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

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　　[博士]瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)微波熱再生關(guān)鍵技術(shù)研究　　學(xué)科專(zhuān)業(yè): 機(jī)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(jí)公路、橋梁和機(jī)場(chǎng)道路建設(shè)等，針對(duì)我國(guó)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(qiáng)，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(chǎng)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(chǎng)遠(yuǎn)紅外加熱修補(bǔ)能夠較快修復(fù)路面病害，但存在再生修補(bǔ)質(zhì)量不高和修補(bǔ)適用范圍窄等問(wèn)題。微波加熱依靠增加材料分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能來(lái)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(diǎn)，將微波加熱技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)熱再生相結(jié)合，成為當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)熱再生中一項(xiàng)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(chǎng)熱再生領(lǐng)域，著力在微波熱再生領(lǐng)域和微波養(yǎng)護(hù)工程車(chē)開(kāi)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(duì)在研究開(kāi)發(fā)微波熱再生路面養(yǎng)護(hù)工程車(chē)過(guò)程中所涉及到的諸如微波加熱器構(gòu)型設(shè)計(jì)與優(yōu)化、2450MHz微波頻率卜瀝青混合料介電特性測(cè)試系統(tǒng)、熱電轉(zhuǎn)換機(jī)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(jī)理和實(shí)驗(yàn)方法等關(guān)鍵問(wèn)題展開(kāi)研究，其主要研究?jī)?nèi)容如下:　　 1、提出了將能量守恒定律和大線近場(chǎng)輻射原理相結(jié)合來(lái)確定加熱器構(gòu)型的幾何設(shè)計(jì)原則來(lái)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(jì)原則設(shè)計(jì)了兩種不同構(gòu)型開(kāi)口式微波輻射加熱器，并運(yùn)用IE3D電磁分析軟件對(duì)其分析優(yōu)化。討論了磁控管探頭與激勵(lì)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(zhǎng)度對(duì)加熱器輻射性能的影響。對(duì)兒種情況分別進(jìn)行了加熱實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的微波加熱器能夠較好地實(shí)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(shí)際設(shè)計(jì)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(cè)試瀝青混合料試樣的溫變復(fù)介電參數(shù)，建立了該測(cè)試方法的理論模型來(lái)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(guò)分析模型求解出被測(cè)瀝青混合料復(fù)介電參數(shù)的計(jì)算表達(dá)式。研制了主要由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、計(jì)算機(jī)、喇叭天線、模式轉(zhuǎn)換器等組成的測(cè)試系統(tǒng)，討論了測(cè)試系統(tǒng)的GRL校準(zhǔn)方法和提高測(cè)試精度的TDG技術(shù).通過(guò)對(duì)不同溫度點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)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(duì)微波加熱瀝青混合料內(nèi)電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布將產(chǎn)生一定影響?！　? 3、根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)控制方程和熱力學(xué)偏微分方程，建立了輻射微波場(chǎng)中波動(dòng)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(shí)現(xiàn)深入研究微波加熱對(duì)瀝青混合料的作用機(jī)理和瀝青混合料內(nèi)部的電磁場(chǎng)分布和溫度分布。采用時(shí)域有限差分法FDTD解算電磁場(chǎng)，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(shí)間步長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)了對(duì)微波加熱條件下瀝青混合料試樣表面和內(nèi)部溫度場(chǎng)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(shí)間、不同環(huán)境溫度和不同加熱工藝對(duì)瀝青混合料試樣溫度場(chǎng)分布的影響，結(jié)果顯示可通過(guò)調(diào)整加熱時(shí)間、根據(jù)不同環(huán)境和采用不同加熱工藝達(dá)到對(duì)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(yàn)證理論模型的正確性，進(jìn)行了場(chǎng)強(qiáng)平均值測(cè)試實(shí)驗(yàn)、場(chǎng)強(qiáng)分布實(shí)驗(yàn)和溫度場(chǎng)分布實(shí)驗(yàn)，分析研究為微波養(yǎng)護(hù)工程車(chē)和再生工藝提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)?！　? 4、分析了微波加熱再生過(guò)程中質(zhì)熱傳遞現(xiàn)象，基于弗克擴(kuò)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(lái)研究微波加熱舊瀝青棍合料時(shí)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(jì)算模型和計(jì)算方法，采用交替顯格式數(shù)值解法對(duì)該模型進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得了溫度、濕度和加熱時(shí)間三者間的關(guān)系，并與實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和誤差分析。分析研究對(duì)含濕舊瀝青混合料的微波熱再生工藝具有實(shí)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(jī)理來(lái)驗(yàn)證微波加熱再生的有效性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(qiáng)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(qiáng)?！　? 6、研究開(kāi)發(fā)了微波熱再生養(yǎng)護(hù)工程車(chē)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)原理，建立了等效的電路模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)際測(cè)試分析，通過(guò)采用多層網(wǎng)型抑制器較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)路面加熱墻的防微波泄漏。進(jìn)行了樣車(chē)的制造和型式試驗(yàn)，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(kāi)發(fā)的微波養(yǎng)護(hù)工程樣車(chē)是可行的。論文的研究成果建立在理論分析和實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，為瀝青路面微波熱再生養(yǎng)護(hù)工程車(chē)產(chǎn)業(yè)化實(shí)施提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)方法。

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