详情

原文传递沥青路面现场微波热再生关键技术研究

论文题名：	沥青路面现场微波热再生关键技术研究
关键词：	工程机械;微波热再生;热电耦合;质热传递;再生机理;沥青路面
摘要：	沥青路面广泛应用于高等级公路、桥梁和机场道路建设等，针对我国大量采用半刚性基层沥青路面结构形式，基层承载能力较强，路面损坏多表现为路表的功能性损坏的现状，利用现场热再生技术恢复路表的服务功能成为最直接和最有效的方法。目前使用较广泛的现场远红外加热修补能够较快修复路面病害，但存在再生修补质量不高和修补适用范围窄等问题。微波加热依靠增加材料分子运动的动能来使被加热物体升温，具有深部加热、热惯性小、控制容易的特点，将微波加热技术与现场热再生相结合，成为当前现场热再生中一项重要使能技术，其研究日益受到重视。本论文围绕沥青路面现场热再生领域，着力在微波热再生领域和微波养护工程车开发方面建立一套基础理论和关键技术支撑体系。针对在研究开发微波热再生路面养护工程车过程中所涉及到的诸如微波加热器构型设计与优化、2450MHz微波频率下沥青混合料介电特性测试系统、热电转换机制和控制策略、微波加热再生沥青混合料质热传递规律、微波加热再生沥青混合料机理和实验方法等关键问题展开研究，其主要研究内容如下： 1、提出了将能量守恒定律和天线近场辐射原理相结合来确定加热器构型的几何设计原则来提高微波加热装置加热沥青混合料的效率和温度分布的均匀性。根据设计原则设计了两种不同构型开口式微波辐射加热器，并运用IE3D电磁分析软件对其分析优化。讨论了磁控管探头与激励腔短路板间距、材料不同介电性能、加热器口面与路面间距以及不同口面尺寸和喇叭长度对加热器辐射性能的影响。对几种情况分别进行了加热实验，结果证实开发设计的微波加热器能够较好地实现阻抗匹配，提高微波辐射加热效率，为微波路面加热器实际设计与应用提供了理论依据。 2、提出了2450MHz微波频率下采用自由空间法测试沥青混合料试样的温变复介电参数，建立了该测试方法的理论模型来研究微波选择性加热和沥青混合料介电特性之间的关系。该模型假设微波仅入射波和反射波两部分组成，通过分析模型求解出被测沥青混合料复介电参数的计算表达式。研制了主要由矢量网络分析仪、计算机、喇叭天线、模式转换器等组成的测试系统，讨论了测试系统的GRL校准方法和提高测试精度的TDG技术。通过对不同温度点的测试结果进行的数据拟合，结果表明沥青混合料的介电常数在一定温度范围内是非线性的，随温度的逐渐升高沥青混合料介电常数反而降低，这对微波加热沥青混合料内电磁场和温度场分布将产生一定影响。 3、根据麦克斯韦电磁场控制方程和热力学偏微分方程，建立了辐射微波场中波动方程和热力学方程耦合的三维有源非线性热电耦合模型以实现深入研究微波加热对沥青混合料的作用机理和沥青混合料内部的电磁场分布和温度分布。采用时域有限差分法FDTD解算电磁场，采用基于控制容积的有限差分法解算热传导方程，首先提出了按微波周期为时间步长交替迭代求解该非线性模型的求解方法，研究了介电常数和比热容随温度变化的关系，实现了对微波加热条件下沥青混合料试样表面和内部温度场分布的模拟；首次研究了温度分布和调控措施，分析在不同加热时间、不同环境温度和不同加热工艺对沥青混合料试样温度场分布的影响，结果显示可通过调整加热时间、根据不同环境和采用不同加热工艺达到对沥青混合料的均匀加热、提高沥青混合料再生效率和质量；为了验证理论模型的正确性，进行了场强平均值测试实验、场强分布实验和温度场分布实验，分析研究为微波养护工程车和再生工艺提供了坚实的理论基础。 4、分析了微波加热再生过程中质热传递现象，基于弗克扩散模型和傅里叶热传导模型建立沥青混合料内非稳态传热传质数学模型来研究微波加热旧沥青混合料时存在的质热传递规律。首次考察沥青混合料内部温度和湿度沿微波传播方向的变化，研究了初始和边界条件。研究了湿度、微波渗透深度和内热源三者间的关系，研究了质热参数随温湿度的变化。建立了质热耦合方程的数值计算模型和计算方法，采用交替显格式数值解法对该模型进行数值模拟，获得了温度、湿度和加热时间三者间的关系，并与实验测试数据进行对比和误差分析。分析研究对含湿旧沥青混合料的微波热再生工艺具有实际指导意义。 5、从宏观角度分析研究了沥青混合料再生机理来验证微波加热再生的有效性。通过实验测试比较了微波加热前后的沥青混合料的路用性能指标，结果表明采用微波加热与常规加热方式，在高温稳定性和力学性能方面两者大致相当；在低温抗裂性和水稳定性方面，采用微波处理比常规加热处理效果要好，尤其在水稳定性上，采用微波处理加强了沥青混合料中沥青与集料间的黏附力，从而使沥青混合料抗水损害能力得到明显加强。 6、研究开发了微波热再生养护工程车总体结构设计和控制系统设计方案。着重研究了路面加热墙体的防微波泄漏装置，探讨了组合式板型微波泄漏抑制器和网型抑制器的设计原理，建立了等效的电路模型并进行了数值模拟和实际测试分析，通过采用多层网型抑制器较好地实现了对路面加热墙的防微波泄漏。进行了样车的制造和型式试验，结果表明本文所提出的理论和方法以及基于该理论和技术开发的微波养护工程样车是可行的。论文的研究成果建立在理论分析和实验研究基础上，为沥青路面微波热再生养护工程车产业化实施提供了理论基础和实现方法。
作者：	朱松青
专业：	机械电子工程
导师：	史金飞
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文