吸波材料对就地热再生混合料的性能影响研究_许艳芝.pdf
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1、DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202212048开放科学(资源服务)标识码(OSID)吸波材料对就地热再生混合料的性能影响研究许艳芝,徐晨鸣(中交第二公路勘察设计研究院有限公司,武汉430100)摘要:为提高就地热再生微波加热效率,解决传统沥青混合料吸波能力弱问题,选择多种吸波材料代替矿粉,通过微波加热试验,研究吸波材料对集料、沥青混合料的吸波升温性能以及沥青混合料的使用性能、耐久性能的影响。结果表明:吸波材料可明显提高集料和沥青混合料的吸波性能。随着吸波材料掺量的增加,石灰岩 AC-13 与玄武岩 SMA-13 沥青混合料的温升变化趋势不同。吸波材料对沥青混合料
2、水稳定性能影响甚微,其能够提升沥青混合料的低温抗变形能力。关键词:就地热再生;微波加热;吸波材料;使用性能;耐久性能中图分类号:U416.217文献标志码:A文章编号:1003 8825(2023)03 0089 06 0 引言微波加热技术与传统的红外线辐射加热和热风循环加热相比,具有加热均匀性好、能量高效利用、环保等优点1。微波加热原理是将电能转换成微波,在微波覆盖范围内分子之间剧烈摩擦产生热能,进而温度随之升高2。由于道路沥青中极性分子较少,因此,微波加热不能直接加热沥青,而是通过加热沥青混合料,使其内部集料温度上升,把热量传导给沥青,从而达到加热沥青的目的。然而,传统沥青混合料吸收微波性
3、能较差,微波加热设备用于沥青路面加热时间较长,降低了养护效率,限制了该技术在养护工程中的应用3-4。因此,亟需研究选择合适的吸波改性剂提升沥青混合料的吸波性能,提高微波加热效率,提高就地热再生的路用性能。大量研究表明吸波材料能够提高沥青路面电磁波吸收能力,研究较多的吸波材料为磁铁矿粉、二氧化锰、玄武岩纤维等。但是,目前吸波沥青混合料处于室内研究阶段,仅能用于道路坑槽修补、融雪除冰等小规模应用场景,限制了就地热再生微波加热技术在车道级养护工程中的推广应用5-7。鉴于此,本文选择多种工业级吸波材料,研究吸波材料对集料及沥青混合料的吸波升温效果,分析吸波材料对沥青混合料使用性能和耐久性能的影响。研究
4、成果可指导吸波材料在公路沥青路面快速养护应用,为推动就地热再生微波加热技术工程应用奠定基础。1 试验方案 1.1 主要原材料天然磁铁矿粉,黑色粉末,Fe3O4含量 95.0%,粒径 2 000 目;二氧化锰,黑色粉末,粒径 400 目,MnO2含量 91.5%;膨胀石墨,黑色粉末,粒径1 000 目,含碳量 90.0%;石灰岩碎石和玄武岩碎石,粒径为03 mm,510 mm,1015 mm;SBS改性沥青等,技术指标均满足公路沥青路面施工技术规范(JTG F402004)的要求8-9。1.2 主要设备和仪器微波炉,额定输入功率 1 150 W,输出功率700 W,工作频率 2 450 MHz;
5、222RTD 手持式标准铂电阻测温仪,测温范围200660 C,精度0.05 C;及 LWD-5B 马歇尔稳定度仪、HYCX-1 液压车辙试样成型机、HYCX-1 全自动沥青混合料车辙试验仪、LHWQ-6 低温弯曲试验机。1.3 混合料制备SMA-13 沥青混合料、AC-13 沥青混合料的配合比,按公路沥青路面施工技术规范(JTGF402004)和公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E202011)进行设计和制备。1.4 试验方法和指标 1.4.1 升温性能 收稿日期:2023 02 10基金项目:江苏省交通运输科技项目(2019Y41)作者简介:许艳芝(1979),女,江苏射阳人。高级
6、工程师,硕士,主要从事道路设计及研究工作。E-mail:。许艳芝,等:吸波材料对就地热再生混合料的性能影响研究 89 升温性能试验方案,见表1。选用粒径510 mm的石灰岩集料 200 g,与吸波材料、矿粉混合均匀后置于微波炉内,默认加热时间 3 分钟,使用插入接触式数字测温仪测试温度。表1升温性能试验方案吸波材料代号ABCDEFG吸波材料无膨胀石墨 二氧化锰 磁铁矿粉 膨胀石墨和二氧化锰=11 磁铁矿粉和膨胀石墨=11 二氧化锰和磁铁矿粉=11测试指标升温性能吸波材料掺量矿料质量的0%、0.8%、1.6%、2.4%、3.2%和4.0%取 300 g 沥青混合料置于微波炉中,使用插入接触式数字
7、测温仪测定温度,当沥青混合料的温度上升到 200 左右时停止加热。微波炉加热功率分为大火(700 W)、中火(420 W)、小火(210 W),测试条件:220 V/50 Hz 电源,室温。1.4.2 沥青混合料使用性能按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E202011)的T0719、T0715、T0709、T0729试验方法,分别进行沥青混合料的高温性能、低温性能、水稳定性能的评价。1.4.3 沥青混合料耐久性能参照公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E202011)的 T0729 试验方法,对马歇尔试件进行多次冻融循环劈裂试验(劈裂试验温度25),对低温小梁试件进行多次冻融
8、循环小梁弯曲试验(弯曲试验温度10),评价吸波材料对沥青混合料的耐久性影响。2 试验结果与分析 2.1 吸波材料对集料微波加热效果的影响 2.1.1 集料温升速率将 1.6%掺量的吸波材料与矿粉混合均匀,再与石灰岩集料混合均匀,进行升温性能测试10。微波加热为大火(700 W),加热 3 分钟时进行测量,初始温度 21.5。不同吸波材料对集料的温升影响,见图 1。60.199.6120.1135.3114.4117.5127.75060708090100110120130140ABCDEFG吸波材料温度/图1不同吸波材料对集料的温升影响微波炉加热 3 分钟后,未掺加吸波材料 A 温度为 60.
9、1,升温速率为 12.9/min,吸波材料B、C、D、E、F、G 的升温速率分别为 26.0、32.9、37.9、31.0、32.0、35.4/min,相比 A 的升温速率分别提高 102%、155%、194%、140%、148%、174%,表明吸波材料对石灰岩集料的温升具有显著的提升作用。2.1.2 不同掺量对集料温升速率的影响将不同掺量的吸波材料与矿粉混合均匀后,再与石灰岩集料混合均匀,进行升温性能测试。微波加热为大火(700 W),加热 3 分钟后进行测量。初始温度为 21.5,不同吸波材料掺量对集料温升的影响,见图 2。020406080100120140160180BCDEFG温度/
10、吸波材料掺量0%掺量0.8%掺量1.6%掺量2.4%掺量3.2%掺量4.0%图2不同吸波材料掺量对集料温升的影响 随着吸波材料掺量的增加,吸波材料 C、D、G 的集料温度呈先缓慢增加后急剧增加趋势,而吸波材料 E、F 呈缓慢增加趋势。不同吸波材料且同等掺量下,集料的温度和温升速率各有不同。吸波材料 G 不同掺量的集料温度分别为 60.1、124.1、135.3、138.4、142.1、158.3,温升速率分别为12.9、21.3、25.1、26.1、27.3、32.7/min。表明普通石灰岩集料微波吸热速率较小,这是由于石灰岩集料主要成分 CaCO3是弱吸波物质,其吸波能力有限。但随着吸波材料
11、掺量的增加,石灰岩集料温升速率增大,这是由于掺加吸波材料的石灰岩集料的复磁导率实部与虚部都随吸波材料掺量的增加而增大11-12。相同掺量下,掺加吸波材料 D 和 G 的集料温度均偏高,说明吸波材料 D 和 G 的吸热效率较高。基于经济性和集料温度提升效果综合考虑,选择吸波材料 D 和 G 研究其对沥青混合料的温升效路基工程 90 Subgrade Engineering2023 年第 3 期(总第 228 期)果影响。2.2 吸波材料对沥青混合料微波加热效果的影响 2.2.1 石灰岩 AC-13 沥青混合料温升速率石灰岩 AC-13 沥青混合料进行微波加热不同时间后沥青混合料的温度,见表 2。
12、在实际工程应用中,普通沥青混合料的废弃温度一般为190195,再生混合料温度一般约 150,微波养护过程中就地热再生沥青混合料的温度达到 160 即可13。微波加热 8 分钟时,三组混合料的温度达到150160,故选择 8 分钟时间点开展分析。表2微波加热不同时间后沥青混合料的温度混合料类型2 min4 min6 min8 min10 min普通石灰岩AC-1339.441.946.483.592.4D-AC-13-0.1%37.843.562.584.6138.7G-AC-13-0.1%40.146.968.590.0141.8D-AC-13-0.2%42.947.878.8112.3143
13、.8G-AC-13-0.2%43.550.174.1116.5144.9D-AC-13-0.5%54.361.696.8150.2176.5G-AC-13-0.5%57.866.8105.9151.4178.6D-AC-13-1%57.963.1106.6151.2178.4G-AC-13-1%58.478.6116.2152.4180.1D-AC-13-2%59.566.8106.4154.3180.4G-AC-13-2%60.280.2120.3156.6182.7 微波加热 8 分钟时的沥青混合料温度,见图 3。随着微波加热时间的增加,石灰岩 AC-13 沥青混合料的温度随吸波材料掺量的
14、增加呈先快速增大后稳定的变化趋势。当吸波材料掺量在 0.5%以上时,吸波材料对沥青混合料的温升作用较小。掺加吸波材料 G 的石灰岩 AC-13 混合料微波加热 4 分钟后,其温升作用效果与掺加吸波材料 D 的作用效果相近,且当吸波材料 D 的掺量大于 0.5%时,微波加热效率显著。83.584.6112.3150.2151.2154.383.590.0116.5151.4152.4156.6709011013015017000.10.20.512温度/吸波材料D吸波材料G掺量/%图3微波加热 8 分钟时的沥青混合料温度 微波加热 8 分钟时,当吸波材料 D 掺量分别为矿料的 0.1%、0.2%
15、、0.5%、1.0%、2.0%时,AC-13 混合料的加热温度与未掺加吸波材料相比,温度提升速率分别为 1.3%、34.5%、79.9%、81.1%、84.8%;当吸波材料 G 掺量分别为矿料的 0.1%、0.2%、0.5%、1.0%、2.0%时,AC-13混合料的加热温度与未掺加吸波材料相比,提升速率分别为 7.8%、39.5%、81.3%、82.5%、87.5%。综合考虑经济性原则,推荐吸波材料 D 的最佳掺量为矿料的 0.5%。2.2.2 玄武岩 SMA-13 沥青混合料温升由于玄武岩具有较多的铁磁性物质,具有较好的微波吸收作用,微波加热试验采用大火(700 W)加热时,玄武岩 SMA-
16、13 沥青混合料温升速率快,数据采集离散型较大14-16。因此,将微波加热由大火(700 W)调到中火(420 W),不同吸波材料掺量对玄武岩混合料温度变化,见表 3。选择 5分钟时间点分析不同吸波材料掺量对玄武岩 SMA-13混合料微波加热温度的影响规律。表3不同吸波材料掺量对玄武岩混合料温度变化吸波材料类型吸波材料掺量/%1 min2 min3 min4 min5 min6 min7 min磁铁矿粉(D)050.480.498.5120.4140.1160.6173.50.258.584.1102.4127.4142.5160.4172.40.560.384.2109.6132.5148.
17、7162.5176.31.068.9102.5129.1151.4164.1176.7194.72.062.390.5113.8151.2167.0181.5197.3磁铁矿粉二氧化锰=11(G)050.480.498.5120.4140.1160.6173.50.261.585.8105.7130.5145.5165.5175.50.565.588.5112.5135.5150.7168.5180.01.070.2105.5131.5155.5168.5182.7190.82.068.792.5115.9155.5170.0185.5190.5 微波加热 5 分钟时玄武岩混合料的温度,见图
18、4。随着微波加热时间的增加,玄武岩 SMA-13沥青混合料的温度随吸波材料掺量增加呈先缓慢增大后快速增大最后稳定的变化趋势,这是由于玄武许艳芝,等:吸波材料对就地热再生混合料的性能影响研究 91 岩集料自身具有比较好的吸波性能,当吸波材料掺量较少时,提升混合料微波加热效果不明显。13013514014515015516016517017500.20.51.02.0温度/掺量/%吸波材料D吸波材料G图4微波加热 5分钟时玄武岩混合料的温度 微波炉中火(420 W)加热 5 分钟,吸波材料 D掺量分别为矿料的 0.2%、0.5%、1.0%、2.0%时,SMA-13 混合料的加热温度与未掺加吸波材料
19、相比,温度提升速率分别为 1.7%、6.1%、17.1%、19.2%;吸波材料G 掺量分别为矿料的0.2%、0.5%、1.0%、2.0%时,SMA-13 混合料的加热温度与未掺加吸波材料相比,温度提升速率分别为 3.9%、7.6%、20.3%、21.3%。综合微波加热对不同吸波材料掺量的玄武岩沥青混合料的温度提升效果、经济性和推广使用性,故选择掺量为矿料质量 1%的吸波材料 D 作为玄武岩 SMA-13 沥青混合料的吸波材料。2.3 吸波材料对沥青混合料使用性能的影响基于 2.1 节和 2.2 节研究成果,根据 1.3 节制备掺加吸波材料沥青混合料,开展浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、车辙试验和
20、低温弯曲试验,与普通石灰岩 AC-13、普通玄武岩 SMA-13 对比,评价吸波材料对沥青混合料使用性能的影响。沥青混合料使用性能试验结果,见表 4。掺加吸波材料后沥青混合料的水稳定性略微下降,但掺加吸波材料的石灰岩 AC-13 和玄武岩 SMA-13 混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比均满足规范要求。表4沥青混合料使用性能试验结果类型残留稳定度/%劈裂强度比/%动稳定度/(次mm1)破坏应变/普通石灰岩AC-1388.786.065612529.8D-石灰岩AC-1387.884.758122696.9普通玄武岩SMA-1389.588.687552723.1D-玄武岩SMA-1388.68
21、5.792702926.9 掺加吸波材料前后,石灰岩 AC-13 和玄武岩SMA-13 混合料的动稳定度相差不大,均能满足相关技术要求,说明掺加吸波材料 D 对石灰岩 AC-13和玄武岩 SMA-13 沥青混合料的高温稳定性影响较小。掺加吸波材料 D 后,石灰岩 AC-13 和玄武岩SMA-13 混合料的破坏应变有所增加,表明吸波材料 D 对沥青混合料的低温抗变形能力具有提升作用。2.4 吸波材料对沥青混合料耐久性能的影响 2.4.1 冻融循环劈裂试验劈裂强度试验结果,见图 5;劈裂抗拉强度比结果,见图 6。随着冻融循环次数的增加,沥青混合料的劈裂抗拉强度逐渐减小并逐渐趋于稳定,沥青混合料的冻
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