[博士]瀝青路面現(xiàn)場微波熱再生關(guān)鍵技術(shù)研究

內(nèi)容簡介

　　[博士]瀝青路面現(xiàn)場微波熱再生關(guān)鍵技術(shù)研究　　學(xué)科專業(yè): 機械電子工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：東南大學(xué)　　學(xué)位年度：2009　　瀝青路面廣泛應(yīng)用于高等級公路、橋梁和機場道路建設(shè)等，針對我國人量采用半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)形式，基層承載能力較強，路面損壞多表現(xiàn)為路表的功能性損壞的現(xiàn)狀，利用現(xiàn)場熱再生技術(shù)恢復(fù)路表的服務(wù)功能成為最直接和最有效的方法?！　? 目前使用較廣泛的現(xiàn)場遠(yuǎn)紅外加熱修補能夠較快修復(fù)路面病害，但存在再生修補質(zhì)量不高和修補適用范圍窄等問題。微波加熱依靠增加材料分子運動的動能來使被加熱物體升溫，具有深部加熱、熱慣性小、控制容易的特點，將微波加熱技術(shù)與現(xiàn)場熱再生相結(jié)合，成為當(dāng)前現(xiàn)場熱再生中一項重要使能技術(shù)，其研究日益受到重視?！　? 本論文圍繞瀝青路面現(xiàn)場熱再生領(lǐng)域，著力在微波熱再生領(lǐng)域和微波養(yǎng)護工程車開發(fā)方面建立一套基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)支撐體系。針對在研究開發(fā)微波熱再生路面養(yǎng)護工程車過程中所涉及到的諸如微波加熱器構(gòu)型設(shè)計與優(yōu)化、2450MHz微波頻率卜瀝青混合料介電特性測試系統(tǒng)、熱電轉(zhuǎn)換機制和控制策略、微波加熱再生瀝青混合料質(zhì)熱傳遞規(guī)律、微波加熱再生瀝青混合料機理和實驗方法等關(guān)鍵問題展開研究，其主要研究內(nèi)容如下:　　 1、提出了將能量守恒定律和大線近場輻射原理相結(jié)合來確定加熱器構(gòu)型的幾何設(shè)計原則來提高微波加熱裝置加熱瀝青混合料的效率和溫度分布的均勻性。根據(jù)設(shè)計原則設(shè)計了兩種不同構(gòu)型開口式微波輻射加熱器，并運用IE3D電磁分析軟件對其分析優(yōu)化。討論了磁控管探頭與激勵腔短路板間距、材料不同介電性能、加熱器口面與路面間距以及不同口面尺寸和喇叭長度對加熱器輻射性能的影響。對兒種情況分別進行了加熱實驗，結(jié)果證實開發(fā)設(shè)計的微波加熱器能夠較好地實現(xiàn)阻抗匹配，提高微波輻射加熱效率，為微波路面加熱器實際設(shè)計與應(yīng)用提供了理論依據(jù)?！　? 2、提出了2450MHz微波頻率’下采用白由空間法測試瀝青混合料試樣的溫變復(fù)介電參數(shù)，建立了該測試方法的理論模型來研究微波選擇性加熱和瀝青混合料介電特性之間的關(guān)系。該模型假設(shè)微波僅入射波和反射波兩部分組成，通過分析模型求解出被測瀝青混合料復(fù)介電參數(shù)的計算表達式。研制了主要由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、計算機、喇叭天線、模式轉(zhuǎn)換器等組成的測試系統(tǒng)，討論了測試系統(tǒng)的GRL校準(zhǔn)方法和提高測試精度的TDG技術(shù).通過對不同溫度點的測試結(jié)果進行的數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果表明瀝青混合料的介電常數(shù)在一定溫度范圍內(nèi)是非線性的，隨溫度的逐漸升高瀝青混合料介電常數(shù)反而降低，這對微波加熱瀝青混合料內(nèi)電磁場和溫度場分布將產(chǎn)生一定影響?！　? 3、根據(jù)麥克斯韋電磁場控制方程和熱力學(xué)偏微分方程，建立了輻射微波場中波動方程和熱力學(xué)方程禍合的三維有源非線性熱電禍合模型以實現(xiàn)深入研究微波加熱對瀝青混合料的作用機理和瀝青混合料內(nèi)部的電磁場分布和溫度分布。采用時域有限差分法FDTD解算電磁場，采用基于控制容積的有限差分法解算熱傳導(dǎo)方程，首先提出了按微波周期為時間步長交替迭代求解該非線性模型的求解方法，研究了介電常數(shù)和比熱容隨溫度變化的關(guān)系，實現(xiàn)了對微波加熱條件下瀝青混合料試樣表面和內(nèi)部溫度場分布的模擬;首次研究了溫度分布和調(diào)控措施，分析在不同加熱時間、不同環(huán)境溫度和不同加熱工藝對瀝青混合料試樣溫度場分布的影響，結(jié)果顯示可通過調(diào)整加熱時間、根據(jù)不同環(huán)境和采用不同加熱工藝達到對瀝青混合料的均勻加熱、提高瀝青混合料再生效率和質(zhì)量;為了驗證理論模型的正確性，進行了場強平均值測試實驗、場強分布實驗和溫度場分布實驗，分析研究為微波養(yǎng)護工程車和再生工藝提供了堅實的理論基礎(chǔ)?！　? 4、分析了微波加熱再生過程中質(zhì)熱傳遞現(xiàn)象，基于弗克擴散模型和傅里葉熱傳導(dǎo)模型建立瀝青棍合料內(nèi)非穩(wěn)態(tài)傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型來研究微波加熱舊瀝青棍合料時存在的質(zhì)熱傳遞規(guī)律。首次考察瀝青混合料內(nèi)部溫度和濕度沿微波傳播方向的變化，研究了初始和邊界條件。研究了濕度、微波滲透深度和內(nèi)熱源三者間的關(guān)系，研究了質(zhì)熱參數(shù)隨溫濕度的變化。建立了質(zhì)熱藕合方程的數(shù)值計算模型和計算方法，采用交替顯格式數(shù)值解法對該模型進行數(shù)值模擬，獲得了溫度、濕度和加熱時間三者間的關(guān)系，并與實驗測試數(shù)據(jù)進行對比和誤差分析。分析研究對含濕舊瀝青混合料的微波熱再生工藝具有實際指導(dǎo)意義。　　 5、從宏觀角度分析研究了瀝青混合料再生機理來驗證微波加熱再生的有效性。通過實驗測試比較了微波加熱前后的瀝青混合料的路用性能指標(biāo)，結(jié)果表明采用微波加熱與常規(guī)加熱方式，在高溫穩(wěn)定性和力學(xué)性能方面兩者大致相當(dāng);在低溫抗裂性和水穩(wěn)定性方面，采用微波處理比常規(guī)加熱處理效果要好，尤其在水穩(wěn)定性上，采用微波處理加強了瀝青混合料中瀝青與集料間的乳附力，從而使瀝青混合料抗水損害能力得到明顯加強。　　 6、研究開發(fā)了微波熱再生養(yǎng)護工程車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計方案。著重研究了路面加熱墻體的防微波泄漏裝置，探討了組合式板型微波泄漏抑制器和網(wǎng)型抑制器的設(shè)計原理，建立了等效的電路模型并進行了數(shù)值模擬和實際測試分析，通過采用多層網(wǎng)型抑制器較好地實現(xiàn)了對路面加熱墻的防微波泄漏。進行了樣車的制造和型式試驗，結(jié)果表明本文所提出的理論和方法以及基于該理論和技術(shù)開發(fā)的微波養(yǎng)護工程樣車是可行的。論文的研究成果建立在理論分析和實驗研究基礎(chǔ)上，為瀝青路面微波熱再生養(yǎng)護工程車產(chǎn)業(yè)化實施提供了理論基礎(chǔ)和實現(xiàn)方法。

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