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瀝青混凝土路面微波養(yǎng)護(hù)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外研究現(xiàn)狀

1973年秋季，Bosisio等采用微波加熱技術(shù)修補(bǔ)了加拿大蒙特利爾和魁北克城之間的高速公路20km處的路面裂縫，取得了滿意的成果。

美國(guó)的HowardK.Long在1986年設(shè)計(jì)了微波除冰車及其除冰裝置。1987年，在美國(guó)聯(lián)邦公路局實(shí)施的公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃項(xiàng)目(SHRP)中，密歇根理工大學(xué)的JackMonson在道路除冰項(xiàng)目中提出微波除冰車的設(shè)計(jì)方案，但是因?yàn)樽铌P(guān)鍵的除冰速度太低的緣故，項(xiàng)目未能實(shí)施。

Al-Ohaly等在1988年研究了微波加熱對(duì)瀝青混合料性能的影響，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用微波處理瀝青混合料能改善瀝青與聚集料間的黏附力，并提高其抗水腐性能，這樣可保證路面修補(bǔ)的質(zhì)量。1989年，Osborne和Hutcheson提出在瀝青混合料中添加微波吸收性能較好的材料以改進(jìn)其組分，使得在使用微波修補(bǔ)路面病害時(shí)可以更好地恢復(fù)和改善路用性能。工業(yè)專用大功率磁控管結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難、成本昂貴，需要完善的保護(hù)裝置才能工作，因而沒(méi)有得到推廣應(yīng)用。

2005年，美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的Hopstock提出了將鐵燧巖礦石作為瀝青路面的面層材料，以提高路面表層的微波吸收能力，加速貼近路面的冰層融化，提高微波除冰的速度。美國(guó)明尼蘇達(dá)州的NRRI組織也因此將研究方向轉(zhuǎn)為研究吸收微波能力更強(qiáng)的路面材料，并計(jì)劃修筑“微波路”，用于路面快速微波修補(bǔ)和除冰。之后，國(guó)外的研究相對(duì)很少。

國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

2003年，北方交通大學(xué)的徐宇工等采用家用微波爐(Pout=800W，f=2.45G Hz)進(jìn)行了微波除冰室內(nèi)模擬試驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)了微波能夠透過(guò)冰層加熱路面，使接觸路面的冰層首先融化，從而驗(yàn)證了微波加熱技術(shù)可以用于清除道路冰雪。但其試驗(yàn)過(guò)于簡(jiǎn)單，且采用的是家用微波爐，屬駐波場(chǎng)諧振腔式微波加熱器，而在道路除冰時(shí)只能使用輻射場(chǎng)式微波加熱器，兩者之間差別較大，試驗(yàn)得出需要30s加熱時(shí)間的結(jié)論和實(shí)際相差較大。

從2004年開(kāi)始，原美的集團(tuán)下屬子公司佛山市威特公路養(yǎng)護(hù)設(shè)備有限公司進(jìn)入公路養(yǎng)護(hù)工程機(jī)械行業(yè)，聯(lián)合長(zhǎng)安大學(xué)和電子科技大學(xué)，對(duì)微波加熱瀝青混合料的特性及其影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)研究，對(duì)比了不同加熱方式對(duì)瀝青混合料路用性能的影響，為瀝青路面微波養(yǎng)護(hù)工藝的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)；解決了微波天線及天線陣列設(shè)計(jì)、微波屏蔽及泄漏檢測(cè)、水冷磁控管及加熱墻冷卻、車載高壓供電等技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了微波加熱技術(shù)應(yīng)用的突破。2004年，該公司開(kāi)發(fā)了WT5160TYHB型瀝青路面微波養(yǎng)護(hù)車，之后又陸續(xù)研制了微波綜合養(yǎng)護(hù)車CK5251TYA、風(fēng)馳CK5050TYHA、靈特CK5140TYHB、靈特CK-5050TYHB、靈特CK5050TYHB等系列產(chǎn)品。另外，對(duì)微波廠拌熱再生過(guò)程中的舊料輸送、攪拌、水汽處理、再生性能等方面做了探索性研究，研制了二級(jí)輸送加熱試驗(yàn)裝置。

研究成果被行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《瀝青道路微波養(yǎng)護(hù)車》(QC/T811-2009)、《綜合養(yǎng)護(hù)車術(shù)語(yǔ)》(JB/T5957-2007)、《道路施工與養(yǎng)護(hù)機(jī)械設(shè)備瀝青路面微波加熱裝置》、《道路施工與養(yǎng)護(hù)機(jī)械設(shè)備綜合養(yǎng)護(hù)車》采納，對(duì)推動(dòng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步有重要意義。

2012年，美的集團(tuán)因戰(zhàn)略調(diào)整停止了瀝青路面微波加熱應(yīng)用技術(shù)研究。2013年，江蘇威拓公路養(yǎng)護(hù)設(shè)備有限公司收購(gòu)了美的集團(tuán)旗下的江蘇淮安威拓公路養(yǎng)護(hù)設(shè)備有限公司，并開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了5160TYHB微波瀝青路面養(yǎng)護(hù)車；2017年7月，自主研發(fā)了“微波就地?zé)嵩偕绷熊嚒Ｔ摿熊嚥捎梦⒉訜峒夹g(shù)以及鷗翼式微波加熱墻，加熱寬度為3.7~4.0ｍ。湖南天立工程機(jī)械有限公司生產(chǎn)了TLWB1樣機(jī)，東風(fēng)特汽生產(chǎn)了EQ5120TYH立式微波坑槽養(yǎng)護(hù)車，陜西中霖瀝青路面養(yǎng)護(hù)科技有限公司生產(chǎn)了微波瀝青路面養(yǎng)護(hù)車，但均未形成規(guī)模。

成立于2017年6月的江蘇省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院道路工程技術(shù)與裝備研究所(由江蘇省產(chǎn)業(yè)研究院、徐州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、徐工集團(tuán)與核心團(tuán)隊(duì)共建)，從2018年開(kāi)始研制新一代瀝青路面微波養(yǎng)護(hù)車。采用了單發(fā)動(dòng)機(jī)、高頻開(kāi)關(guān)電源、變功率、高性能防微波泄漏、“一坑一檔”數(shù)字化智能管理系統(tǒng)等技術(shù)的JCM100W瀝青路面微波養(yǎng)護(hù)車在2018年11月的上海寶馬展會(huì)亮相。

該研究所之后研發(fā)了經(jīng)濟(jì)型JCM60W和JCM15W，用于小面積坑槽修補(bǔ)和井蓋更換維修。還有大型就地?zé)嵩偕⒉訜釞C(jī)JH450W，裝機(jī)功率574kW，加熱長(zhǎng)度9.0ｍ，加熱寬度1.2ｍ，加熱深度17ｍｍ，帶有輔助加熱諧振腔，加熱效率、均勻性、環(huán)保性都遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)形式。養(yǎng)護(hù)管理投稿交流推廣合作加微信627361748

同時(shí)建立了國(guó)內(nèi)更大的廠拌熱再生微波試驗(yàn)系統(tǒng)及不同功率大小的微波瀝青混合料試驗(yàn)組合系列裝置，用于試驗(yàn)研究不同天線陣列組合、移動(dòng)狀態(tài)、不同含水量、不同級(jí)配與不同密實(shí)度等條件下舊混合料的加熱效率、性能等。研制了適用于2000型和3000型瀝青拌合設(shè)備的JRP80型熱風(fēng)微波復(fù)合加熱RAP裝置。

2019年，JCM100Ｗ瀝青路面微波養(yǎng)護(hù)車在G1201吉林繞城高速豐滿段、湖南許廣高速長(zhǎng)沙段、湛江高速遂溪段、江肇高速、廣惠高速、北京西六環(huán)高速、南京江寧區(qū)國(guó)省干線公路等項(xiàng)目。

應(yīng)用，同時(shí)作為江蘇省2019年全省公路養(yǎng)護(hù)職業(yè)技能競(jìng)賽用設(shè)備。2019年在工程機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)列項(xiàng)的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)包括瀝青路面微波綜合養(yǎng)護(hù)車、瀝青路面微波綜合養(yǎng)護(hù)施工工法、瀝青路面熱風(fēng)微波復(fù)合加熱就地?zé)嵩偕┕すし?、熱風(fēng)微波復(fù)合加熱瀝青路面就地?zé)嵩偕鷱?fù)拌機(jī)組，前二項(xiàng)已在審查，后二項(xiàng)正在進(jìn)行中。集萃道路所在微波加熱基礎(chǔ)研究、材料、施工工藝、設(shè)備研發(fā)方面又將這一技術(shù)向前推進(jìn)了一大步，尤其是熱風(fēng)與微波復(fù)合加熱技術(shù)取得了重要進(jìn)展。

長(zhǎng)安大學(xué)郝培文教授等對(duì)比研究了不同加熱方式對(duì)瀝青混合料路用性能的影響，發(fā)現(xiàn)瀝青混合料經(jīng)微波加熱后在高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性等方面都有較好的表現(xiàn)，路用性能滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中的技術(shù)要求。微波加熱比其他加熱方式更適用于瀝青路面。

唐相偉在微波除冰技術(shù)方面做了比較深入系統(tǒng)的研究，并于2009年在其博士論文《道路微波除冰效率研究》中發(fā)表重要的研究結(jié)論。

(1)提出了以冰層和路面結(jié)合處溫度到達(dá)0℃的時(shí)間作為微波除冰效率的判定依據(jù)，給出了停止微波加熱的時(shí)刻。

(2)對(duì)微波頻率、微波電場(chǎng)強(qiáng)度、加熱模式及加熱墻波導(dǎo)口距路面高度進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：微波頻率對(duì)除冰效率的影響更大，增大微波頻率能夠有效提高除冰效率；間歇式加熱除冰效果優(yōu)于持續(xù)加熱，且每次間歇時(shí)間為10s時(shí)加熱除冰效果更好；在加熱結(jié)束30s左右除冰，效果更佳；同等條件下，通過(guò)增大微波電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)提高微波除冰效率作用不大；波導(dǎo)口加熱距離路面50mm時(shí)，除冰效率較高。

(3)研究了道路材料對(duì)除冰效率的影響，結(jié)果表明：水泥混凝土除冰效率是瀝青混凝土的3~4倍；鐵磁性道路材料能夠有效提高微波除冰效率，2.45G Hz微波加熱含40%磁鐵礦石骨料的瀝青混凝土比加熱不含磁鐵礦石骨料時(shí)的效率提高了7倍。5.8G Hz微波加熱磁鐵礦石體積比為1∶4瀝青混凝土?xí)r，除冰效率能夠滿足微波除冰工程應(yīng)用。

(4)對(duì)環(huán)境溫度、冰層雜質(zhì)、冰厚進(jìn)行了研究，仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明：環(huán)境溫度為-5℃時(shí)的除冰效率約是-20℃時(shí)的4.7倍；冰層底部存在土類雜質(zhì)有助于提升除冰效率；冰層厚度對(duì)除冰效率影響甚小，體現(xiàn)了微波除厚冰層的優(yōu)勢(shì)。

瀝青路面微波養(yǎng)護(hù)技術(shù)學(xué)術(shù)研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，在瀝青路面微波養(yǎng)護(hù)技術(shù)學(xué)術(shù)研究過(guò)程中，筆者搜索到在專業(yè)核心期刊、國(guó)際學(xué)術(shù)期刊中公開(kāi)發(fā)表的研究論文145篇，包括微波加熱相關(guān)設(shè)備研究、微波技術(shù)應(yīng)用、材料性能研究、微波除冰技術(shù)研究[1-145]。

先后有博士后1人、博士生9人、碩士生57人分別完成相關(guān)的論文，他們?cè)谖⒉訜釣r青路面再生機(jī)理、建模、養(yǎng)護(hù)、關(guān)鍵技術(shù)、仿真、數(shù)值模擬、坑槽修補(bǔ)裝備與工藝、連續(xù)式再生加熱拌合設(shè)備與工藝、路用性能、吸波材料、吸波效率、微波防泄漏技術(shù)以及除冰雪方面做了大量的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究[146-212]，推動(dòng)了微波理論、瀝青路面材料、微波加熱設(shè)備設(shè)計(jì)與制造、施工工藝等的發(fā)展。

微波加熱的基本原理與特點(diǎn)

微波加熱的介質(zhì)按照電結(jié)構(gòu)可以分為極性分子介質(zhì)和非極性分子介質(zhì)。當(dāng)把極性分子介質(zhì)置于微波場(chǎng)中時(shí)，在電磁場(chǎng)的作用下，介質(zhì)材料中會(huì)形成偶極子或已有的偶極子重新排列，并隨著高頻交變電磁場(chǎng)以每秒高達(dá)數(shù)億次的速度擺動(dòng)。

分子要隨著不斷變化的高頻電場(chǎng)的方向重新排列，就必須克服分子原有的熱運(yùn)動(dòng)和分子相互作用的干擾和阻礙，產(chǎn)生激烈的摩擦，在這一微觀過(guò)程中，微波能量轉(zhuǎn)化為介質(zhì)的熱量，宏觀的表現(xiàn)就是介質(zhì)溫度升高。

微波加熱有其自身獨(dú)有的一些特點(diǎn)。

(1)即時(shí)性。微波在加熱介質(zhì)物料時(shí)具有即時(shí)性。只要有微波輻射，物料即刻被加熱，反之，物料就因?yàn)榈貌坏轿⒉芰慷⒓赐Ｖ股郎??？梢允刮锪显谒查g得到或失去熱量來(lái)源，表現(xiàn)出對(duì)物料加熱的無(wú)惰性。

(2)整體性。微波是一種穿透力很強(qiáng)的電磁波，頻率為915M Hz的電磁波的波長(zhǎng)可達(dá)到320mm，能夠穿透物體，使物體內(nèi)、外部幾乎同時(shí)加熱升溫，形成體熱源狀態(tài)，節(jié)省了常規(guī)加熱方式的熱傳導(dǎo)過(guò)程所需的時(shí)間，且在介質(zhì)損耗因數(shù)與溫度呈負(fù)相關(guān)的條件下，物料內(nèi)外加熱均勻一致。

(3)選擇性。并非所有介質(zhì)都能使用微波加熱，介質(zhì)吸收微波的能力主要由介質(zhì)損耗因數(shù)決定。不同的介質(zhì)由于自身介電特性的差異，對(duì)微波的吸收能力存在相當(dāng)大的差別，因此，微波加熱表現(xiàn)出選擇性加熱的特點(diǎn)。

(4)高效性。在常規(guī)加熱中，設(shè)備預(yù)熱、輻射熱損失和高溫介質(zhì)熱損失在總能耗中占據(jù)了相當(dāng)大的比例。由于微波加熱是電磁能量以波的形式滲透到介質(zhì)內(nèi)部，使介質(zhì)損耗而發(fā)熱，不需要經(jīng)過(guò)傳導(dǎo)，并且不需要高溫介質(zhì)來(lái)傳熱。設(shè)備殼體的金屬材料是微波反射型材料，只能反射而不能吸收微波，因此，設(shè)備的熱損失僅占總能耗的極少部分。絕大部分的微波能量最終被介質(zhì)吸收，并轉(zhuǎn)化為溫度升高所需的熱量，表現(xiàn)出微波能量利用的高效性。

微波應(yīng)用器與頻率的選用

駐波場(chǎng)式應(yīng)用器，又稱為諧振腔式應(yīng)用器，是一種應(yīng)用最廣泛的應(yīng)用器形式。這類應(yīng)用器實(shí)際上就是一個(gè)尺寸特定的空心金屬箱，輸入微波在箱內(nèi)壁間多次反射疊加后形成駐波場(chǎng)，微波經(jīng)箱壁反射通過(guò)介質(zhì)而被介質(zhì)吸收，場(chǎng)強(qiáng)幅度降低，經(jīng)多次反射后被介質(zhì)耗盡。

駐波場(chǎng)式應(yīng)用器最明顯的特點(diǎn)就是具有諧振性(或稱頻率選擇性)，即只在某些特定頻率上，才能在其中建立很強(qiáng)的駐波場(chǎng)。這些特定的頻率稱為諧振頻率，它與箱體形狀、尺寸以及其中的物料形狀、尺寸和介電常數(shù)等因素有關(guān)。一個(gè)棱長(zhǎng)分別為a、b、d的矩形箱，空載時(shí)的諧振頻率為

駐波場(chǎng)式應(yīng)用器的效率由箱體是否和傳輸線匹配決定，匹配就意味著能量全部被物料吸收；不完全匹配時(shí)，部分能量就會(huì)反射回微波發(fā)生器，造成效率低下，甚至產(chǎn)生打火。

駐波場(chǎng)式應(yīng)用器依據(jù)腔體內(nèi)微波模式的多寡，可以分為單模腔應(yīng)用器和多模腔應(yīng)用器。單模腔應(yīng)用器需要在一個(gè)很窄的頻帶內(nèi)才能維持較高的工作效率，且體積小，缺乏多模腔應(yīng)用器或行波場(chǎng)式應(yīng)用器的靈活性，故在工業(yè)生產(chǎn)中很少應(yīng)用。多模腔應(yīng)用器既可以以一個(gè)多模腔為基礎(chǔ)，做成適宜于批量處理產(chǎn)品的家用或工業(yè)用微波爐，又可以由若干個(gè)多模腔組成能連續(xù)處理物料的隧道式微波能加熱設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。

輻射場(chǎng)式應(yīng)用器以被加熱的對(duì)象為目標(biāo)，將微波能量向空間輻射。由于輻射式微波應(yīng)用器將微波能量全部投放空間，微波能量很難被加熱對(duì)象全部吸收，常常散射、殘留于空間，非但浪費(fèi)能量，而且有可能造成微波泄露，因此工業(yè)領(lǐng)域一般不采用輻射場(chǎng)式應(yīng)用器。在設(shè)計(jì)和使用這類應(yīng)用器時(shí)，應(yīng)盡量注意使輻射的微波波束集中于被照射的對(duì)象，并采取必要的防護(hù)措施。此外，利用匯聚式輻射器可將微波能量聚焦到一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)，從而得到強(qiáng)場(chǎng)高溫，可以用來(lái)破碎巖石或混凝土。

選擇什么結(jié)構(gòu)形式的微波應(yīng)用器，主要取決于被加工物料的形狀、結(jié)構(gòu)、介質(zhì)特性、數(shù)量和生產(chǎn)流程，同時(shí)也要考慮到被加工物料的物理特性及加工要求等因素。養(yǎng)護(hù)管理投稿交流推廣合作加微信627361748例如，薄片狀物體應(yīng)選用行波場(chǎng)式應(yīng)用器，塊狀材料適合采用諧振腔式應(yīng)用器，對(duì)于生產(chǎn)量大的塊狀、顆粒狀且需要連續(xù)加熱的物料，則應(yīng)選用由幾個(gè)多模腔串聯(lián)組成的隧道式應(yīng)用器，從而得到均勻的加熱處理。輻射場(chǎng)式應(yīng)用器除廣泛地應(yīng)用于各種理療和熱療之外，也可用于對(duì)大面積物料的照射，或匯聚微波能量，對(duì)巖石和混凝土等物質(zhì)進(jìn)行破壞。

目前全球開(kāi)放的微波ISM頻段在各國(guó)的規(guī)定并不統(tǒng)一，普遍采用的有433.92(±0.2%)M Hz、915(±13)M Hz、2450(±50)M Hz、5800(±75)M Hz、24125(±125)M Hz，俄羅斯和東歐采用2375(±50)M Hz。

微波頻率與功率的選擇可根據(jù)被加熱材料的形狀、材質(zhì)、含水率而定。提高微波頻率可以提高單位時(shí)間、單位體積內(nèi)產(chǎn)生的熱量以及在相同熱容量和散熱條件下的溫升；在相同的場(chǎng)強(qiáng)下，采用頻率5.8G Hz的單位體積內(nèi)吸收的微波功率要比2.45G Hz高2.37倍。目前國(guó)際上微波加熱領(lǐng)域普遍使用的頻率是915M Hz和2.45G Hz兩個(gè)頻段。

915M Hz頻率微波的加熱特點(diǎn)是輸出功率大、效率高、穿透深度大，但其微波發(fā)射源及電源的使用、維護(hù)成本較高，主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域；2.45G Hz頻率微波以往被廣泛應(yīng)用于家用領(lǐng)域，其加熱效果適中，維護(hù)成本低，目前也得到了工業(yè)領(lǐng)域的認(rèn)可，被越來(lái)越多的工業(yè)微波設(shè)備采用。5.8G Hz頻率的微波是微波能應(yīng)用領(lǐng)域的新貴，目前多用于通信和測(cè)量；德國(guó)利恒熱工有限公司的2.45/5.8G Hz雙頻微波燒結(jié)爐，是其在加熱領(lǐng)域的一個(gè)應(yīng)用例子。

微波加熱瀝青混凝土電磁熱模型

在建立微波加熱瀝青混凝土熱電耦合模型時(shí)，選取瀝青混凝土介電常數(shù)和比熱容作為溫變參數(shù)，而認(rèn)為其余屬性參數(shù)是不變的常量。

假設(shè)微波沿通常的z傳播方向進(jìn)入瀝青混凝土，則可建立一個(gè)單位時(shí)間和單位體積內(nèi)的一維熱傳導(dǎo)方程，即

建立二維非線性熱電耦合模型，即二維熱傳導(dǎo)方程式。

針對(duì)微波透射瀝青混凝土路面時(shí)的一個(gè)加熱單元，研究微波對(duì)單元瀝青混凝土進(jìn)行加熱時(shí)的電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)值的分布情況。只要所取的微單元足夠小，就可以認(rèn)為從喇叭口面上的點(diǎn)向微單元透射的微波是平面波，得出三維熱傳導(dǎo)方程。

用于加熱瀝青混合料和除冰相關(guān)材料的介電常數(shù)

根據(jù)微波加熱理論，任何一種物質(zhì)在微波電磁場(chǎng)作用下，物料中單位體積內(nèi)的功率耗散(即損耗于物料中的功率密度)都可以根據(jù)式(5)計(jì)算出來(lái)。

瀝青的介電常數(shù)ε′只有2.5~2.8，衰耗角正切tanδ也僅為0.001，因此瀝青自身并不能吸收微波產(chǎn)生的熱量，微波對(duì)瀝青沒(méi)有加熱效果。微波對(duì)瀝青混合料的加熱實(shí)質(zhì)上是對(duì)瀝青混合料中骨料的加熱，骨料在溫度上升后通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式對(duì)瀝青進(jìn)行加熱，從而達(dá)到整體加熱瀝青混合料的目的。這種加熱方式不僅可以避免瀝青由于被過(guò)度加熱而導(dǎo)致老化和加熱不均，還可以有效避免由于瀝青組分揮發(fā)而造成的環(huán)境污染問(wèn)題。瀝青及瀝青混合料的電介質(zhì)特性。

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