DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.04.027

沥青路面就地热再生加热方式

李旋¹，马登成^{1, 2}，杨士敏¹

 (1. 长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安，710064；

2. 徐州工程机械集团 道路机械事业部，江苏 徐州，221006)

摘要：为了提高沥青路面就地热再生加热质量和加热效率，基于传热学原理和有限元方法，利用有限元软件ANSYS对沥青路面加热过程进行数值模拟。分析不同红外辐射加热方式对沥青路面温度场的影响，对比研究热风加热和红外辐射加热的性能，提出一种合理的间歇式红外辐射加热工艺。研究结果表明：红外辐射加热具有较高的加热效率，但连续加热容易引起路面起火焦化，采用间歇式红外加热工艺可以得到较好的加热效果，同时还可降低能源消耗；不同的间歇加热方式对沥青路表温度的影响较大，在间歇式加热过程中应尽量使沥青路表每次出现的温度波峰值相接近，这样可以有效地降低加热过程中沥青路面表层的最高温度；采用热风加热路面不易发生老化现象，但加热时间相对较长，影响施工速度。

关键词：沥青路面；温度场；有限元；红外辐射加热；热风加热

中图分类号：U416.26             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)04-1290-07

Heating method for in-place heat recycling of asphalt pavement

LI Xuan¹, MA Dengcheng^{1, 2}, YANG Shimin¹

 (1. Key Laboratory for Highway Construction Technology and Equipment of Ministry of Education,

Chang’an University, Xi’an 710064, China;

2. Business Department of Road Machinery, XCMG, Xuzhou 221006, China)

Abstract: In order to improve the heating efficiency and characteristics of in-place heat recycling of asphalt pavement, numerical simulation of the heating process of asphalt pavement was carried out with the finite element software ANSYS based on the principle of heat transfer and the method of finite element. The influence of different infrared radiation heating methods on the temperature field for asphalt pavement was analyzed. The performance of hot-air heating and infrared radiation heating was compared. A rational heating process of intermittent infrared radiation was proposed. The results show that the infrared radiation heating is efficient, while continuous heating will cause the asphalt pavement on fire, and this phenomenon can be avoided by the process of intermittent infrared radiation, what’s more, the process will also reduce energy consumption. The influence of intermittent infrared radiation heating method on the temperature for the surface of asphalt pavement is obvious. Making the value of temperature wave approximate in the process of intermittent heating, the maximum temperature of the asphalt pavement surface can be reduced visibly. The aging performance of asphalt pavement is seldom by the process of hot-air heating. However, the method of hot-air heating will take larger more time.

Key words: asphalt pavement; temperature field; finite element; infrared radiation heating; hot-air heating

路面在使用过程中，由于气象环境与交通载荷等各方面的综合作用，沥青路面会出现各种损坏现象。为了保证路面的路用性能，对路面进行养护显得尤为重要^[1-2]。在沥青路面的翻修过程中会产生大量的废旧沥青混合料，废旧沥青料有一定的使用价值，若直接丢弃，则不仅会造成严重的资源浪费，而且不利于对生态环境的保护^[3]。沥青路面就地热再生具有节约材料、相对于其他养护方式更加经济环保、施工速度快、无需运输卡车等优点，该技术的应用是保护环境、重复利用资源的“可持续发展”战略在公路建设中的具体体现^[4-6]。沥青路面就地热再生时，路面的预热效果与路面的铣刨以及拌合工艺密切相关，因此，路面的预热效果是影响沥青路面养护质量的重要因素^[7]。另外，路面的预热时间是影响沥青路面就地热再生施工速度的关键因素。路面的加热质量和加热效率仍然是影响沥青路面就地热再生施工质量和速度的主要因素，为此，本文作者从加热方式方面考虑，通过建立沥青路面分析模型，利用有限元软件ANSYS对沥青路面加热过程中的温度场进行数值模拟^[8-10]。分析不同红外辐射加热方式对沥青路面加热效果的影响，将热风加热和红外辐射加热的加热性能进行对比，寻求其合理的加热方式，以便为路面养护工程中采用合适的加热方式提供理论依据。

1  模型建立与参数设置

1.1  沥青路面结构

以典型的半刚性基层沥青路面结构为研究对象，路面结构如表1所示^[11]。从路表到路基各层的路面材料结构分别为沥青磨耗层AK-16、沥青混凝土AC-20、沥青混凝土AC-25、水泥稳定碎石、石灰土、土基。

1.2  有限元模型

沥青路面的加热温度场分布沿着加热板的宽度方向和长度方向具有对称性，为了减少计算量，将三维模型简化为二位模型。建立二维平面模型对沥青路面温度场进行分析求解，模型的水平宽度为1 m。采用PLANE55单元，水平方向网格尺寸为2 cm，竖直方向沥青层网格尺寸为0.5 cm，基层网格尺寸为1 cm，土基网格尺寸为2 cm(其中对网格划分进行了无关性验证，发现在此基础上进一步细化网格后的计算结果变化很小)。对于红外辐射加热还需建立加热板模型，由于加热板和沥青路面的辐射传热过程不是封闭系统，因此，还需建立空间节点，空间节点采用SURF151单元。红外辐射的网格模型如图1所示。

表1  半刚性基层沥青路面结构

Table 1  Structure of semi-rigid asphalt pavement

图1  沥青路面红外辐射加热网格模型

Fig. 1  Mesh model of asphalt pavement with infrared radiation

1.3  参数设置

沥青混合料的热物参数随着温度的变化而变化，若所有参数设置都随着温度不断变化，则整个数值计算过程将变得过于复杂。鉴于整个加热过程中沥青材料层的比热和密度变化不大，在计算过程中，将沥青材料层的比热和密度视为常数，沥青材料层的导热系数采用分段线性函数的方法定义。沥青路面各结构层热物特性参数如表2所示^[12-13]，沥青材料层在20，40，60，80，100，120，140，160和大于160 ℃时的导热系数分别设定为1.07，1.25，1.59，1.95，2.07，2.15，2.32，2.52和2.52 W/(m·K)^[14]。沥青路面发射率^[15]ε₁=0.9，红外辐射加热板发射率ε₂=0.92，空间节点发射率ε₃=1，空间节点温度、大气温度和沥青路面初始温度均为20 ℃，大气与路面之间的对流换热系数h=20 W/(m²·K)，Stefan-Boltzmann常数σ=5.67×10^-8 W/(m²·K⁴)，采用热风加热时热风的温度为500 ℃。

表2  沥青路面热物理参数

Table 2  Thermal physical parameters of asphalt pavement

2  沥青路面温度场数学模型

2.1  边界条件

采用红外辐射加热方式时，沥青路面与外界的热交换包括^[16]路面与大气的对流换热、路面与大气之间的辐射换热、太阳辐射以及红外加热板与路面之间的辐射换热。考虑到整个辐射传热过程不是一个封闭系统，需建立空间节点，通过建立AUX12辐射矩阵对整个辐射传热过程进行分析求解。采用热风加热方式时，沥青路面与外界的热交换方式有路面与大气的对流换热、路面与大气之间的辐射换热、太阳辐射以及烟气与路面之间的对流换热。

2.2  平面温度场数学模型

从热量传递的机理上说，分为3种基本热传递方式，即热传导、热对流和热辐射。沥青路面的加热过程中包含这3种传热方式。根据传热学基本原理平面温度场热传导方程可由下式表示^[17]：

         (1)

式中：ρ为沥青路面层密度；c为沥青路面层比热容；T为沥青路面温度；t为热传导持续的时间；k为材料导热系数。

对于红外辐射加热沥青路面，由太阳辐射、空气对流、红外辐射、空气辐射产生的热交换可由下列矩阵式表示：

        (2)

式中：q为沥青路面边界热流密度；；n_x和n_y为法线的方向余弦；h_c为对流换热系数；h_r为辐射换热系数；T_r为沥青路面温度；T_a为大气温度；α_s为太阳辐射吸收系数；I_s为沥青路面边界太阳辐射强度；α_h为红外辐射吸收系数；I_h为沥青路面边界红外辐射强度。对于热风加热沥青路面，由太阳辐射、空气对流、烟气对流、空气辐射产生的热交换可由下列矩阵式表示：

 (3)

式中：T_g为烟气温度。有限元瞬态温度场微分控制方程由下式表示：

            (4)

式中：[K]为热传导矩阵；[C]为比热容矩阵；T为沥青路面温度；{Q}为施加的热载荷矩阵；δ为迭代控制系数；t为时间；Δt为时间增量。

3  沥青路面红外加热温度场数值模拟及分析

3.1  沥青路面红外加热温度场数值模拟

鉴于沥青路面加热过程的实际工况，对沥青路面温度场求解时提出以下假设：

1) 沥青路面各层是结构均匀连续的各项同性体。

2) 各结构层之间接触紧密，忽略各结构层之间的接触热阻。

3) 不考虑温度变化对各层材料比热和密度的影响。

4) 在加热过程中，忽略太阳辐射对沥青路面温度场的影响。

分析研究不同红外辐射加热控制方式对沥青路面温度场的影响，红外辐射加热时间控制方式如表3所示。间歇式加热方式采用的流程为“首次加热→停止加热→循环加热→停止加热→循环加热→…→停止”，其中常用的是间隙式加热方式1，其规律为：首次加热时间为40 s，循环加热时长从30 s开始(即第2次加热时长为30 s)，以后每循环3次加热时长缩短5 s(即第5次加热时间为25 s，第8次加热时间长20 s，依此类推）。间歇式加热方式2是本文新提出的一种间歇式加热方式，间歇式加热方式3和4的加热方式与方式1和2的类似，仅点火和熄火时间不同。4种间歇式加热方式总的加热时间均为280 s，耗时720 s，持续式加热的总加热时间为540 s，耗时540 s。采用有限元分析软件ANSYS，通过编写APDL语言和采用TABLE表载荷加载的方式实现间歇式加热，建立AUX12辐射矩阵对整个辐射传热过程进行分析求解，探讨不同红外加热控制方式对沥青路面加热效果的影响。

表3  红外辐射加热时间控制方式

Table 3  Time control mode of infrared radiation heating                          s

3.2  红外加热结果分析

由于红外线波长较短的部分难以渗透到沥青路面深层，而沥青混凝土又是热的不良导体，在加热过程中，沥青路表面温度在短时间内会急剧升高，甚至会造成沥青路面焦化起火，而路面深层未达到施工要求的温度。采用间歇式加热工艺，同时必须合理选择加热时间，可有效提高沥青混合料受热均匀性。间歇式加热方式的时间控制对沥青路面加热效果的影响起关键作用，对持续式加热和不同的间歇式加热方式进行数值计算，选取模型水平方向正中部位作为研究对象，计算结果如图2~4所示，其中h为距离路表面的深度(不包括靠近边界的点)。

图2和图3所示分别为2种不同间歇式加热方式对沥青路面加热12 min路面的温度变化情况。从图2可以得出采用第1种较常用间歇式加热方式对沥青路面进行加热时沥青路表的最高温度达到296.8 ℃。从图3可以看出：采用本文新提出的间歇式加热方式对沥青路面进行加热时沥青路表最高温度为279.9 ℃，与第1种间歇式加热方式相比，路表的最高温度下降15.9 ℃，降低路面加热过程所出现的最高温度可有效地降低混凝土的老化情况。

图2  间歇式红外加热方式1的沥青路面温度

Fig. 2  Temperature of asphalt pavement under intermittent infrared radiation heating mode 1

图3  间歇式红外加热方式2的沥青路面温度

Fig. 3  Temperature of asphalt pavement under method 2 of intermittent infrared radiation heating mode 2

图4所示为对沥青路面连续加热9 min路面的温度变化情况。从图4可以看出：加热9 min后沥青路表温度高达445.9 ℃，离路表4 cm深层的温度达130 ℃。虽然深层到达了施工所要求的90 ℃以上，但沥青的起火温度一般为300 ℃，表层的温度已远远超出沥青的起火温度，而且从路表到深层2 cm处的混凝土温度均超过了200 ℃(一般沥青的老化温度为190 ℃)，路面的加热质量较差，加热后大部分沥青混凝土可能被烤焦或老化。比较间歇式红外加热方式2(见图3)，在加热过程中，路表面的最高温度在300 ℃以下，路面未出现起火焦化现象，离路表0.5 cm的混凝土最高温度只有200 ℃左右，说明只有路表面的少部分沥青混凝土会老化，路面加热质量较好；此外，离路表4 cm深层的温度也达到施工所要求的90 ℃。从节能方面考虑，虽然持续式加热的总耗时更短，但是持续加热的点火加热时间为9 min，间歇式加热点火总的加热时间只有4.67 min(见表3)，减少了将近一半的点火加热时间。因此，采用间歇式加热在提高沥青路面加热效果的同时还大大降低了能源消耗，达到了节能的目的。

图5所示为不同间歇加热方式每次点火加热结束时沥青路表面对应出现的温度波峰值。观察间歇式加热过程中沥青路表面每次出现的温度波峰值的波动情况可以发现：路表温度波峰值的波动越小，在整个加热过程中沥青路表面所达到的最高温度越低，因此，采用间歇式加热工艺时路表面每次出现的温度波峰值越接近，沥青路面的加热效果越好，在间歇式加热过程中，要尽量保证点火加热结束时沥青路表所出现的最高温度相接近，这样可以有效地降低在整个加热过程中沥青路表面的温度。

图4  持续式红外加热沥青路面温度

Fig. 4  Temperature of asphalt pavement under continuous infrared radiation heating

图5  不同间歇式加热过程中沥青路表出现的温度波峰值

Fig. 5  Temperature wave of asphalt pavement surface in process of different intermittent heatings

4  沥青路面热风加热与红外加热对比分析

热风循环加热方式是通过燃烧燃料油对空气加热，然后通过循环装置使热空气不断地进行循环而对地面进行加热的方法。对热风加热沥青路面的加热过程进行数值模拟，选取模型水平方向正中部位作为研究对象计算模拟结果如图6所示。分别对不同加热方式加热终了时沥青路面的温度沿深度方向的温度变化情况进行分析，结果如图7所示。

图6  热风加热沥青路面加热效果

Fig. 6  Heating effect of asphalt pavement with hot-air heating

从图6可以看出：采用热风对沥青路面加热23 min(即1 380 s)后沥青路面表层温度达到189.3 ℃，离路表4 cm深层的温度达到91 ℃。将图3和图6进行对比可以发现：采用热风加热沥青混凝土一般不会出现老化现象(路表面最高温度未超过一段沥青的老化温度190 ℃)，更不会出现因路面温度过高而引起的起火焦化现象，且距离路表4 cm深层的温度也达到了施工要求，克服了红外加热少部分混凝土出现老化现象的不足。然而，采用热风加热需23 min沥青路面才基本达到施工要求，采用红外加热只需12 min即可达到施工要求，热风加热需耗费更多的时间，这对施工速度影响较大。

根据图7可以得出连续红外加热路表至1 cm深层的混凝土均会发生起火焦化现象，从1 cm深层至2 cm深层的混凝土温度均超过了200 ℃，说明这些区域的混凝土均会出现老化现象。路面加热质量较差，这种加热方式不可取。采用合理的间歇式红外加热，路面1 cm深层混凝土温度明显低于200 ℃，说明只有路面表层的少一部分混凝土由于温度过高会出现老化现象，加热深度可达4 cm，即沥青路面4 cm深处温度达到90 ℃。采用热风加热混凝土一般不会出现老化现象，加热深度可达4 cm，适当延长加热时间加热深度可达5~6 cm。

图7  不同加热方式沥青路面沿深度方向的温度

Fig. 7  Temperature of asphalt pavement along depth direction with different heating methods

为了进一步全面对比分析热风加热与红外加热对沥青路面加热效果的影响，选取沥青路面的磨耗层作为研究对象，分析加热结束后磨耗层的温度场分布情况。图8所示为热风加热磨耗层的温度云图。从图8可以看出整个磨耗层的最高温度为189.34 ℃，最低温度为90.415 ℃。图9所示为间歇式红外加热磨耗层的温度分布云图。从图9可以看出磨耗层的最高温度达到275.078 ℃，磨耗层边缘2个底角的温度最低，只有61.512 ℃，路面中间部位的温度比两端的高。这是由于采用红外加热沥青路面时，路面中间部位红外辐射强度更大。对比2种加热方式磨耗层的温度云图可以发现：相对红外辐射加热方式热风加热方式加热更均匀，温度梯度更小且路面不易出现老化现象。

图8  热风加热沥青路面磨耗层温度云图

Fig. 8  Temperature cloud figure of asphalt pavement wearing surface with hot-air heating

图9  间歇式红外加热沥青路面磨耗层温度云图

Fig. 9  Temperature cloud figure of asphalt pavement wearing surface with intermittent infrared radiation heating

5  结论

1) 连续式红外加热会导致沥青路面出现起火焦化现象，且大部分沥青混凝土会由于温度过高而老化。

2) 采用间歇式红外加热工艺可有效防止沥青路面的起火焦化现象，且只有少部分沥青混凝土会出现老化现象，提高了沥青混合料受热均匀性。此外，采用间歇式加热所需的点火加热时间更少，在提高沥青路面加热质量的同时还大大降低了能源消耗，达到了节能的目的。

3) 采用间歇式红外加热的过程中，沥青路表温度波峰的波动越小，沥青路表面的最高温度越低。因此，采用间歇式加热工艺时，应合理选择加热时间，尽量使沥青路表每次出现的温度波峰相接近，这样可以有效地降低加热过程中沥青路面表层的最高温度。采用本文新提出的间歇式加热方式相比常用的间歇式加热方式路表的最高温度下降15.9 ℃，在一定程度上提高了路面的加热效果。

4) 采用红外加热时，沥青路面中间部位的温度比两端的高，这是由于路面中间部位红外辐射强度更大。热风加热克服了红外加热少部分混凝土出现老化现象的不足，加热更均匀，温度梯度更小，但采用热风加热相同深度的沥青路面耗时是红外加热的2倍多，这对施工速度影响较大。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2015-04-10；修回日期：2015-06-12

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(11202036)；中央高校基金(创新团队)资助项目(2014G3252006)；陕西省重点实验室开放基金资助项目(2013G1502059)(Project (11202036) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2014G3252006) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities; Project (2013G1502059) supported by the Key Laboratory Program of Shaanxi Province)

通信作者：李旋，博士研究生，讲师，从事工程机械理论及作业质量控制研究；E-mail：lixuan_78l@163.com