微波敏感型沥青再生剂在坑槽修补中的应用*

李永翔 李 军 于 敏 李 伟

(内蒙古路桥工程技术检测有限责任公司1) 呼和浩特 010050) (内蒙古自治区道路材料循环利用与养护工程技术研究中心2) 呼和浩特 010050)

坑槽是沥青路面的常见病害，对行车安全尤其是高速公路上的行车安全影响较大.目前常用的坑槽修补方法有两种[1-3]：①热补法，采用热拌沥青混合料进行坑槽修补，热料的来源有后场拌和、就地再生、加热车加热等；②冷补法[4-6]，主要通过冷补料对坑槽进行修补.但两种方法都不同程度的存在缺陷，如热补法采用后场拌合获取热料时，需要坑槽修补量达到一定规模才适用，往往导致坑槽修补不及时；就地热再生虽然解决了修补及时性问题，但存在再生过程路面的加热时间长，再生混合料性能不稳定等问题；加热车方式能够解决修补及时性问题，但存在微波加热效率低、明火加热使沥青混合料老化等问题.冷补法虽然有较好及时性，但由于冷补料的路用性能相对较差，一般只用于应急处理.

为解决目前坑槽修补中存在的问题，本文提出利用微波敏感型沥青再生剂[7]配合LWX-300Ⅱ型沥青混合料微波加热车进行坑槽修补的方法，并对微波敏感型沥青再生剂加入前后混合料的性能、加热效率，以及经济性进行了对比分析.

1 试验方案

1.1 原材料

再生混合料由30%坑槽切割后收集的未污染旧料和70%预先拌和的热拌沥青混合料放凉后的新料组成，旧料、新料级配均为AC-13，原级配和合成级配见表1.

表1 不同沥青混合料的级配

再生中采用的微波敏感型沥青再生剂(以下简称YG-1)是一种乳液型沥青再生剂，该再生剂是由沥青再生成分、水、微波敏感材料、乳化剂等材复配成的乳液.在微波作用下，能够快速渗透到沥青混合料内部使其中的再生成分与老化沥青融合，同时加快混合料的升温速率.

1.2 试验设备

试验设备采用LWX-300Ⅱ型沥青混合料微波加热车，该设备输入功率为20 kW，料仓一次可加热约600 kg沥青混合料.

1.3 试验内容

试验内容主要分为两项：①利用微波加热车对再生混合料进行加热，研究加入YG-1前后再生混合料的温度变化规律，并对其机理进行分析；②对比加入YG-1前后再生的混合料的高温、低温、抗水损害等性能，对YG-1再生混合料的性能进行验证.

2 微波敏感型沥青再生剂对再生混合料温度的影响

2.1 试验步骤

试验步骤如下.

步骤1将30%坑槽切割后收集的未污染旧料和70%预先拌和的热拌沥青混合料放凉后的新料放入LWX-300Ⅱ型沥青混合料微波加热车料仓，使料仓内沥青混合料的质量为400 kg.

步骤2将微波敏感型沥青再生剂均匀添加到料仓内的混合料，YG-1的用量为沥青用量的8%，用量确定方法参考文献[8-9]，开动料仓内的双螺杆进行冷料预拌.对为添加YG-1的再生混合料在相同条件下进行对比试验.

步骤3开机对混合料进行微波加热，通过LWX-300Ⅱ型沥青混合料微波加热车的温度显示装置，对不同时间混合料的料温进行记录，观察再生混合料的升温规律.

步骤4当料温达到150 ℃时，通过料仓内的螺旋输送器出料，由测温枪对出料后的温度每隔1 min测量一次，观察再生混合料14 min内的降温规律.

2.2 试验结果分析

试验对添加YG-1前后混合料的温度随时间变化规进行了测试，测试结果见图1.

由试验结果可知，添加YG-1后混合料由常温25 ℃加热到150 ℃所需的时间由原来的30 min缩短到14 min，加热时间缩短一半以上；添加YG-1后混合料升温规律出现明显不同，未添加YG-1的混合料温度随着加热时间的延长线性增加，回归后满足式(1)，R2=0.996 4.

图1 添加YG-1前后再生料温度随时间升高规律

(1)

添加YG-1后混合料的升温规律接近抛物线，回归后满足式(2)，R2=0.983 9.随着加热时间的延长，混合料升温速率逐渐降低，但整体升温速率高于未添加YG-1混合料的升温速率.

θ=31.23+15.36t-0.50t2

(2)

式中：θ为混合料温度，℃；t为混合料加热时间，min.

分析原因，产生升温速率提高的原因有两点.首先是由于微波敏感型沥青再生剂中含有微波敏感型材料，该材料相较普通沥青混合料对微波敏感度高，具有极强的微波吸收能力，吸收微波后快速升温，并通过热传递加热沥青混合料，在一定程度上提高了混合料的升温速率.另外一个原因是由于YG-1为乳液型再生剂，再生剂中含有一定量的水，水为典型的非极性分子，对微波也较为敏感，在微波的作用下同样能够实现温度快速升高.水在温度达到一定值后汽化，在遇到温度相对较低的沥青混合料时，冷凝放出热量，再混合料温度较低时次过程不断反复，在一定程度上增加了混合料的升温速率和热传导速度.

随着混合料的温度升高，微波敏感型材料和水的热传递作用慢慢减弱，因此,出现了混合料的升温速率降低的现象.随着时间的延长，水分逐渐散失，混合料的进一步升温主要由微波加热石料实现，但由于混合料中仍有微波敏感型材料存在，添加YG-1后的混合料升温速率始终高于未添加YG-1的混合料.

本文对添加YG-1再生后的混合料降温特性进行了研究，并与未添加YG-1再生后的混合料进行了对比，对比结果见图2.

由试验结果可知，经过14 min的降温后，添加YG-1再生的混合料温度明显低于未添加的混合料，温度由150 ℃降低到93 ℃，而未添加YG-1混合料的温度由150 ℃降低到122 ℃，二者降低温度相差接近30 ℃；添加YG-1和未加YG-1混合料的降温规律均接近抛物线，前期降温速率快，后期降温速率逐渐降低，但添加YG-1的混合料温度降低速率明显高于未添加YG-1混合料的速率.

图2 添加YG-1前后再生料温度随时间降低规律

分析原因，是由于YG-1添加前后混合料的发热机理不同，如前所述，添加YG-1的混合料发热是由YG-1中微波敏感材料升温后热传导，水升温汽化、冷凝放热，以及微波加热石料三部分组成的，而由未添加YG-1混合料的温度升高主要只是由微波加热石料所致.微波敏感材料升温，水冷凝放热两种作用都发生在作用集料表面，加热方式是通过集料表面由外及里进行的，因此集料的外部温度高于集料内部温度，而微波加热石料的方式与上述两种方式不同，由于微波极强的穿透性，微波对集料进行整体加热，而且由于集料表面与外界接触，最终导致了集料表面的温度要略低于集料内部的温度，与添加YG-1后混合料的温度分布情况恰好相反.在集料堆放期间测量降温速率，添加YG-1的再生混合料分布在集料表面的温度与外界接触时更容易散失，同时由于石料内部温度低于石料表面温度，部分热量继续向石料内部进行传递，石料的温度逐步达到平衡，最终导致了添加YG-1混合料的降温速率高于未添加的混合料.相反，由于未添加YG-1混合料集料温度内高外低，在表面温度降低后，集料内部温度向外扩散，使降低的温度得到一定的补偿，最终表现出降温速率慢的试验现象.从能量守恒角度同样能够得出相同的结论.不考虑微波泄露等问题，假设在整个混合料加热过程中微波发射的能量全部被仓内的混合料吸收，可知未添加YG-1的沥青混合料的能量是添加YG-1混合料能量的将近2倍，在集料表面温度相同的情况下，最合理的解释是YG-1改变了集料热量的分布，及添加YG-1后微波能量吸收主要停留在集料的表面，而未添加YG-1的集料，能量在集料内部分布相对均匀，集料内部温度达到甚至超过集料表面的温度.

通过分析可知，YG-1所起的作用是改变集料温度场的分布，对工程实践来讲是有益的.YG-1加入可以快速提高集料表面的温度，进而提高沥青的温度使其满足碾压成型的要求，在提高效率的同时降低了能耗；另一方面，YG-1的快速降温有利于开放交通，在坑槽修补后短时间内实现开放交通，避免造成交通堵塞和交通事故.

3 再生混合料的性能测试

混合料的性能是混合料应用的关键，本节对YG-1再生混合料进行测试，并与未添加YG-1的再生混合料性能进行对比.

试验采用LWX-300Ⅱ型沥青混合料微波加热车，分别对添加YG-1和未添加YG-1的混合料进行加热，用保温料桶取样后进行马歇尔试件和车辙板试件的成型，对两组再生料的空隙率、动稳定度、冻融劈裂、低温弯曲进行了测试，测试的方法采用文献[10]中相应的方法，试件成型温度为150 ℃，试验结果见表2.

表2 再生沥青混合料性能

YG-1YG-1/%4.58.73～6 /(·mm-1)1 5631 609≥1 000 /%85.472.4≥75 /×10-62 7411 964≥2 600

注：最大理论密度采用抽真空法进行测定.

由试验结果可知，添加YG-1后的再生混合料性能均满足现行技术规范的要求，除动稳定度外，其他三项指标优于未添加YG-1再生料.未添加YG-1的再生混合料除动稳定度满足规范要求外，其他三项均不满足规范要求值.由此可知，YG-1能够起到很好的混合料再生作用，在其他条件不变的情况下，添加YG-1能够使再生混合料的性能满足现行规范要求，相比未添加YG-1的再生料，性能得到了提升[11-13].

分析产生上述现象的原因，除了YG-1的再生作用外，微波的加速融合作用和水在混合料成型时起到的降黏作用也是提升混合料性能的重要因素.所谓微波的加速融合是指在添加YG-1的混合料加热时，YG-1中微波敏感材料可以快速吸收微波释放热量，使原来旧料表面的沥青迅速软化，与YG-1中的再生组分充分融合，更好的实现旧料表面沥青的再生；YG-1中水的存在能够在高温时使沥青发泡，起到降低沥青黏度的作用，更有利于混合料的成型.

4 经济效益分析

坑槽修补费用计算主要由以下几方面构成：①燃油(发电机燃油、汽车燃油),7元/L；②人工,200元/d；③YG-1,10元/kg；④坑槽修补单价,30元/(cm·m2)；⑤设备折旧,600元/d；⑥过路费,300元/d;⑦每日燃油消耗,100 L；⑧工人数量,5人.

计算假设工作量饱满，添加YG-1的情况下可完成60 m2平均厚度为5 cm的坑槽修补工作，则每工日盈利G1为6 114.8元/d.

修补每平米每厘米坑槽的成本F1为9.62元/(cm·m2).

计算中沥青混合料假设沥青混合料密度为2.5×103kg/m3；混合料中沥青含量为4.6%；YG-1用量为沥青量的8%.

未添加YG-1的情况，由于混合料的加热效率低，如前所述，约为添加YG-1的一半，由此可得完成工作量为30 m2平均厚度为5cm的坑槽修补工作，则每工日盈利G2为1 900元/d.

修补每平米每厘米坑槽成本F2为17.33元/(cm·m2).

不难看出，由于YG-1能够大幅提升坑槽修补的效率，由此产生的经济价值非常可观，添加YG-1后产生的日盈利约为原来不使用YG-1时的3倍，单位量修补成本降低近一半.

5 结 论

1) 添加YG-1后，微波加热混合料的升温速率发生了明显的变化，混合料由25 ℃上升到150 ℃所需的时间由30 min减少到14 min，加热效率提高了1倍.

2) 添加YG-1再生后的混合料温度降低规律同样发生了明显的变化，添加YG-1的再生混合料降温速率明显大于未添加的混合料，经过降温14 min后，两种混合料温差将近30 ℃，分析原因是由于YG-1改变了集料内部的温度场的分布.

3) YG-1除能够实现混合料的再生外，由于其在微波作用下能起到“加速融合”和“降黏”的作用，使得再生混合料性能得到提升，满足坑槽修补所需混合料的要求.

4) 假设工程量饱满的情况下，利用YG-1产生的日盈利约为原来的3倍，单位修补成本降低近一半.