融瀝青進行改性以提升其重融質量。當前的路面微波加熱設備,一般工況下加熱深度可達12～15 cm,有效加熱深度可達8～12 cm,因為大部分瀝青路面鋪設時,單層瀝青的鋪設厚度為8～12 cm,所以對單層瀝青路面可以實現(xiàn)有效重融,但如果在高標準路面條件下,比如實現(xiàn)瀝青多層鋪設以達到16～24 cm的初期瀝青鋪設厚度時,則需要利用重融瀝青的滲透效應對下層裂縫進行充填,必要時應對瀝青路面進行預破碎以增加充填效應。

（2）乳化瀝青噴涂。

專用乳化瀝青噴涂車可以將高溫乳化瀝青混合上述活性劑、穩(wěn)定劑、塑化劑等形成乳化瀝青涂料,使用氣壓原理將乳化瀝青在經(jīng)過重融的瀝青的沉降區(qū)基礎上進行噴涂。因為高溫瀝青對原有瀝青也有一定的二次加熱效果,并實現(xiàn)一定程度的混合,所以高溫乳化瀝青也可以對瀝青重融過程帶來施工質量影響。有效控制乳化瀝青噴涂過程,可以充分提升微波加熱瀝青路面修復過程的工程質量。

（3）灑砂。

在經(jīng)過噴涂的瀝青表面均勻鋪灑一定的細沙,可以增加瀝青路面的摩擦力,部分新型養(yǎng)護車可以在噴涂瀝青的過程完成灑砂。而灑砂過程在傳統(tǒng)瀝青路面修復技術中也有應用。

（4）壓實。

選擇一定的壓實工藝,如震動強度、壓路機工況等,對處理后的路面進行壓實處理。該過程在傳統(tǒng)瀝青路面修復技術中也有應用,但在微波加熱瀝青路面的修復過程中,其壓實工藝的選擇策略有更新要求。

（5）養(yǎng)護。

壓實后的路面,經(jīng)過一定時期的養(yǎng)護,確保瀝青已經(jīng)充分固化,即可完成修復工作,該過程在傳統(tǒng)瀝青路面修復工藝中也有應用,且在微波加熱瀝青路面的修復工藝中并無更新。

2 微波路面加熱技術的缺陷及對策

微波路面加熱技術雖然較傳統(tǒng)模式有一定優(yōu)勢,但其本身因為屬于新技術,也存在一些需要面對的現(xiàn)實問題,主要表現(xiàn)在以下三個方面。

2.1 路面瀝青過加熱

因為瀝青屬于不完全玻璃質有機質,其在被加熱的過程中,必然發(fā)生有機質的熱分解變性過程,如果加熱不徹底,那么瀝青的流動性達不到修復要求,而如果過度加熱,則必然因為有機質發(fā)生過度分裂變性過程而導致瀝青的綜合性能下降。其熱變性特征如圖3所示。

圖3 瀝青加熱過程中的有機質變性析出情況Fig. 3 Precipitation of organic matter variability during asphalt heating

圖3中,瀝青的加熱分解變性過程同時與加熱溫度和加熱時間有關,因為溫度對其分解變性過程的影響,主要在于分解氣體的析出凈速度,其中有三個峰值,最大峰值在220℃左右,第二峰值在450℃左右,第三峰值在760℃左右,其中第一峰值的析出速度最高?？梢?瀝青的過加熱過程并非因為其溫度過高,持續(xù)保持在220℃左右的加熱過程可能更快造成瀝青的過加熱現(xiàn)象。而最佳加熱溫度應控制在400℃左右的第一谷值處,此時其析出速度在4.2mg/5min左右,可以實現(xiàn)較穩(wěn)定的加熱。

2.2 微波泄露

國家對工作場所微波背景輻射的硬性要求為小于5mW/cm2,當前基于微波加熱的瀝青路面養(yǎng)護車,其諧振腔和微波相關其他組件一般受到三層屏蔽網(wǎng)覆蓋,設定有四角定位裝置,且在給料斗等易發(fā)生微波泄露的位置設定有雙重屏蔽門,即同一時間只允許打開其中一道屏蔽門,始終保持有一道屏蔽門處于關閉狀態(tài)。在設備完好的條件下,可以將現(xiàn)場微波背景輻射控制在3mW/cm2以內,符合國家有關施工安全規(guī)程要求。但如果設備出現(xiàn)故障,則可能在大功率微波加熱的過程中發(fā)生微波泄露事故。其故障樹如圖4所示。

圖4 微波輻射人身傷亡施工的故障樹Fig. 4 Fault tree of microwave radiation casualty construction

圖4中,即便施工過程中出現(xiàn)屏蔽層損壞或者屏蔽門故障,因為設備的自保護裝置也會提供報警及設備閉鎖,在沒有發(fā)生誤操作、違章操作、違章指揮等現(xiàn)場違章條件下,微波輻射的人身傷亡事故就無法發(fā)生。所以,違章現(xiàn)象和誤操作現(xiàn)象是故障樹中的薄弱環(huán)節(jié),加大現(xiàn)場管理力度和安全管理力度,可以有效避免微波輻射事故的發(fā)生。同時,確保進入可能輻射區(qū)的人員穿著防輻射衣等勞動保護設施,也是有效避免微波輻射事故發(fā)生的重要措施。

2.3 電力需求

因為基于微波加熱的瀝青路面養(yǎng)護車一般需要外部供電才可以實現(xiàn)相應的路面操作,而瀝青路面養(yǎng)護需求較高的高速公路等設施一般存在路邊供電電源不足的問題。所以,給瀝青路面養(yǎng)護車提供必要的移動式發(fā)電車以提供其所需的電能是其應用過程的必要措施。因為基于微波加熱的瀝青路面養(yǎng)護過程較傳統(tǒng)的路面切割重塑的養(yǎng)護過程用時更短,所以可以通過適度增加道路施工區(qū)長度的方式容納更多養(yǎng)護設備,以在現(xiàn)場提供足夠的電能。

3 傳統(tǒng)修復技術與微波路面加熱技術的比較

高速公路某段養(yǎng)護任務共10處損傷,其中裂痕風化類損傷6處,鼓包類損傷4處,最大養(yǎng)護面積635m2,最小養(yǎng)護面積24m2,采用對比法,平均選擇其中5處采用傳統(tǒng)的環(huán)切重塑法進行養(yǎng)護,其余5處采用微波加熱法進行養(yǎng)護,比較其實際應用效果,詳見表1。

表1 實際養(yǎng)護效果對比表Table 1 Comparison of actual curing effect

表1中,傳統(tǒng)方法共修復路塊面積1237m2,總耗時141d,排出廢石量148.44m3；微波方法共修復路塊面積1221m2,總耗時80d,排出廢石量5.24m3。使用SPSS對上述數(shù)據(jù)進行比較,可以得到表2。

表2 實際養(yǎng)護誤差均值比較表Table 2 Comparison of mean value of actual curing error

表2中,平均耗時為該方法操作下的總修復面積與總耗時之間的比值,平均廢石量為該方法操作下的總廢石排出量與總修復面積之間的比值,平均高差采用了加權平均法,計算為：

通過SPSS分析,上述四項比較項目中,除路塊面積項目t＞10.000外,其他比較項目均為t＜10.000,P=0.000＜0.01,即具備顯著的統(tǒng)計學差異。

上述比較分析結果充分證實,微波加熱瀝青路面維護法較傳統(tǒng)方法,日工作量提升1.74倍,平均高程誤差提升3.55倍,廢石產(chǎn)生量節(jié)約27.91倍。且微波加熱方法產(chǎn)生的所有廢石,并非來自路面環(huán)切破碎帶來的廢石,而是來自路面清掃、車輛收尾清掃等工作。

綜上,微波加熱瀝青路面維護法與路面環(huán)切破碎重塑法相比,擁有較強的技術優(yōu)勢。

4 總結

微波加熱瀝青路面維護法可能面臨瀝青過加熱、微波輻射泄露、電力負荷過重等弊端,但可以通過加強優(yōu)化現(xiàn)場管理的方式予以解決,且對瀝青的加熱過程在傳統(tǒng)方法中也不可避免。但微波加熱瀝青路面維護法相比較傳統(tǒng)方法,有工期短、廢石產(chǎn)生量小、道路修復后高程誤差小的技術優(yōu)勢,在進行合理技術工藝路徑梳理和技術貫徹普及后,該方法有較強的應用推廣價值。