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瀝青混凝土路面微波養護技術的國內外研究現狀

國外研究現狀

1973年秋季，Bosisio等采用微波加熱技術修補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。

美國的HowardK.Long在1986年設計了微波除冰車及其除冰裝置。1987年，在美國聯邦公路局實施的公路戰略研究計劃項目(SHRP)中，密歇根理工大學的JackMonson在道路除冰項目中提出微波除冰車的設計方案，但是因為最關鍵的除冰速度太低的緣故，項目未能實施。

Al-Ohaly等在1988年研究了微波加熱對瀝青混合料性能的影響，通過試驗發現，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的質量。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其組分，使得在使用微波修補路面病害時可以更好地恢復和改善路用性能。工業專用大功率磁控管結構復雜、維護困難、成本昂貴，需要完善的保護裝置才能工作，因而沒有得到推廣應用。

2005年，美國明尼蘇達大學的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。美國明尼蘇達州的NRRI組織也因此將研究方向轉為研究吸收微波能力更強的路面材料，并計劃修筑“微波路”，用于路面快速微波修補和除冰。之后，國外的研究相對很少。

國內研究現狀

2003年，北方交通大學的徐宇工等采用家用微波爐(Pout=800W，f=2.45G Hz)進行了微波除冰室內模擬試驗，結果證實了微波能夠透過冰層加熱路面，使接觸路面的冰層首先融化，從而驗證了微波加熱技術可以用于清除道路冰雪。但其試驗過于簡單，且采用的是家用微波爐，屬駐波場諧振腔式微波加熱器，而在道路除冰時只能使用輻射場式微波加熱器，兩者之間差別較大，試驗得出需要30s加熱時間的結論和實際相差較大。

從2004年開始，原美的集團下屬子公司佛山市威特公路養護設備有限公司進入公路養護工程機械行業，聯合長安大學和電子科技大學，對微波加熱瀝青混合料的特性及其影響因素進行了系統研究，對比了不同加熱方式對瀝青混合料路用性能的影響，為瀝青路面微波養護工藝的設計奠定了基礎；解決了微波天線及天線陣列設計、微波屏蔽及泄漏檢測、水冷磁控管及加熱墻冷卻、車載高壓供電等技術難題，實現了微波加熱技術應用的突破。2004年，該公司開發了WT5160TYHB型瀝青路面微波養護車，之后又陸續研制了微波綜合養護車CK5251TYA、風馳CK5050TYHA、靈特CK5140TYHB、靈特CK-5050TYHB、靈特CK5050TYHB等系列產品。另外，對微波廠拌熱再生過程中的舊料輸送、攪拌、水汽處理、再生性能等方面做了探索性研究，研制了二級輸送加熱試驗裝置。

研究成果被行業標準《瀝青道路微波養護車》(QC/T811-2009)、《綜合養護車術語》(JB/T5957-2007)、《道路施工與養護機械設備瀝青路面微波加熱裝置》、《道路施工與養護機械設備綜合養護車》采納，對推動行業技術進步有重要意義。

2012年，美的集團因戰略調整停止了瀝青路面微波加熱應用技術研究。2013年，江蘇威拓公路養護設備有限公司收購了美的集團旗下的江蘇淮安威拓公路養護設備有限公司，并開發生產了5160TYHB微波瀝青路面養護車；2017年7月，自主研發了“微波就地熱再生”列車。該列車采用微波加熱技術以及鷗翼式微波加熱墻，加熱寬度為3.7~4.0ｍ。湖南天立工程機械有限公司生產了TLWB1樣機，東風特汽生產了EQ5120TYH立式微波坑槽養護車，陜西中霖瀝青路面養護科技有限公司生產了微波瀝青路面養護車，但均未形成規模。

成立于2017年6月的江蘇省產業技術研究院道路工程技術與裝備研究所(由江蘇省產業研究院、徐州經濟技術開發區、徐工集團與核心團隊共建)，從2018年開始研制新一代瀝青路面微波養護車。采用了單發動機、高頻開關電源、變功率、高性能防微波泄漏、“一坑一檔”數字化智能管理系統等技術的JCM100W瀝青路面微波養護車在2018年11月的上海寶馬展會亮相。

該研究所之后研發了經濟型JCM60W和JCM15W，用于小面積坑槽修補和井蓋更換維修。還有大型就地熱再生微波加熱機JH450W，裝機功率574kW，加熱長度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、環保性都遠高于傳統形式。養護管理投稿交流推廣合作加微信627361748

同時建立了國內更大的廠拌熱再生微波試驗系統及不同功率大小的微波瀝青混合料試驗組合系列裝置，用于試驗研究不同天線陣列組合、移動狀態、不同含水量、不同級配與不同密實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型瀝青拌合設備的JRP80型熱風微波復合加熱RAP裝置。

2019年，JCM100Ｗ瀝青路面微波養護車在G1201吉林繞城高速豐滿段、湖南許廣高速長沙段、湛江高速遂溪段、江肇高速、廣惠高速、北京西六環高速、南京江寧區國省干線公路等項目。

應用，同時作為江蘇省2019年全省公路養護職業技能競賽用設備。2019年在工程機械工業協會列項的團體標準包括瀝青路面微波綜合養護車、瀝青路面微波綜合養護施工工法、瀝青路面熱風微波復合加熱就地熱再生施工工法、熱風微波復合加熱瀝青路面就地熱再生復拌機組，前二項已在審查，后二項正在進行中。集萃道路所在微波加熱基礎研究、材料、施工工藝、設備研發方面又將這一技術向前推進了一大步，尤其是熱風與微波復合加熱技術取得了重要進展。

長安大學郝培文教授等對比研究了不同加熱方式對瀝青混合料路用性能的影響，發現瀝青混合料經微波加熱后在高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性等方面都有較好的表現，路用性能滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)中的技術要求。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方面做了比較深入系統的研究，并于2009年在其博士論文《道路微波除冰效率研究》中發表重要的研究結論。

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

(2)對微波頻率、微波電場強度、加熱模式及加熱墻波導口距路面高度進行了仿真和試驗研究，結果表明：微波頻率對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于持續加熱，且每次間歇時間為10s時加熱除冰效果更好；在加熱結束30s左右除冰，效果更佳；同等條件下，通過增大微波電場強度來提高微波除冰效率作用不大；波導口加熱距離路面50mm時，除冰效率較高。

(3)研究了道路材料對除冰效率的影響，結果表明：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瀝青混凝土時，除冰效率能夠滿足微波除冰工程應用。

(4)對環境溫度、冰層雜質、冰厚進行了研究，仿真和試驗結果表明：環境溫度為-5℃時的除冰效率約是-20℃時的4.7倍；冰層底部存在土類雜質有助于提升除冰效率；冰層厚度對除冰效率影響甚小，體現了微波除厚冰層的優勢。

瀝青路面微波養護技術學術研究現狀

近年來，在瀝青路面微波養護技術學術研究過程中，筆者搜索到在專業核心期刊、國際學術期刊中公開發表的研究論文145篇，包括微波加熱相關設備研究、微波技術應用、材料性能研究、微波除冰技術研究[1-145]。

先后有博士后1人、博士生9人、碩士生57人分別完成相關的論文，他們在微波加熱瀝青路面再生機理、建模、養護、關鍵技術、仿真、數值模擬、坑槽修補裝備與工藝、連續式再生加熱拌合設備與工藝、路用性能、吸波材料、吸波效率、微波防泄漏技術以及除冰雪方面做了大量的基礎理論和應用研究[146-212]，推動了微波理論、瀝青路面材料、微波加熱設備設計與制造、施工工藝等的發展。

微波加熱的基本原理與特點

微波加熱的介質按照電結構可以分為極性分子介質和非極性分子介質。當把極性分子介質置于微波場中時，在電磁場的作用下，介質材料中會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以每秒高達數億次的速度擺動。

分子要隨著不斷變化的高頻電場的方向重新排列，就必須克服分子原有的熱運動和分子相互作用的干擾和阻礙，產生激烈的摩擦，在這一微觀過程中，微波能量轉化為介質的熱量，宏觀的表現就是介質溫度升高。

微波加熱有其自身獨有的一些特點。

(1)即時性。微波在加熱介質物料時具有即時性。只要有微波輻射，物料即刻被加熱，反之，物料就因為得不到微波能量而立即停止升溫。可以使物料在瞬間得到或失去熱量來源，表現出對物料加熱的無惰性。

(2)整體性。微波是一種穿透力很強的電磁波，頻率為915M Hz的電磁波的波長可達到320mm，能夠穿透物體，使物體內、外部幾乎同時加熱升溫，形成體熱源狀態，節省了常規加熱方式的熱傳導過程所需的時間，且在介質損耗因數與溫度呈負相關的條件下，物料內外加熱均勻一致。

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

(4)高效性。在常規加熱中，設備預熱、輻射熱損失和高溫介質熱損失在總能耗中占據了相當大的比例。由于微波加熱是電磁能量以波的形式滲透到介質內部，使介質損耗而發熱，不需要經過傳導，并且不需要高溫介質來傳熱。設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吸收，并轉化為溫度升高所需的熱量，表現出微波能量利用的高效性。

微波應用器與頻率的選用

駐波場式應用器，又稱為諧振腔式應用器，是一種應用最廣泛的應用器形式。這類應用器實際上就是一個尺寸特定的空心金屬箱，輸入微波在箱內壁間多次反射疊加后形成駐波場，微波經箱壁反射通過介質而被介質吸收，場強幅度降低，經多次反射后被介質耗盡。

駐波場式應用器最明顯的特點就是具有諧振性(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的駐波場。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、尺寸和介電常數等因素有關。一個棱長分別為a、b、d的矩形箱，空載時的諧振頻率為

駐波場式應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，部分能量就會反射回微波發生器，造成效率低下，甚至產生打火。

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

輻射場式應用器以被加熱的對象為目標，將微波能量向空間輻射。由于輻射式微波應用器將微波能量全部投放空間，微波能量很難被加熱對象全部吸收，常常散射、殘留于空間，非但浪費能量，而且有可能造成微波泄露，因此工業領域一般不采用輻射場式應用器。在設計和使用這類應用器時，應盡量注意使輻射的微波波束集中于被照射的對象，并采取必要的防護措施。此外，利用匯聚式輻射器可將微波能量聚焦到一個很小的區域內，從而得到強場高溫，可以用來破碎巖石或混凝土。

選擇什么結構形式的微波應用器，主要取決于被加工物料的形狀、結構、介質特性、數量和生產流程，同時也要考慮到被加工物料的物理特性及加工要求等因素。養護管理投稿交流推廣合作加微信627361748例如，薄片狀物體應選用行波場式應用器，塊狀材料適合采用諧振腔式應用器，對于生產量大的塊狀、顆粒狀且需要連續加熱的物料，則應選用由幾個多模腔串聯組成的隧道式應用器，從而得到均勻的加熱處理。輻射場式應用器除廣泛地應用于各種理療和熱療之外，也可用于對大面積物料的照射，或匯聚微波能量，對巖石和混凝土等物質進行破壞。

目前全球開放的微波ISM頻段在各國的規定并不統一，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被加熱材料的形狀、材質、含水率而定。提高微波頻率可以提高單位時間、單位體積內產生的熱量以及在相同熱容量和散熱條件下的溫升；在相同的場強下，采用頻率5.8G Hz的單位體積內吸收的微波功率要比2.45G Hz高2.37倍。目前國際上微波加熱領域普遍使用的頻率是915M Hz和2.45G Hz兩個頻段。

915M Hz頻率微波的加熱特點是輸出功率大、效率高、穿透深度大，但其微波發射源及電源的使用、維護成本較高，主要應用于工業領域；2.45G Hz頻率微波以往被廣泛應用于家用領域，其加熱效果適中，維護成本低，目前也得到了工業領域的認可，被越來越多的工業微波設備采用。5.8G Hz頻率的微波是微波能應用領域的新貴，目前多用于通信和測量；德國利恒熱工有限公司的2.45/5.8G Hz雙頻微波燒結爐，是其在加熱領域的一個應用例子。

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，選取瀝青混凝土介電常數和比熱容作為溫變參數，而認為其余屬性參數是不變的常量。

假設微波沿通常的z傳播方向進入瀝青混凝土，則可建立一個單位時間和單位體積內的一維熱傳導方程，即

建立二維非線性熱電耦合模型，即二維熱傳導方程式。

針對微波透射瀝青混凝土路面時的一個加熱單元，研究微波對單元瀝青混凝土進行加熱時的電磁場和溫度場值的分布情況。只要所取的微單元足夠小，就可以認為從喇叭口面上的點向微單元透射的微波是平面波，得出三維熱傳導方程。

用于加熱瀝青混合料和除冰相關材料的介電常數

根據微波加熱理論，任何一種物質在微波電磁場作用下，物料中單位體積內的功率耗散(即損耗于物料中的功率密度)都可以根據式(5)計算出來。

瀝青的介電常數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生的熱量，微波對瀝青沒有加熱效果。微波對瀝青混合料的加熱實質上是對瀝青混合料中骨料的加熱，骨料在溫度上升后通過熱傳導的方式對瀝青進行加熱，從而達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度加熱而導致老化和加熱不均，還可以有效避免由于瀝青組分揮發而造成的環境污染問題。瀝青及瀝青混合料的電介質特性。

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