基于温度场的沥青路面就地热再生模拟分析及控制研究

基于温度场的沥青路面就地热再生模拟分析及控制研究

刘铭

岳阳市107国道养护中心 湖南 岳阳 414000

摘要：随着高速公路养护事业的不断发展，绿色养护理念的不断深入，沥青路面就地热再生技术应运而生。与传统的耙松重铺工艺相比，就地热再生技术具有旧料利用率高、施工速度快、对交通干扰小的优势，目前是一种发展迅速的旧沥青混合料再生利用技术。

 关键词：就地热再生；沥青路面；控制研究

0 引言 沥青路面就地热再生技术可处理多种病害， 实现 100%旧料再利用， 且施工速度快， 已经成为最佳路面养护技术之一。作为一种高度集成化施工技术，原路面的加热是就地热再生的关键一环。加热质量的好坏直接影响再生路面使用性能。目前而言，仍然没有可参考的指标和标准来评价加热质量，以规范加热过程；加热过程主要根据施工经验来 控制加热机组，容易造成加热质量较大波动；传统的间断多级加热方式仍然产生过加热现象，容易导致沥青过渡老化等问题。因此需要对就地热再生加热温度场展开研究。

1 就地热再生现场加热温度质量监控及评价

1.1沥青路面就地热再生多级加热及监控

由于沥青混合料较差的导热性及较大的比热， 沥青路面加热时， 沿深度方向存在较大温度梯度。若采用单台加热机对原路面进行连续集中加热至再生层层底温度达到90℃时，路表面温度很容易超过300℃，造成沥青二次老化，甚至焦化。目前，现场沥青路面就地热再生施工多采用多级加热的方式，就是将连续集中的加热模式分解为间断分散的加热模式，即采用多台加热机，按照前后顺序， 对路表依次进行加热，相邻机组保持一定间距，使得各加热机加热完毕后过高温度的路 表通过空气对流及热辐射方式向外界释放部分热量，达到冷却的目的， 避免形成连续集中的加热条件，防止路表出现过加热现象，剩余部分热量继续向下方传递，提高路面下部层位温度。在相邻加热机组之间，现场施工人员通过温度枪获取各阶段加热温度，监控各个加热机组温度是否达到要求。

2 沥青路面就地热再生加热质量评价指标

沥青路面就地热再生养护技术在我国已经实施多年，但是目前对就地热再生加热质量的评价并没有可以参考的指标及依据，仅仅依靠现场施工经验， 采用温度枪单点监控方式，对现场各加热阶段温度进行检测，判断温度是否达到要求。考虑到加热温度均匀性，加热效果及沥青老化等问题，分别提出三个评价指标：路表温度横向均匀性系数( Transverse uniformity,Tu )，路表温度代表值 ( Representative temperature, RT)，路表温度高于 200℃百分比(Proportion of temperature above 200℃, PTA200)。

2.1路表温度横向均匀性系数 Tu

为了对加热路表温度均匀性进行评价， 本文通过计算各个断面温度变异系数               (Coefficient ofVariance，CV)的平均值作为路表温度横向均匀性(Transverse uniformity， Tu ) 评价指标，变异系数可以消除数据的平均值及单位对数据离散程度的影响，考虑到路表纵向温度耗散，只计算加热路面横断面方向温度变异系数，计算公式如下：

CVi—第i个断面温度的变异系数，在加热机后 1m 内共取 100 个断面。

2.2路表温度代表值 RT

红外热像仪全路面温度监控能够直接获取整个路表温度，选取整个路表温度平均值作为加热效果的代表值，可以算出，在 4×1m2 区域内计算温度平均值，共有 40,000 个温度数据，相较于温度枪多点检测，可计算温度数据量大大提高。

Ti—第 i 个点温度。

2.3 路表温度高于 200℃百分比 PTA200

根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004) ，50 号沥青的混合料温度高于 200℃时， 沥青混合料应该废弃[34]。因此为了防止就地热再生加热机组温度过高而导致 沥青老化、焦化等现象，采用 200℃温度作为过加热判断依据 (对于其他类型沥青的混 合料可以选择不同的高温临界温度)，采用路表温度高于 200℃比例来评价各加热机组过加热，计算公式如下：

N—温度高于 200℃温度点数量。

3 就地热再生现场加热温度场模拟及优化控制

3.1沥青路面传热基本理论

热能传递可以归纳为三种基本形式：热传导、热对流与热辐射。在沥青路面就地热再生加热过程中，加热机组释放的热量通过热辐射及热对流热作用在路表面，其中对于明火加热及红外辐射加热机组，主要通过热辐射方式对路表进行加热，对于热风循环式加热机组，主要通过热对流方式对路表进行加热。路表温度升高，与下部路面结构存在温度差，热量通过热传导方式传递至下部。因此热传导发生在沥青路面表面及内部，而热对流及热辐射仅仅发生在沥青路面表面。

3.2 沥青路面传热模型建立

沥青路面各结构层是连续的，各向同性的均质材料。沥青路面在加热过程中， 材料不发生任何其他形式的变化，即热能与其他形式 的能量不会相互转化。沥青路面的热学物理参数不随温度而改变。温度在沥青路面同一深度方向不发生水平传递，即热传递只延深度方向。根据能量守恒定律，从沥青路面取出的六面体微单元，热流量的输入Ein、输出 Eout及微单元存储热能 Est 满足公式平衡关系。

(qx− qx+dx)dydz+ (qy− qy+dy) dxdz+ (qz− qz+dz)dxdy= ρcdxdydz

q—微单元表面的热通量，流入微单元为正，流出为负，W/m2；

ρ—微单元密度，kg/m3；

c—微单元比热容，J/(kg∙K)；

T—微单元温度，K；

dx，dy ，dz—微单元沿坐标轴长度，m；

t—时间，s。

3.3基于最小能耗的加热机组最优组合

就地热再生加热过程中路面温度场与加热机行走速度及加热功率有关。相同加热功率下， 加热机运行速度越慢， 持续加热路面某一个断面总时间越长， 路面温度越高，但由于加热时间的延长，加热机组消耗的燃料也越多；相同运行速度下，加热机的功率越大，相同时间内路表接受热流量越多， 路表温度越高， 但由于功率增加，加热机组消耗的燃料也越多。加热机行走速度受到工程进度及施工条件的限制，加热机行走速度太慢，不能按时完成路面养护工作，太快后续施工如耙松，复拌，摊铺等无法跟进，路面温度也不满足要求。因此一般现场施工过程中加热机的行走速度在 2-4m/min。而加热机功率与加热机本身设计有关。

4 就地热再生加热方式优化控制研究

4.1 连续恒温变功率加热控制方式

为避免路面结构上部尤其是路表面在整个加热过程中都会出现过加热现象， 针对连续恒定功率加热方式，优化为连续恒温变功率的加热方式，通过实时调节加热机辐射热流密度使得路表面温度始终保持在某一恒定值，从而有效避免连续性加热过程中容易出现的过加热现象。假设选择25000W/m2的热流密度作为初始恒定加热功率，持续加热路表，待路表温度达到190℃时，以190℃作为恒定温度持续加热路表。在加热初始阶段， 采用恒定热流密度 25000W/m2对路表进行加热，路面温度迅速升高，直至150秒时刻路表温度达到190℃。为了使得路表温度继续保持 190℃，在150s时刻， 路表热流密度持续降低，而此时路表温度始终保持在 190℃，直到1200秒时刻，再生层层底温度达到 90℃，满足了耙松温度的要求。

 4.2 间断感温恒功率加热控制方式

感温式间断加热是对间断恒定功率加热方式的一种优化，传统的间断恒定功率加热 仍然出现了路表温度过高的现象，这是由路表温度过高时，传统的间断加热方式并没有 及时暂停对路表的加热。 感温式间断加热是指当路表温度达到某一高温临界温度时，立即停止加热，使得过高温度的路表进行散热，当路表温度降低到某一较低临界温度时，立即进行加热，如此反复循化，直至再生层层底温度满足耙松的要求，此过程中路表温度将一直在高温临界值以下，避免了过加热现象的出现。

4.3连续恒温变功率加热控制方式离散化

由于加热机加热源由多块红外加热板组成，对于单块加热板而言，其辐射的热流密度大小是恒定的，而对于不同的加热板，其辐射的热流密度可以是不同的，通过控制不同位置加热板功率，使得路面温度始终保持在某一恒定温度。对连续恒温变功率加热进行离散化处理，使理想的热流密度变化曲线分散成几个恒定值后，仍能保持路表温度在某一恒定温度，以利于恒温加热方式在实际就地热再生施工中的应用。

4.4离散化恒温变功率分层加热分析

针对沥青路面较难加热现象，提出了分层加热的施工工艺，由于沥青路面加热过程中，上部层位温度总是高于下部温度，在加热过程中，上部层位温度优先达到耙松温度要求，此时优先对上部再生层进行耙松，然后再对下部层位继续进行加热，这种分层加 热的方式能够弥补沥青混合料导热性能差的缺点。

5.结语

明火加热及红外加热具有更好的加热效果， 但是易出现过加热现象， 加热温度 场均匀性不如热风循环式加热方式。 较高的路表温度及较差的温度均匀性更容易导致过加热发生， 特别是随着多级加热进行，路表温度升高，对温度横向变异系数Tu要求更加严格。当采用 200℃作为高温临界温度，为了避免过加热发生，控制 RT+RT×Tu 应该小于190℃。

传统的连续恒功率加热及间断恒功率加热方式仍然会产生过加热现象，连续 恒温变功率和间断感温恒功率两种加热方式虽然能够有效避免过加热现象， 但是在实际 加热机组中较难应用， 依据恒温加热思想， 将理想恒温热流密度曲线离散化为几个恒定值，仍然可以实现路表恒温加热，同时能够应用在现有加热机组。

6.参考文献

［1］ 施伟斌，张义甫． 沥青路面就地热再生技术研究与应用［M］． 2 版． 北京: 人民交通出版社股份有限公司，2019．

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［4］ 董 聪． 沥青路面加热过程和加热工艺仿真研究［D］． 西安: 长安大学，2019．

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