沥青混凝土材料加热温度的优化

以节能减排为己任，促进公路交通事业技术进步

------“沥青混凝土材料加热温度的优化”技术攻关侧记

我国公路交通事业的快速发展，必然伴随着以沥青混凝土为主的道路建设材料的大量制备（包括材料再生利用）。在沥青混凝土制作过程中，最主要的工序是各种粒径矿料的烘干和加热。长期以来，人们都是采用明火（热源有原煤、煤粉、柴油和重油等）对材料直接接触加热。而火焰的温度为1200℃以上。这不仅大大超过了沥青的闪点（220℃左右），而且在如此高的温度下，矿料也极易产生爆裂，从而改变原设计的矿料级配指标，结果造成沥青混凝土材料性能的变劣。由于从理论研讨到专用设备的设计等方面难以突破，这已成为长期制约道路工程技术进步的瓶颈之一。

1．围绕沥青混凝土材料组成特点进行刻苦攻关

有鉴于此，重视加热温度的优化是十分重要的。山西省交通科学研究院机电工程研究所在长期的科研活动中，将矿料烘干和加热的温度优化列入自己的技术攻关课题。特别是在沥青混凝土材料再生利用项目注1的技术攻关过程中除外观和内部结构的设计和优化外，将被加热物质的受热温度值及其热平衡计算和分析特别进行了研究和分析。这些研究和分析并非仅仅从设备内部结构的设计入手，而是另辟蹊径，将沥青混凝土材料中各种组成的受热机理作为突破口，进行了上百次的模拟试验和大量工程计算，无论是运城羊驮寺二级路上的炎炎盛夏、汾柳高速吴城段上的风寒交加，还是交科院国家级道路实验室多少个不眠之夜，我们历经十余年的刻苦攻关，终于找到了沥青混凝土材料加热的温度优化值，从而为沥青混凝土材料的制作和再生利用工艺的改进闯出了一条新路。

2. 沥青混凝土材料组成的红外光谱特性

沥青混凝土材料中的骨料加热，主要涉及各种不同粒径的矿料（即石料，包括石粉）加热。这些材料绝大部分具有一定的粒径，同时由于在采集、运输和储存过程中难以避免会混入一定的水分。而矿料加热后的工作温度（170℃左右）又显然高于水的沸点，因此矿料的加热过程必然伴随着水的升温和气化过程。为使矿料的加热过程在其炉体中很短的跌落过程中完成，必须加速矿料的受热过程。

众所周知，大多数有机物质和水对热辐射的远红外波段具有良好的吸收，而远红外辐射加热的深入性远较可见光为好，其机理在于被加热物质在远红外波段能够产生分子间的共振，从而促使被加热物质分子间的震动加剧，其结果就是温度的快速升高。经典光学理论认为，并不是所有物质都是这样，只有被加热物质的固有频率与相应的红外辐射频率相匹配，才能实现这一结果。为了达到前述目的，对沥青混凝土材料中的矿料和水等被加热物质在远红外波段的固有频率进行了光谱试验和分析。图1和图2是这些物质在1～15μm（远红外波段）的红外辐射透射曲线，从而能够看到他们在整个远红外波段的吸收特性。

45403530252015105035810波长（μm）1215透射率（%）

图1.水在1～15μm波段的透射光谱曲线

6050透射率（％）4030201002358波长（μm）1012

图2. 石料在1～15μm波段的透射光谱曲线

由红外光谱可知，石料和水在1～15μm波段范围内有较强的吸带，其中水在3～4μm附近为吸收峰值，石料在4～5μm附近为吸收峰值，沥青在3～5μm附近为吸收峰值注

1。

3.基于沥青混凝土材料组成的红外光谱特性进行加热温度的优化分析

沥青是高分子碳氢化合物和非碳氢化合物的混合物。其主要化学组成有：碳

70%~80%；氢10%~15%；硫、氧、氮等仅占0.5%~8%。在组成沥青路面的混合料中，矿料基本是由各种不同粒径（设计级配）的石灰石和以闪光岩、花岗岩等高硬石料组成。水以液态水和汽态水的方式存在于沥青中。由图1～图3的红外光谱分析看到，它们在1~15μm红外波段范围内存在较强的吸收带，沥青和水在3～5μm附近为吸收峰值。因此，以此波长和其对应的温度对沥青路面混合料进行加热是合适的。课题组曾以电为热源的SiC红外沥青路面加热器在山西原太公路应用时，以3～4μm的辐射波长在环境温度为-10℃情况下以功率密度为2.5w/cm2加热沥青路面，在5~6min的加热时间内，可使厚为60mm的沥青路面表面温度达到140℃，底层温度达到80℃的可开挖状态，验证了在该红外辐射波长下对沥青路面加热的可行性和优越性。

根据现代物理学经典光学理论中的维恩位移定律可列出下式：

273m

T式中： T——辐射（加热）面温度，℃；

——维恩常数，为2897； m——吸收辐射峰值波长，m。

显然，若沥青和水的吸收辐射峰值波长取3～4μm，则加热温度取692～450℃左右为宜；石料和沥青的吸收辐射峰值波长取4～5μm，则加热温度取452～307℃左右为宜。综合这些实验和分析，沥青混凝土材料的加热温度以500～600℃为宜。

上述实验和结论对于道路工程中沥青和各种材料的加热具有重要的指导意义。

4．成果应用和效果总结

根据上述试验和分析，成功找到了沥青混凝土材料加热温度的优化值，这一成果和结论对于我国，乃至国际道路工程学术界的技术进步具有重要价值。近年来以为包括《工程机械》、《筑路机械与施工机械化》、《公路交通科技》等国家核心学术期刊及硕、博士学位论文所引用。我省交通行业多项重点科研攻关项目，如路用改性沥青成套设备注2、内齿型高剪切胶体磨注3、废旧沥青混凝土路面材料回收利用成套设备注4、道路工程用立式烘干机

注5和具有材料再生性能流动作业的多功能沥青路面养护车辆等项目的关键设计和工程计

算都采用了这一结论。如多功能沥青混凝土加热再生车中设计了热风循环加热装置，使加

热温度成功限定在600℃以下。

大量实体工程应用表明，加热温度的优化使得对于避免和降低沥青旧材料的老化，从而保证再生混合料的路用性能和再生路面的服务寿命具有决定的意义，使得我国相关筑路材料设备的设计、关键总成的配套和作业物理量的选择逐步科学、量化和理性，结果在保证和达到沥青路面材料制备技术要求的前提下有效降低了工程成本和有害物质的排放，收到了突出的经济和社会效益。

文中注1：王志廷，靳长征等，沥青加热技术，人民交通出版社1999。

2：山西省科技进步奖（2008-J-2-003）

3：山西省科技进步奖（2011-J-2-024）

4：山西省科技进步奖（2009-J-2-012）

5：中国专利ZL 2009 2 0102928.5，山西省科技进步奖2011-J-3-007。

2012.5.30