賀克忠 侯劍楠 陳鵬昌

摘要：文章基于廣西區(qū)內(nèi)高速公路路面結(jié)構(gòu)及路面材料特性，構(gòu)建了就地?zé)嵩偕鸀r青路面溫度場(chǎng)模型，采用有限元軟件，探究了不同加熱方式、加熱時(shí)間、環(huán)境溫度、風(fēng)速等施工參數(shù)對(duì)熱再生瀝青路面溫度場(chǎng)的影響規(guī)律，進(jìn)一步優(yōu)選了適用于廣西地區(qū)的就地?zé)嵩偕┕すに噮?shù)。研究表明：加熱罩面數(shù)量設(shè)為3個(gè)、加熱時(shí)間控制在512 s內(nèi)，可有效控制熱再生瀝青路面的施工溫度，保障熱再生施工質(zhì)量，同時(shí)建議選擇在環(huán)境溫度較高、風(fēng)速較低的時(shí)間段進(jìn)行熱再生瀝青路面的施工。

關(guān)鍵詞：熱再生技術(shù)；瀝青路面；溫度場(chǎng)；就地?zé)嵩偕?；高速公?/p>

中圖分類號(hào)：U415.52+8? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-4874（2024）04-008-01

0 引言

瀝青路面是一種廣泛應(yīng)用于公路、機(jī)場(chǎng)、停車場(chǎng)等場(chǎng)所的路面類型，具有施工方便、使用舒適、維修簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。然而，隨著時(shí)間的推移，瀝青路面會(huì)因?yàn)榻煌ê奢d、環(huán)境因素、材料老化等原因而出現(xiàn)裂縫、車轍、坑槽等表層病害，影響其使用性能和安全性。為了修復(fù)瀝青路面的表層病害，提高瀝青路面修復(fù)的效率和質(zhì)量，就地?zé)嵩偕鸀r青路面技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。就地?zé)嵩偕鸀r青路面技術(shù)是一種利用專用設(shè)備對(duì)舊瀝青路面進(jìn)行加熱、翻松、拌和、攤鋪、壓實(shí)等工序，實(shí)現(xiàn)舊瀝青路面再生利用的技術(shù)，具有節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、提高質(zhì)量、優(yōu)化工藝等優(yōu)點(diǎn)［1］。

就地?zé)嵩偕鸀r青路面技術(shù)的核心環(huán)節(jié)是加熱。加熱是實(shí)現(xiàn)舊瀝青路面材料軟化和再生的前提條件，也是影響其施工質(zhì)量和使用性能的重要因素。加熱過程中，舊瀝青路面材料會(huì)形成一個(gè)復(fù)雜的溫度場(chǎng)，即不同位置處的溫度不同，并隨著時(shí)間和空間而變化。溫度場(chǎng)的分布和變化規(guī)律直接決定了舊瀝青路面材料的軟化程度及老化程度等，進(jìn)而影響到再生瀝青混合料的質(zhì)量和性能。因此，掌握和控制熱再生瀝青路面溫度場(chǎng)的影響因素和規(guī)律，是保證熱再生瀝青路面施工質(zhì)量的關(guān)鍵［2］。綜上，本文旨在通過理論分析，探討了加熱方式、加熱時(shí)間、環(huán)境溫度、風(fēng)速等施工參數(shù)對(duì)熱再生瀝青路面溫度場(chǎng)的影響規(guī)律，提出了合理的溫度控制方法及建議，為熱再生瀝青路面施工提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 再生路面溫度場(chǎng)模型構(gòu)建

1.1 溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

熱再生瀝青路面溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型依據(jù)熱風(fēng)輻射循環(huán)作用原理，熱再生瀝青路面與施工作用環(huán)境的主要能量交換為熱空氣與路表的強(qiáng)制對(duì)流換熱［3］。其中溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型為：

[HL（1：1，Z]θ[]τ=α2θ[]z2（0＜z＜SymboleB@）z=0，θ（z，0）=t（z）-tfz=0，-λθ[]z+hθ=0（1）

式中：t（z）——路面結(jié)構(gòu)初試溫度分布；

tf——流體溫度（℃）；

τ——加熱時(shí)間（s）；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)（m·h·℃）；

α——熱輻射速率（m2/s）；

h——對(duì)流系數(shù)（m2·s·K）。

實(shí)際熱再生瀝青路面施工過程中，熱對(duì)流系數(shù)可根據(jù)公式計(jì)算，本文通過簡(jiǎn)化計(jì)算確定表面熱對(duì)流系數(shù)h=20 J/（m2·s·K）。

當(dāng)t（z）=ti，溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化為：

θ[]θi=t-tf[]ti-tf=erfz[]2ατ+exph[]λz+h[]λ2ατerfcz[]2ατ+h[]λατ（2）

1.2 模型尺寸

參考廣西區(qū)內(nèi)高速公路結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示，路面模型共劃分為六層，其中瀝青層厚度為20 cm，上面層為4 cm厚的AC-13，中面層為6 cm的AC-20，下面層為8 cm的ATB-25，基層為40 cm的水泥穩(wěn)定碎石，底基層為20 cm的石灰土，土基厚度為2.3 m，建立就地?zé)嵩偕鸀r青路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)二維分析模型。

1.3 材料參數(shù)及邊界條件

1.3.1 材料參數(shù)

本文以就地?zé)嵩偕鸀r青路面結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，并假設(shè)路面各結(jié)構(gòu)層熱物理性參數(shù)（導(dǎo)熱系數(shù)及熱容量）為恒定值，且不隨外界溫度的變化而改變。就地?zé)嵩偕鸀r青路面結(jié)構(gòu)組成及熱物理性參數(shù)如表1所示。

1.3.2 邊界條件

就地?zé)嵩偕鸀r青路面施工過程中，熱再生瀝青路面與施工作用環(huán)境的主要能量交換為熱空氣與路表的強(qiáng)制對(duì)流換熱。在路面模型頂部創(chuàng)建一個(gè)相互作用面，采用Fortran語(yǔ)言編寫FILM子程序，模擬熱輻射及風(fēng)速對(duì)熱再生瀝青路面施工過程的影響。

1.4 加熱施工方式

本文模擬就地?zé)嵩偕鸀r青路面四種加熱施工方式，每個(gè)加熱罩面在單位時(shí)間內(nèi)，向路表傳遞的熱量為6 MJ/（min·m2），加熱機(jī)的運(yùn)行速度為3.0 m/min。設(shè)置四種加熱施工方式分別為加熱施工方式A，只有1個(gè)加熱罩面，長(zhǎng)4.8 m；加熱施工方式B，2個(gè)加熱罩面，長(zhǎng)2.4 m，兩者相距4.8 m；加熱施工方式C，3個(gè)加熱罩面，長(zhǎng)1.6 m，兩兩相距4.8 m；加熱施工方式D，4個(gè)加熱罩面，長(zhǎng)1.2 m，兩兩相距4.8 m。如圖2所示。

2 再生路面溫度場(chǎng)模擬分析

基于所建立的再生路面溫度場(chǎng)模型，采用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)路面模型進(jìn)行加熱施工，獲得不同時(shí)間及空間的瀝青路面溫度場(chǎng)分布。由于缺少相關(guān)規(guī)范對(duì)就地再生加熱施工方式及加熱時(shí)間做出明確要求，現(xiàn)場(chǎng)施工過程中一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行加熱，往往會(huì)導(dǎo)致以下兩種情況發(fā)生：（1）加熱不足，導(dǎo)致舊瀝青路面材料不能充分軟化，影響翻松效果；（2）加熱過度，導(dǎo)致瀝青焦化而失效，無法再生利用。為了避免加熱不足和加熱過度的發(fā)生，以路表下20 mm達(dá)到140 ℃為翻松最佳溫度［4］，確定加熱方式及時(shí)間，為瀝青路面就地?zé)嵩偕┕ぬ峁├碚撘罁?jù)。

2.1 加熱罩面數(shù)量對(duì)路面施工溫度場(chǎng)的影響

本文模擬了就地?zé)嵩偕鸀r青路面四種加熱施工方式，并設(shè)置外界溫度為25 ℃，風(fēng)速為3.5 m/s，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬，溫度變化如圖3所示。

由圖3可知：

（1）路表溫度峰值出現(xiàn)次數(shù)與加熱施工方式相同，即1個(gè)加熱罩面施工時(shí)，路表在10 s產(chǎn)生1個(gè)溫度峰值；2個(gè)加熱罩面施工時(shí)，路表在34 s和162 s分別產(chǎn)生1個(gè)溫度峰值；3個(gè)加熱罩面施工時(shí)，路表在44 s、78 s和227 s分別產(chǎn)生1個(gè)溫度峰值；4個(gè)加熱罩面施工時(shí)，路表在57 s、161 s、259 s和374 s分別產(chǎn)生1個(gè)溫度峰值。

（2）四種罩面加熱的再生路面下20 mm處均只出現(xiàn)一個(gè)溫度峰值，且溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間晚于路表溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間，說明必須將路表加熱至峰值之后才能使再生路面下200 mm處達(dá)到溫度峰值。

（3）隨著加熱罩面數(shù)量的增加，再生路面溫度峰值也隨之增加，說明增加加熱罩面的數(shù)量，有益于路面加熱。

為了確定再生路面加熱施工方式，將四種加熱罩面的路表及路表下20 mm處溫度峰值繪制圖4。

由圖4可知：

（1）隨著加熱罩面數(shù)量的增加，路表及路表下20 mm溫度峰值呈上升趨勢(shì)。由此需要控制加熱罩面數(shù)量，否則會(huì)導(dǎo)致路表溫度過高，加速瀝青老化，造成瀝青路面的泛油現(xiàn)象，影響路面使用性能。

（2）加熱罩面數(shù)量從1個(gè)逐級(jí)增加到4個(gè)時(shí)，路表溫度峰值增加率分別為46.15%、11.41%、10.24%，路表溫度峰值增加率分別為44.12%、20.41%、16.95%。當(dāng)加熱罩面數(shù)量達(dá)到3個(gè)時(shí)，再增加加熱罩面對(duì)路表及路表下20 mm溫度峰值影響較小。由此本文推薦熱再生瀝青加熱罩面施工方式為3個(gè)罩面。

2.2 加熱時(shí)間對(duì)路面施工溫度場(chǎng)的影響

采用3個(gè)加熱罩面進(jìn)行熱再生溫度場(chǎng)數(shù)值模擬，外界溫度設(shè)為25 ℃，風(fēng)速為3.5 m/s，加熱云圖如圖5所示，不同加熱時(shí)間路表及路表下20 mm處溫度曲線如圖6所示。

由圖6可知：

（1）兩臺(tái)加熱機(jī)組對(duì)瀝青路面加熱時(shí)，路表溫度峰值出現(xiàn)在433 s，溫度峰值為361.2 ℃，路表下20 mm處溫度峰值出現(xiàn)在605 s，溫度峰值為165.2 ℃。由于路表下20 mm處溫度峰值過高，熱再生施工過程中，會(huì)加速舊路面瀝青成分的老化，降低瀝青質(zhì)量，還會(huì)導(dǎo)致瀝青焦化而失效，無法再生利用，嚴(yán)重影響再生后瀝青路面的使用質(zhì)量。

（2）為確定再生路面加熱時(shí)間，本文采用路表下20 mm處達(dá)到140 ℃作為熱再生瀝青路面加熱時(shí)間的指標(biāo)。由圖6可知，路表下20 mm處在512 s達(dá)到140 ℃，因此本文推薦再生路面加熱時(shí)間為512 s。

（3）在實(shí)際施工過程中，還應(yīng)根據(jù)環(huán)境溫度、風(fēng)速、濕度等環(huán)境條件，調(diào)整加熱時(shí)間和速度，保證加熱深度和均勻性。

2.3 環(huán)境溫度對(duì)路面施工溫度場(chǎng)的影響

選擇環(huán)境溫度為25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃，進(jìn)行熱再生溫度場(chǎng)數(shù)值模擬，采用3個(gè)加熱罩面進(jìn)行加熱，以路表下20 mm處達(dá)到140 ℃的時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，隨著環(huán)境溫度的增加，路表下20 mm處達(dá)到140 ℃的時(shí)間逐漸減小。對(duì)環(huán)境溫度與路表下20 mm處達(dá)到140 ℃的時(shí)間關(guān)系進(jìn)行擬合，R2高達(dá)0.997，說明兩者具有較高的相關(guān)性。當(dāng)環(huán)境溫度由25 ℃增加到30 ℃時(shí)，路表下20 mm處達(dá)到140 ℃的時(shí)間由661 s降低到550 s，減小了16.8%；環(huán)境溫度由30 ℃增加到35 ℃時(shí)，路表下20 mm處達(dá)到140 ℃的時(shí)間由550 s降低到512 s，減小了6.9%；環(huán)境溫度由35 ℃增加到40 ℃時(shí)，路表下20 mm處達(dá)到140 ℃的時(shí)間由512 s降低到499 s，減小了2.5%。因此，為了使再生路面下20 mm處更早達(dá)到140 ℃，應(yīng)選擇在環(huán)境溫度較高的時(shí)間段進(jìn)行熱再生瀝青路面施工。

2.4 風(fēng)速對(duì)路面施工溫度場(chǎng)的影響

選擇風(fēng)速為0.5 m/s、2 m/s、3.5 m/s、5 m/s，以路表下20 mm處達(dá)到140 ℃的時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行熱再生溫度場(chǎng)數(shù)值模擬，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，隨著風(fēng)速的增加，路表下20 mm處達(dá)到140 ℃的時(shí)間逐漸增加。對(duì)風(fēng)速與路表下20 mm處達(dá)到140 ℃的時(shí)間關(guān)系進(jìn)行擬合，R2高達(dá)0.995，說明兩者具有較高的相關(guān)性。當(dāng)風(fēng)速由0.5 m/s增加到2 m/s時(shí)，路表下20 mm處達(dá)到140 ℃的時(shí)間由478 s增加到492 s，增加了2.9%；風(fēng)速由2 m/s增加到3.5 m/s時(shí)，路表下20 mm處達(dá)到140 ℃的時(shí)間由492 s增加到512 s，增加了4.1%；風(fēng)速由3.5 m/s增加到5 m/s時(shí)，路表下20 mm處達(dá)到140 ℃的時(shí)間由512 s增加到562 s，增加了9.7%。這是因?yàn)轱L(fēng)速的增加會(huì)加快瀝青混合料的散熱速率，將推遲路表下20 mm處達(dá)到140 ℃的時(shí)間。因此在風(fēng)速越大的情況下，應(yīng)適當(dāng)增加加熱時(shí)間，建議在風(fēng)速較小的情況下，進(jìn)行熱再生瀝青路面的施工。

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用ABAQUS有限元軟件對(duì)熱再生瀝青路面施工溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，并針對(duì)加熱方式、加熱時(shí)間、環(huán)境溫度及風(fēng)速等施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，得到如下結(jié)論：

（1）推薦熱再生瀝青路面加熱方式采用三個(gè)加熱罩面進(jìn)行加熱。

（2）在外界溫度為25 ℃、風(fēng)速為3.5 m/s的情況下，采用三個(gè)加熱罩面加熱512 s，即可使路表下20 mm達(dá)到140 ℃。

（3）外界溫度越高，路表下20 mm處達(dá)到140 ℃的時(shí)間越早，建議選擇在環(huán)境溫度較高的時(shí)間段進(jìn)行熱再生瀝青路面施工。

（4）風(fēng)速越大，路表下20 mm處達(dá)到140 ℃的時(shí)間越晚，建議在風(fēng)速較小的情況下，進(jìn)行熱再生瀝青路面的施工。

參考文獻(xiàn)

［1］姚玉權(quán)，高 杰，仰建崗.瀝青路面就地?zé)嵩偕┕?shù)優(yōu)化與效益評(píng)估［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2023：1-12.

［2］姚玉權(quán)，仰建崗，高 杰，等.就地?zé)嵩偕鸀r青混合料的材料組成波動(dòng)及控制策略［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2022，36（16）：59-68.

［3］張 輝.熱風(fēng)加熱瀝青路面?zhèn)鳠嵋?guī)律與溫度場(chǎng)重構(gòu)預(yù)測(cè)研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2022.

［4］李雪毅，鄒曉翎，吁新華.熱風(fēng)循環(huán)式就地?zé)嵩偕鸀r青路面溫度場(chǎng)［J］.中外公路，2018，38（2）：69-74.

作者簡(jiǎn)介：賀克忠（1969—），高級(jí)工程師，主要從事黨建、工程項(xiàng)目管理、吊裝技術(shù)管理工作。