就地?zé)嵩偕^(guò)程瀝青路面的加熱梯度與機(jī)械作業(yè)參數(shù)控制

舒 琴，胡筑云，任達(dá)成，郭小宏

(1.貴州省銅仁公路管理局，貴州 銅仁 554300；2.貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550008；3.重慶交通大學(xué) 管理學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

在瀝青路面就地?zé)嵩偕┕ぶ校f路面的加熱溫度是影響整個(gè)再生施工質(zhì)量的關(guān)鍵因素。它不僅影響了舊路面瀝青混合料被再利用的程度以及舊料和新料的充分混合，也影響了再生層與舊瀝青路面良好的黏結(jié)性，同時(shí)還是攤鋪、碾壓等一系列工藝過(guò)程質(zhì)量的重要保證。因此，掌握和控制舊路面加熱過(guò)程中各工藝環(huán)節(jié)的溫度變化十分重要。

在舊路面加熱過(guò)程中，瀝青路面表面溫度一般不超過(guò)180 ℃，表面以下4～5 cm處的溫度為90 ℃左右，加熱深度為4～5 cm時(shí)最為理想[1]。為加熱均勻和減輕瀝青老化，一般就地?zé)嵩偕募訜岱譃槎?jí)加熱或三級(jí)加熱。每級(jí)分為兩個(gè)加熱室，工作中兩個(gè)加熱室的溫度通過(guò)溫控系統(tǒng)控制，這樣就形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立完整的加熱系統(tǒng)[2-3]。舊路面若是二級(jí)加熱，就存在兩個(gè)獨(dú)立完整的加熱系統(tǒng)；舊路面若是三級(jí)加熱，就存在3個(gè)獨(dú)立完整的加熱系統(tǒng)。

舊瀝青路面就地?zé)嵩偕訜崾且粋€(gè)連續(xù)過(guò)程。路面在加熱時(shí)，熱量從路表面連續(xù)向表層內(nèi)4～5 cm處傳導(dǎo)中，由于瀝青路面本身的熱傳導(dǎo)特性，保證路面表面溫度不超過(guò)180 ℃，表面以下4～5 cm處的溫度為90 ℃左右，而且加熱均勻和減輕瀝青老化是困難的[1]。因此，必須從加熱工藝上對(duì)路面加熱進(jìn)行分級(jí)，對(duì)每一級(jí)的加熱功能進(jìn)行區(qū)分，對(duì)每級(jí)加熱的溫度梯度進(jìn)行研究，在加熱中通過(guò)調(diào)整機(jī)械作業(yè)參數(shù)對(duì)溫度梯度進(jìn)行控制。這樣才可能實(shí)現(xiàn)舊路面瀝青混合料被最大程度再利用，舊料和新料充分混合，再生層與舊瀝青路面良好黏結(jié)性的目的[4-8]。

1 舊路面的加熱分級(jí)與功能

室內(nèi)與依托工程的實(shí)踐證明，就地?zé)嵩偕袑?duì)原路面的加熱功能要求是：首先將舊瀝青路面加熱，其次將舊路面表層4～5 cm內(nèi)的溫度控制在90 ℃以上，并在加熱過(guò)程中盡量避免瀝青進(jìn)一步老化。

為了使原路面瀝青混合料被最大可能的再利用，應(yīng)使原路面老化瀝青恢復(fù)原有路用性能，原路面中的集料與級(jí)配盡可能的保持完整[2]。為此，對(duì)原路面的加熱進(jìn)行分級(jí)，明確每一級(jí)加熱的功能，就顯得十分重要。

在利用路面加熱機(jī)加熱舊路面過(guò)程中：第1級(jí)加熱系統(tǒng)的功能應(yīng)是對(duì)舊路面提供熱量，使舊路面的受熱表面的溫度在較短時(shí)間內(nèi)(不超過(guò)10 min)，從原始溫度升高至180 ℃左右，達(dá)到干燥路面，排除原路面表面及縫隙中水分的目的；第2級(jí)加熱系統(tǒng)的功能應(yīng)是對(duì)舊路面持續(xù)提供低熱源的熱量，在較短時(shí)間內(nèi)(≯10 min)，使熱滲透量達(dá)到最大。在保持舊路面表面溫度控制在180 ℃左右的同時(shí)，能夠?qū)⑴f路面表層4～5 cm內(nèi)的溫度控制在90 ℃以上；第3級(jí)加熱系統(tǒng)的功能應(yīng)是對(duì)舊路面持續(xù)提供低熱源的補(bǔ)充熱量，確保不同施工環(huán)境中，在保持舊路面表面溫度控制在180 ℃左右的同時(shí)，能夠?qū)⑴f路面表層內(nèi)4～5 cm處的溫度，持續(xù)、穩(wěn)定的控制在90 ℃以上。

在3級(jí)加熱中，最重要的是：經(jīng)過(guò)加熱，舊路面表面溫度控制在180 ℃左右，舊路面表層內(nèi)4～5 cm處的溫度，持續(xù)、穩(wěn)定的控制在90 ℃以上。

2 瀝青路面加熱理論計(jì)算

若將瀝青路面看成一個(gè)無(wú)限大的平板，溫度沿厚度方向變化，這樣對(duì)瀝青路面加熱可以看成導(dǎo)熱物體邊界上溫度或換熱情況的第三類邊界條件的一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題[1]，可以對(duì)瀝青路面的加熱溫度進(jìn)行理論計(jì)算。

2.1 路表面加熱溫度、時(shí)間及速度計(jì)算

選擇20，30，40，50 ℃這4種舊瀝青路表面原始溫度環(huán)境。設(shè)瀝青路面絕熱層厚度δ=5 cm；加熱時(shí)加熱板的長(zhǎng)度為L(zhǎng)=4.5 m；加熱機(jī)有前后兩個(gè)加熱室，工作時(shí)煙氣在瀝青路面的流速為u=22 m/s；煙氣平均溫度tw=550 ℃；瀝青路面加熱溫度t∞=180 ℃左右。

對(duì)邊界層類型的對(duì)流傳熱，規(guī)定采用邊界層中流體的平均溫度。平均溫度tm計(jì)算如式(1)[5]：

(1)

根據(jù)tm查得標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，煙氣的熱物性參數(shù)有：

導(dǎo)熱系數(shù)：λ0=5.27×10-2W/(m·k)

運(yùn)動(dòng)黏度：v=6.04×10-5m2/s

普朗特?cái)?shù)：Pr=0.64

又因?yàn)槠桨彘L(zhǎng)度：L=4.5 m，所以，其雷諾數(shù)為：

(2)

由于雷諾數(shù)5×105≤Re≤107。因而可以判定對(duì)流邊界層主體處于湍流流動(dòng)狀態(tài)[6]。得到平均換熱系數(shù)公式如式(3)：

(3)

式中：u∞為流體沿平板的流速；xc為層流向湍流過(guò)渡的臨界距離。

對(duì)式(3)進(jìn)行積分并簡(jiǎn)化：

(4)

設(shè)：Bi為比渥準(zhǔn)則數(shù)；λ為瀝青路面路面導(dǎo)熱系數(shù)，一般取2.28；δ為瀝青路面的最大加熱厚度，有[1]：

(5)

根據(jù)設(shè)定的工作環(huán)境(煙氣平均溫度550 ℃，瀝青路面加熱溫度180 ℃，瀝青路面絕熱層厚度5 cm，加熱時(shí)加熱板的長(zhǎng)度為4.5 m)，有：

再設(shè)：τ為加熱時(shí)間；x為某點(diǎn)到加熱表面中心的距離；t為加熱溫度；t0為加熱物體的初始溫度；t∞為加熱煙氣的溫度；θ為過(guò)余溫度(某點(diǎn)的加熱溫度與加熱煙氣溫度的差值)；θ/θm為無(wú)因次過(guò)余溫度；θ/θ0為表面上的無(wú)量綱過(guò)余溫度；θm/θ0為中心處的無(wú)量綱過(guò)余溫度；Fo為傅里葉系數(shù)，F(xiàn)o=ατ/δ2(α為瀝青混凝土熱擴(kuò)散系數(shù)，當(dāng)密度為2 350 kg/m3，平均比熱為950 J/kg·k時(shí)，α為0.672×10-6m2/s)。

這樣，平板中任意一點(diǎn)的θ/θ0值為：

(6)

根據(jù)郭小宏，等[1]及楊世銘，等[5]的介紹，利用圖1，則在瀝青路面表面：x/δ=1，查得θ/θm為0.75。

圖1 無(wú)限大平板的θ/θm曲線Fig.1 The θ/θm curve of the infinite plane

由文獻(xiàn)[1]知：

(7)

選擇20，30，40，50 ℃這4種舊瀝青路面表面原始溫度(T)，得：

所以，當(dāng)路面表面原始溫度為20 ℃時(shí)，若要讓瀝青路表面溫度達(dá)到180 ℃，則：

利用圖2，當(dāng)路面表面原始溫度為20 ℃時(shí)，F(xiàn)o=0.2；根據(jù)Fo=ατ/δ2，這時(shí)加熱路面表面至180 ℃需要的時(shí)間τ0為：

圖2 無(wú)限大平板中心溫度的諾謨圖Fig.2 The center temperature nomogram of infinite plates

若在加熱過(guò)程中，利用3臺(tái)加熱機(jī)共6個(gè)加熱室同時(shí)加熱，則這時(shí)加熱機(jī)的理論作業(yè)速度應(yīng)為：

同理，溫度為30 ℃時(shí)、Fo=0.13；溫度為40 ℃時(shí)，F(xiàn)o=0.07；溫度為50 ℃時(shí)，F(xiàn)o=0.04。

這樣加熱路面表面至180℃需要的加熱時(shí)間τ0和作業(yè)速度分別為：8.0，5.6，2.3 min與3.3，4.8，11.7 m/min。

將計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行整理得表1。

表1 路表面各參數(shù)要求

可以看出，當(dāng)路面表面原始溫度為表1所述時(shí)，3臺(tái)加熱機(jī)理論上應(yīng)按表1作業(yè)速度工作時(shí)，瀝青路面表面的溫度理論上才能穩(wěn)定在180 ℃。

2.2 路面表層內(nèi)4 cm處加熱溫度、時(shí)間及速度

筆者設(shè)定僅討論路表層內(nèi)4 cm處。同樣選擇20，30，40，50 ℃這4種舊瀝青路表面原始溫度環(huán)境。設(shè)路面絕熱層厚度δ=5 cm；加熱板的長(zhǎng)度為L(zhǎng)=4.5 m；加熱機(jī)有前后兩個(gè)加熱室，工作時(shí)煙氣的流速為u=22 m/s，煙氣平均溫度tw=550 ℃，瀝青路面加熱要求為溫度t∞=180 ℃左右。

根據(jù)2.1節(jié)的分析，當(dāng)路表面原始溫度環(huán)境為20 ℃，路表層以下4 cm處的溫度計(jì)算如下：

所以：tm=0.92×(20-550)+550=62.4(℃)。

即這時(shí)路表層以下4 cm處的溫度僅為62.4 ℃。

在舊路面的加熱分級(jí)與功能中，要求在保持舊路面表面溫度控制在180 ℃的同時(shí)，能夠?qū)⒚姹韺觾?nèi)4 cm處的溫度，持續(xù)、穩(wěn)定的控制在90 ℃以上，這顯然沒(méi)有達(dá)到要求。

同理，當(dāng)舊瀝青路表面原始溫度環(huán)境分別為30，40，50 ℃，將面表層內(nèi)4 cm處的溫度持續(xù)、穩(wěn)定的控制在90 ℃以上，所需要的加熱時(shí)間τ0和作業(yè)速度分別為：9.9，7.0，7.1 min與2.7，3.4，3.8 m/min。

將計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行整理得表2。

表2 路表面溫度在90、180 ℃時(shí)各參數(shù)要求

3 瀝青路面加熱的溫度梯度設(shè)置

由理論計(jì)算分析可以看出，加熱機(jī)工作時(shí)，要保證將面表面溫度控制在180 ℃、面表層內(nèi)4～5 cm處的溫度控制在90 ℃，在理論上存在有“兩難問(wèn)題”。

以2.2節(jié)討論的路表面原始溫度環(huán)境為20 ℃為例：① 當(dāng)面表面溫度控制在180 ℃時(shí)，面表層內(nèi)4 cm處的溫度為62.4 ℃，不滿足熱再生的工作要求；② 當(dāng)面表層內(nèi)4 cm處的溫度為90 ℃時(shí)，路面表面溫度達(dá)到195.8 ℃，也沒(méi)有滿足熱再生的工作要求。

將表1、表2的數(shù)據(jù)整理，得到表3。由表3數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論：在瀝青路面加熱中，若加熱機(jī)的作業(yè)參數(shù)設(shè)定一致，則在特定的施工環(huán)境溫度下，路面表面與表層內(nèi)4 cm處的加熱溫度，是無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。

表3路表面參數(shù)要求

Table3Parameterrequirementsofroadsurface

為了解決這一問(wèn)題，必須對(duì)加熱機(jī)加熱瀝青路面從工藝上進(jìn)行分析。從工藝上講，加熱分為3個(gè)相關(guān)的環(huán)節(jié)。瀝青路面加熱時(shí)，首先應(yīng)使舊路面在較短時(shí)間內(nèi)干燥、排除原路面表面及縫隙中水分；其次應(yīng)對(duì)舊路面持續(xù)提供熱量，使路面表層內(nèi)的熱滲透量達(dá)到最大，能夠?qū)⑴f路面表層4～5 cm內(nèi)的溫度上升到90 ℃以上；第三在保持舊路面表面溫度控制在180 ℃的同時(shí)，路面表層內(nèi)4～5 cm處的溫度能夠持續(xù)、穩(wěn)定的控制在90 ℃以上。每一工藝環(huán)節(jié)功能要求不同，自然對(duì)加熱機(jī)的加熱要求也不同，要求加熱機(jī)單位時(shí)間內(nèi)給單位面積的路面提供熱能強(qiáng)度也有強(qiáng)弱區(qū)別。鑒于這樣的分析，應(yīng)對(duì)舊路面的加熱進(jìn)行分級(jí)，對(duì)每一級(jí)的溫度梯度進(jìn)行設(shè)定。

根據(jù)依托工程的應(yīng)用研究情況，可以將瀝青路面的加熱分為3級(jí)。第1級(jí)加熱的目標(biāo)是干燥路面，排路表及縫隙中水分，加熱煙氣溫度保持在500～550 ℃，路表溫度在180～190 ℃之間，加熱時(shí)間控制在10 min內(nèi)；第2級(jí)加熱的目標(biāo)是使熱量在路表層內(nèi)的滲透量達(dá)到最大，這時(shí)加熱煙氣的溫度應(yīng)低于第1級(jí)，但要保持持續(xù)提供熱量并保持要求的加熱煙氣溫度，目的是能夠?qū)⑴f路面表層4～5cm內(nèi)的溫度上升到90 ℃左右；第3級(jí)加熱的目標(biāo)是使熱量在路表層內(nèi)的滲透量均勻，在保持舊路面表面溫度控制在180 ℃的同時(shí)，面表層內(nèi)4～5 cm處的溫度持續(xù)、穩(wěn)定在90 ℃以上，所以這時(shí)加熱煙氣的溫度應(yīng)低于第2級(jí)，保持持續(xù)提供熱量即可。

4 瀝青路面加熱中機(jī)械作業(yè)參數(shù)的控制與溫度梯度的實(shí)現(xiàn)

瀝青路面就地?zé)嵩偕┕ぶ?，加熱機(jī)時(shí)連續(xù)對(duì)舊路面進(jìn)行加熱，每一臺(tái)加熱機(jī)的作業(yè)參數(shù)在施工中保持穩(wěn)定。從整體上看，整個(gè)加熱過(guò)程，機(jī)械設(shè)備依次實(shí)現(xiàn)對(duì)路面的加熱，作業(yè)速度保持穩(wěn)定。

當(dāng)舊路面的加熱過(guò)程分為3級(jí)加熱時(shí)，可通過(guò)對(duì)相應(yīng)加熱機(jī)的作業(yè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確保每一級(jí)加熱功能與溫度梯度的實(shí)現(xiàn)。參數(shù)包括：加熱煙氣的溫度、加熱板與路面的間隙、加熱機(jī)的作業(yè)速度等。

對(duì)于熱風(fēng)循環(huán)加熱的設(shè)備而言，工作中加熱板與路面因?yàn)榧訜釤煔獾淖饔茫溟g隙變化對(duì)加熱影響不大。

由于3級(jí)加熱中每一級(jí)的加熱目標(biāo)與功能不同，而施工中設(shè)備的作業(yè)速度應(yīng)穩(wěn)定，所以，在加熱機(jī)作業(yè)速度調(diào)整并穩(wěn)定后，關(guān)鍵是調(diào)整每一級(jí)加熱中加熱機(jī)的煙氣溫度，加熱機(jī)工作中設(shè)備之間的距離，并以此來(lái)穩(wěn)定各級(jí)加熱的溫度梯度。

5 案例分析

某山區(qū)二級(jí)公路瀝青路面就地?zé)嵩偕┕ぶ校访娼Y(jié)構(gòu)為5 cm AC-16 + 7 cm AC-20，計(jì)劃實(shí)施就地?zé)嵩偕穆范渭s30 km。要求實(shí)施加熱時(shí)，保持舊路表面溫度180～190 ℃之間，加熱銑刨機(jī)工作后，銑刨面的溫度在80～90 ℃之間。

在施工時(shí)，將舊路面的加熱分為3級(jí)，采用的加熱機(jī)為熱風(fēng)循環(huán)式，加熱機(jī)工作中設(shè)備之間的距離保持在3～5 m，加熱深度5 cm，施工期間，路表溫度在30～40 ℃之間,天氣晴朗、微風(fēng)。具體作業(yè)參數(shù)的調(diào)整值和加熱效果如表4。

表4 作業(yè)參數(shù)的調(diào)整值和加熱效果

6 結(jié) 語(yǔ)

筆者通過(guò)舊瀝青路面加熱溫度及相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算，從理論上找出了就地?zé)嵩偕訜崧访嬗龅降摹皟呻y問(wèn)題”。解決這一“兩難問(wèn)題”的方法為：將加熱過(guò)程進(jìn)行分級(jí)。針對(duì)加熱工藝各環(huán)節(jié)加熱功能、相應(yīng)的溫度梯度與控制方法，指出：在特定施工環(huán)境中，通過(guò)調(diào)整加熱機(jī)的作業(yè)參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)各工藝環(huán)節(jié)加熱功能和相應(yīng)的溫度梯度控制，從而保證了舊瀝青路面的加熱質(zhì)量。

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