BCKH Tính nhiệt của đầu đốt thiết bị gia nhiệt hồng ngoại sử dụng trong sửa chữa đường bê tông Asphalt

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng, NUCE 2021 15 (3V): 165–176 TÍNH NHIỆT CỦA ĐẦU ĐỐT THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỒNG NGOẠI SỬ DỤNG TRONG SỬA CHỮA ĐƯỜNG BÊ TÔNG ASPHALT Lê Hồng Chươnga,∗, Tống Đức Nănga , Đỗ Văn Nhấta , Ngô Thanh Longa , Nguyễn Quốc Dũnga a Khoa Cơ khí, Trường Đại học Xây dựng, 55 đường Giải Phóng, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 27/05/2021, Sửa xong 07/06/2021, Chấp nhận đăng 11/06/2021 Tóm tắt Thiết bị gia nhiệt sửa chữa mặt đường bê tông asphalt theo phương pháp sửa chữa tái chế nóng chỗ (HIR) áp dụng rộng rãi giới có ưu điểm chất lượng miếng vá tốt, thời gian thi công nhanh, tiết kiệm vật liệu bảo vệ môi trường Tuy nhiên, Việt Nam chưa có thiết bị loại để thực phương pháp HIR Bài báo giới thiệu phương pháp tính tốn q trình gia nhiệt hồng ngoại dùng cho thiết bị gia nhiệt mặt đường, làm sở cho thiết kế chế tạo thiết bị Việt Nam Các kết thử nghiệm thực tế thiết bị chế tạo có tương đồng với tính tốn lý thuyết nên kết nghiên cứu đáng tin cậy có tính khả thi cao Từ khố: tái chế nóng chỗ; bê tơng asphalt; nhiệt hồng ngoại; xạ; bước sóng THERMAL CALCULATION OF AN INFRARED HEATER BURNERS USED IN ASPHALT PAVEMENT REPAIR Abstract Infrared Asphalt Heater for repairing asphalt pavements by Hot In-place Recycling (HIR) repair method is being widely applied in the world due to its advantages such as being good patch quality, reducing repair time, saving materials and protecting the environment However, the HIR method using infrared asphalt heater has not been applied in Vietnam yet This paper presents a method to calculate the infrared heating process for an infrared asphalt heater This is a vital factor in designing and manufacturing an infrared asphalt heater in Vietnam for the repair and maintenance of asphalt pavements Research results are reliable due to the agreement between theoretical and experimental calculations Keywords: hot in-place recycling; asphalt pavement; infrared heat; radiation; wavelength https://doi.org/10.31814/stce.nuce2021-15(3V)-14 © 2021 Trường Đại học Xây dựng (NUCE) Giới thiệu Chi phí vật liệu làm đường ngày tăng nhanh nhận thức tác hại môi trường nâng cao thúc đẩy nhà nghiên cứu đưa công nghệ làm đường thân thiện với môi trường tiết kiệm Một cách tiếp cận áp dụng để giải vấn đề tái chế vật liệu sử dụng thi công sửa chữa đường Tái chế mặt đường làm giảm tiêu thụ vật liệu thơ, giảm chi phí lượng liên quan đến việc thi công mặt đường Hơn nữa, cách tái chế, tiết kiệm khơng gian bãi rác cần thiết để đổ vật liệu phần đường bị phá bỏ ∗ Tác giả đại diện Địa e-mail: chuonglh@nuce.edu.vn (Chương, L H.) 165 Chương, L H., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Kể từ công nghệ tái chế vật liệu sửa chữa đường xuất hiện, ngành công nghiệp khơng ngừng tìm kiếm giải pháp để cải thiện chất lượng hỗn hợp tái chế sử dụng tỷ lệ vật liệu từ bê tông nhựa đường tái sinh (RAP) cao hỗn hợp nhựa đường Hoa Kỳ thu hồi 99% hỗn hợp bê tông nhựa từ mặt đường nhựa cũ cách tái sử dụng vào sửa chữa thi công mặt đường [1] Các nghiên cứu gần xác định việc thay RAP với tỷ lệ 50% khả thi để tạo hỗn hợp bê tông nhựa nóng (HMA) mới, thu kết khả quan tính chất học [2–5] Zaumanis cs [6] tun bố, “Tái chế 100% mang lại tính bền vững thực cách khép kín chu trình vật liệu cho phép sử dụng nhựa đường tái chế thi cơng có chất lượng cao tương tự nhựa đường thông thường” Ở Việt Nam, Quyết định số 1472/QĐ-BGTVT ngày 23/5/2017 [7] quy định phương pháp sửa chữa tái chế nóng trạm trộn tái sinh nguội chỗ Tuy nhiên, công tác tái sinh quy định cho sửa chữa lớn mặt đường bê tơng nhựa mà chưa có quy định tái chế nóng chỗ cho cơng tác sửa chữa nhỏ Trên giới, đa số nước quy định phương pháp tái chế chỗ cụ thể, ví dụ Mỹ theo Hướng dẫn tái chế đường cho quyền tiểu bang địa phương Hoa Kỳ [8] Hiệp hội Tái chế Tái chế Nhựa đường (The Asphalt Recycling and Reclaiming Association – ARRA) xác định bốn loại phương pháp tái chế khác nhau: (1) tái chế nóng; (2) tái chế nóng chỗ; (3) tái chế lạnh chỗ; (4) cải tạo toàn mặt đường Trong đó, tái chế nóng thực trạm trộn, phương pháp (3) (4) tái chế nguội chỗ Trên giới có nhiều phương pháp tái sử dụng vật liệu làm đường có tính bền vững, giảm lượng khí thải carbon, nhiễm tiếng ồn, có khả tái chế, giảm thiểu chi phí, an tồn cho người phương tiện giao thông Phương pháp gia nhiệt hồng ngoại đáp ứng tất vấn đề này, chí cho kết tốt điều kiện thời tiết lạnh [9] nên áp dụng rộng rãi Tuy nhiên, Việt Nam việc sử dụng phương pháp gia nhiệt hồng ngoại sửa chữa tái chế nóng chưa áp dụng Do bê tơng nhựa vật liệu đàn hồi – nhớt – chảy dẻo, nên nhiệt độ thấp, bê tông nhựa làm việc vật thể đàn hồi chủ yếu, làm việc nhiệt độ cao, bê tông nhựa bị biến dạng nhớt chủ yếu, biến dạng đàn hồi khơng đáng kể Điều thích hợp cho việc gia nhiệt hồng ngoại để sửa chữa hư hỏng mặt đường Sử dụng hồng ngoại để sửa chữa mặt đường có bảy ưu điểm bật sau: (1) Yêu cầu thời gian hơn, (2) Chất lượng miếng vá tốt, (3) Cần thiết bị hơn, (4) Cần người hơn, (5) Thân thiện với mơi trường, (6) Tiết kiệm thời gian tiền bạc, (7) Ít bị gián đoạn giao thơng Như thấy sửa chữa đường bê tông asphalt theo phương pháp HIR thiết bị gia nhiệt hồng ngoại cách hơn, tiết kiệm chi phí để hồn thành cơng việc cách nhanh chóng Phương pháp áp dụng rộng rãi nhiều nước giới chưa ứng dụng Việt Nam Bài báo giới thiệu phương pháp tính tốn nhiệt cho thiết bị gia nhiệt – thông số quan trọng để thiết kế, chế tạo thiết bị Việt Nam Tái chế nóng chỗ tổng quan nghiên cứu thiết bị gia nhiệt HIR 2.1 Tái chế nóng chỗ (Hot In-place Recycling – HIR hay HIPR) HIR trình khắc phục cố bề mặt mặt đường nhựa cách làm nóng bề mặt mặt đường khắc phục cố mặt đường nóng Các loại cố xử lý quy trình bao gồm hằn lún, nứt nẻ, nứt nhiệt tuổi tác mặt đường trơn trượt ma sát thấp HIR bắt đầu vào năm 1930 với máy bóc đường [10–12] Hoa Kỳ Các thiết bị sử dụng cho loại tái chế cải tiến với việc bổ sung khả xới 166 Chương, L H., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng đường, trộn bổ sung chất làm bitum hỗn hợp bê tông nhựa Hiện nay, theo tiêu chuẩn [13] HIR mô tả phương pháp chỗ, nhằm cải tạo mặt đường nhựa xuống cấp giảm thiểu việc sử dụng vật liệu (1) Về bản, quy trình bao gồm bốn bước: - Làm mềm mặt đường nhựa nhiệt; - Q trình bóc, xới loại bỏ học vật liệu bề mặt; - Trộn vật liệu với chất tái chế, chất kết dính nhựa đường, hỗn hợp mới; - Rải lát hỗn hợp tái chế bề mặt đường Hiệp hội Tái chế Cải tạo Nhựa đường (ARRA) Hoa Kỳ công nhận ba loại quy trình tái chế nóng chỗ bản: - Tái chế bề mặt (Surface recycling); - Hoàn trả (Repaving); - Phối lại (Remixing) Ưu điểm tái chế nóng chỗ độ cao mặt đường bảo toàn, tương đối kinh tế cần kiểm sốt giao thơng so với kỹ thuật phục hồi khác Quá trình sử dụng để bổ sung lại cốt liệu bị tước khỏi bề mặt đường, tái thiết lập bề mặt đường thoát nước, sửa đổi cấp phối cốt liệu hàm lượng nhựa đường, đồng thời cải thiện khả chống ma sát bề mặt Tái chế nóng chỗ thường thực độ sâu từ 20 mm đến 50 mm (3/4 đến in), với 25 mm (1 in) độ sâu điển hình 2.2 Tổng quan nghiên cứu thiết bị gia nhiệt HIR Mục tiêu việc sửa chữa vĩnh viễn hư hỏng nhỏ mặt đường tạo chất lượng sửa chữa cao (a) tuổi thọ vết vá, (b) chi phí vá thấp, (c) thời gian gián đoạn giao thông, (d) quy trình vá hiệu nhiều điều kiện thời tiết Để đạt mục tiêu này, hệ thống gia nhiệt tia hồng ngoại sử dụng hoạt động làm đường bê tông asphalt từ bốn mươi năm qua Anderson Thomas [14] đề cập nhiệt hồng ngoại xạ thường sử dụng để sửa chữa lớp phủ, làm mịn trộn vết cắt tiện ích san vá cũ Tuy nhiên, họ không khuyến nghị sử dụng nhiệt hồng ngoại để sửa chữa toàn diện Blaha [15] chế tạo máy vá tự động sử dụng công nghệ hồng ngoại để làm nóng nhựa đường đến điểm mềm đảm bảo độ kết dính cao hỗn hợp đắp mặt đường cũ Tuy nhiên, mơ tả tồn diện máy đưa ra, quy trình thí nghiệm nghiên cứu dòng nhiệt để xác định việc sử dụng hiệu hệ thống gia nhiệt sửa chữa nhựa đường không rõ ràng giải thích đại khái Nghiên cứu đến kết luận thời gian gia nhiệt phút điểm làm mềm nhựa đường bề mặt từ 71 ◦ C đến 82 ◦ C với gia nhiệt đặt công suất nhiệt lớn 58 kW Các tác giả khác [16–19] sử dụng nhiệt hồng ngoại vi sóng để làm nhựa đường hỏng làm nóng vật liệu lấp ổ gà Mục đích việc gia nhiệt sơ để đạt độ kết dính cao hỗn hợp nhựa đường đắp thêm mặt đường cũ nguội Trong nghiên cứu này, đo nhiệt độ bề mặt sửa chữa hình thành Các tác giả đề xuất mơ hình gia nhiệt khoảng cách đầu gia nhiệt khu vực bị hỏng để làm mềm nhựa đường Tuy nhiên, tác giả khơng tính đến ảnh hưởng thông số sau sửa chữa bê tông nhựa nóng: điều kiện khí hậu, nhiệt độ mặt đường nhựa đặc tính nhiệt, độ già hóa nhựa đường, hình dạng sửa chữa nhiệt độ đầm trước hỗn hợp đắp Hơn nữa, tương tác hỗn hợp nhựa đường nhiệt hồng ngoại nghiên cứu chủ yếu từ quan sát chỗ điều kiện khí hậu đa dạng, khơng phải từ thử nghiệm có kiểm sốt phịng thí nghiệm 167 Chương, L H., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng 30 mm có cólàthể ửằ ằ ề ặề ứặ ừứ ố ố ặ ặ 30 (điều mm (điều nàynghĩa có nghĩa Thom [20] đề cập đến việc sử dụng nhiệt hồng ngoại để sửa chữa vết nứt Đối với loại sửa chữa ứt không xử lýxử sâulýhơn) việ ệ ệệ ệả ủả ếuủ đạt ứt không sâu hơn) việ ếuđượ đạt đượ ậ ậ này, máy gia nhiệt đặt phía khu vực bị hỏng, sau nhựa đường làm nóng đến điểm ệ ệđược ựa đườ cóệnvới làcó đồ ấ ấcuối nén chặt Tác giả đề cập đến hạn chế ựa lên đườvàệntrộn đờmới mềm, xới HMA hệ thống làm nóngànhựầ đường độ sâu 20 - 30 mm (điều nàycứcó nghĩa nghiên ửệ cóụửthể ụxử lý ệ hằn ờệ lúnờbề nghiên cứệ mặt, nứt từ xuống rạn nứt không xử lý sâu hơn) việc gia nhiệt hiệu chủ yếu ại đểại để ảm ế ọế ọ ặt đườ ể ảể ả ảmhư cáchỏhư hỏ ặt đườ ự ựự ố ự ố đạt vật liệu nhựa đường có đồng kể ừkể [22] nghiên ặt đườ ế dụng ị ế nhiệt đượ ột năm ặt đườ ị ệthồng ệtngoại đượể để ệgiảm ể ệcác hư Huang, vàột cs.năm [21] Williams cứu việc sử ế dọc ấ đường ạấ nhựa ớ ớớ cóữa đườ hỏng liên kết xảy vòng mộtởđườ năm kểđượ từ thi công ếả trênả mặt ự Sự ựcố ốthểhai ữalàn haitrong đườ đườ đượ mặt trướ đường Thiết gia nhiệt trênlàn Hình Kết ứ cho trướ ả bịả ớng khơng khíthể cao đườ ớng khơng khí cao làn1.đườ ứ thấyạ khu vực mối nối hai đường, đường làm trước có khoảng trống khơng khí cao đường thứ hai ặt trình đầ đầ ế ế ỹ ỹậ ốiậ ụử ụ ả ả ặt q trình ới đượ đượ trạng thái khơng nén chặt q trình đầm nén Nếu khơng có kỹ thuật nối sử dụng ấ ấ Chất ấ kínị khớp giúp làm giảmảkhoảng ả ớ ớ trống khơng khí cao ấ ếấ kếtếdính chất ấ ịbịt khơng khoảng ảớ khíớtrong khu vực khớp dọc.ựTuy ựnhiên, ụ mối ả không ọớviệc ọsử dụng nhiệt ệhồngửệngoại ụử cho ệ nối ờệ cóờđộ trống đồng cao hơn, giảm khoảng trống khơng khí nên giảm hệ số thấm dọc theo mối nối cường cao ạ ố ớớ cóớđộcóđờđộ đờ ất caốthơn ả ả ả ảớ ớ ả ảệ độệ kéo ấọ ọ tăng vàchặt cường độ ếp lênđầdo đầ ặ ốtặhơn ốt ố gián ấố tiếp ố lên ốố vàốđầm cường độtốt ếp tăng tăng lên ệ cho ướ cho Gia nhiệt trước mép đườ mép đường (a) Gia nhiệt cho mối nối ệ ệ ố ốố ộ ố Bộ ậ phận gia ệ nhiệt ộ ậộ (b) Bộ phận gia nhiệt ậ ệ ệ Hình Máy gia nhiệt mối nối đường nhựa sử dụng xử lý mối nối dọc ố đườ ự đượ ự đượ ệ ốệ ốố đườ ụử ụ ử ố ốố (Heat Design Equipment, Inc.) [21, 22] ọố ọ Uzarowski, cs [23] nghiên cứu việc sử dụng gia nhiệt tia hồng ngoại sửa chữa nghiên à nghiên cứ cứệ ửệ ụ ụ ệ ằệ ằ ồ ồ ạ đường nhựa bị nứt Quá trình gia nhiệt bao gồm gia nhiệt cao thấp cho khu vực bị nứt đến ửữa với ữanhiệt đườđộựcao ịự ồ khuệ vựcệsửa chữa ấ đườ ứ ịápứdụng trước Các tác ệ giảệ nhấn ồ mạnh ấ phút lần, ◦ đế ứt 190 ỗ ầớ ớệtlưu caothuộc đượvào ụng trướ ịự lớn ứt ịtrong đế độýệtcao đượ ụng trướ làm nóng ự khơng C Thời gianỡlàmầ nóng làđộ phụ điều kiện thời tiết, loại hỗn hợp bê tông nhựa, khu vực sửa chữa (loại bỏ nước mảnh vụn) nhiệt độ ả ấ ự ữa đượ ớn 190 ả ấ ự ữa đượ ớn 190 ờbắt đầu rải nhựa đường Kết thu cho thấy đầm nén hiệu nên mật độ vật liệu đường thích làm nóng ý phụộc vào ộc điề vào điềệ ệờ ếờ ếạ ỗạ ợỗ ợ ự làm nóng đượcđược lưu ýlưu phụ ự hợp, khơng bị suy thoái liên kết chặt chẽ đường có vật liệu nhựa đường sửa chữa Nghiên ửữcơng sửa ỏ nướ ụ tiếtệtkiệm độphí ảự ự ự luận ửự ạữnghệ chữa ỏạ nướ ả ảhiệu ụ quả, độệtchi đầắtvàđầ ảvết nứt cứu kết tia hồng ngoại đườ có thu đượ ấ đầ trởđầ ệả ả ật độật ậđộ ệu ậ đườ ệu đườ đườ ế thểếảhoạt thuảđộng đượ sửa chữa tốt trongấ 13 năm lên ệ ởữSan Antonio, ngoại ợ ị [18] sửa chữa ếặ vết ặẽnứt ữdọc ẽ đườ đườ ệựa hồng ựa đườ ợ Freeman ị Epps ế 83 ệ ệ Texas ậ ệậ nhiệt đườ Hệ thống gia nhiệt áp dụng thiết bị HeatWurx 45 kW, nhiệt độ thời tiết mặt đường ả ửữ ◦ ữ ứ ếứ◦ ậế ằ◦ậ ằ ệ ệ ửữ ằữ ằ ồ ồ ệạ ệả lần ◦ lượt 15 C - 21 C 19 C - 30 C Hiệu việc sửa chữa so sánh với phần đường ứ đượ ể độạt độốt ốt 13 năm ế ệế ệ ế ứế đượ ửữ ữ ể ạt 13 năm trở trở ban đầu để kiểm tra mật độ lý thuyết lớn tối đa, mô đun đàn hồi thử nghiệm kéo gián tiếp Tất 168 Chương, L H., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng vị trí sửa chữa thăm quan sau 12 tháng từ hoàn thành cho thấy đa số miếng vá hoạt động tốt số khác bắt đầu hỏng chủ yếu xô đẩy Tuy nhiên, điều tra cho thấy liên kết sửa chữa tốt cho việc vá điều kiện thời tiết lạnh Nazzal, Kim Abbas [24] đánh giá phương pháp vá ổ gà thời tiết mùa đơng, có phương pháp vá tia hồng ngoại Thời lượng vá trung bình 20 phút với đến 10 phút phân bổ để làm nóng sơ Người ta đề nghị, nên gia nhiệt trước mặt đường cũ nhiệt độ đạt từ 135 ◦ C đến 190 ◦ C Hồng ngoại sử dụng để gia nhiệt mẫu thí nghiệm phịng thí nghiệm bê tơng nhựa để thực thí nghiệm [25] Truyền nhiệt hồng ngoại mặt đường bê tơng asphalt Hình mơ tả bước trình sửa chữa HIR sử dụng thiết bị gia nhiệt hồng ngoại [26] Sự truyền xạ điển hình sóng điện từ xác định bước sóng tần số chúng phân loại phổ điện từ Phần hồng ngoại quang phổ từ 0,7 µm (bằng 7e−7 m) đến 103 µm (bằng 1e−3 m) Năng lượng truyền lò sưởi hồng ngoại tỷ lệ với nhiệt độ Nhiệt độ cao, bước sóng ngắn lượng lượng xạ lớn [26] Khi lượng xạ truyền đầu gia nhiệt chạm vào bề mặt nhựa đường, trình truyền nhiệt tia hồng ngoại xảy Một phần xạ bị hấp thụ làm tăng nhiệt độ hỗn hợp nhựa đường cách dẫn nhiệt, phần khác truyền phản xạ trở lại khu vực xung quanh [26] Do đó, mối quan hệ hiệu nhiệt hồng ngoại-lò sưởi-nhựa đường, hiệu việc phát lượng xạ lò sưởi (liên quan đến độ phát xạ lò sưởi (ε)), phần trăm lượng xạ truyền lò sưởi chạm vào nhựa đường (liên quan đến hệ số quan sát (F)) lượng lượng nhựa đường hấp thụ (liên quan đến độ phát xạ nhựa đường (ε)) chiếm ưu Các thông số khác để thêm vào mối quan hệ đặc tính nhiệt lý hỗn hợp bê tơng nhựa Các đặc tính ảnh hưởng đến truyền lưu nhiệt bên mặt đường lượng xạ hấp thụ ứng dụng nhiệt xạ bề mặt mặt đường Có hai loại đặc tính riêng biệt: đặc tính vận chuyển nhiệt động lực học Các đặc tính vận chuyển liên quan đến truyền lượng qua nhựa đường độ hấp thụ (a), độ phát xạ (e) độ dẫn nhiệt (k) Các đặc tính nhiệt động học liên quan đến trạng thái cân hỗn hợp nhựa đường khối lượng riêng (q) nhiệt dung riêng (cP ) [27] Độ dẫn nhiệt nhựa đường bị ảnh hưởng loại hỗn hợp, loại cốt liệu [26], cấp phối cốt liệu [28], mật độ hỗn hợp [29], nhiệt độ hỗn hợp [30] diện độ ẩm hỗn hợp [28, 31] Ví dụ, tác giả [31] phát mật độ tăng độ dẫn nhiệt tăng khoảng trống khơng khí hỗn hợp giảm, điều kiện độ ẩm đóng băng làm tăng độ dẫn nhiệt nhựa đường cơng thức (1) [1], đó: c p nhiệt dung riêng, J/(kg.◦ K); ρ khối lượng riêng vật liệu, kg/m3 , V thể tích thành phần (hỗn hợp vật liệu, bitum, độ ẩm, khơng khí), m3 ; Vt tổng thể tích bê tơng nhựa, m3 Trong phương trình này, độ ẩm coi nước lỏng nước đóng băng: cpρ = (c p ρV)aggregate + (c p ρV)bitum + (c p ρV)moisture + (c p ρV)air Vt (1) Tuy nhiên, độ dẫn nhiệt nhựa đường giảm nhiệt độ cao 25 ◦ C theo báo cáo [29] Nhiệt dung riêng độ khuếch tán nhiệt bị ảnh hưởng mức độ dẫn nhiệt Hassn, cs [32] 169 (e) (k) Các đặ ệtệtệt độ liên quan đếđế (k) Các độ ọc quan (e) độẫ ẫ ệt đặ ệt độ ọc liên quan đếđếạ ạạ ạạ (e) vàvà độđộ ệt ệt (k) Các đặđặ độ liên quan đế ạạ (e) (k) Các đặ ệt độ ọcọc ọc liên quan (e) độ ẫ ệt (k) Các đặ ệt độ ọc liên quan (e) độ ợẫ ẫựa đườ ệtđườ ệt độ ọcliên liênệquan quan đếđế ạ ệt(k) (k).Các Cácđặ đặối ọc lượ lượ ệệ ệ đế ối lượ đườ ốiối lượ ằằằ ủủ ủủạ ỗ(e)ỗỗvàợ độ ợ ựa đườ ối lượ ệt độ ằằ ủ ủủ ỗ ỗỗ ợ ợợ ựaựa ựa đườ lượ đườ ối lượ đườ ốiối lượ ệệ ệ Chương, L H., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng ần hư hỏ ạạ ạạạ ần hư hỏ ần hư hỏ ần hư hỏ ần hư hỏ ần hư hỏ (a) phần hư hỏng sạchần ần hư hỏng Làm hư hỏng ệ ệệệ ệ ệ ệ ệ (c) Gia nhiệt ậậậậậ ế ếếếếị ịịị ị ệ ệệệ ồệ ồồồ ồ ạạạ ệệngoại ồ ồ n ạ ệhồng ậậ(b) ậBật ếthiết ế ếbịịịgia ịnhiệt hồng tơi bê tông nhựa ớiớiới tơi bê tông nhựa cũcũ ới tơi bê tông nhựa cũ tơi bê tông nhựa cũ (d) Xới tơi bê tông nhựa cũ tông nhựa ới ới tơitơi bêbê tông nhựa cũcũ ới ới tơitơi bêbê tông nhựa cũcũ tông nhựa ổ Bổ sung HMA ớ ướ ựađườ đườ ướ (e)ấ Tưới ấấấ chất làmớmới ớớớnhựa đường ổ HMA ựa đường (f) bổổ(f)xung ướướ ựaựa đường ớiớớ đường ướ ớớ ớớ ựa đường ổổ ổổ ới ướướ ựaựa đường ướ ấấ ấấ ựa đường (h) Lu lèn làm phẳng ẳẳ ộn đề ỗỗ ợp ợpbê bê ẳ ẳ ỗ ợp bê ộnộn đề đề ỗ ợp bê ựa cũ mớ ựabước cũ vàbản mớ Hình Các trình sửa chữa HIR sử dụng hồng ngoại [26] (g) Trộn hỗn hợp bê tông nhựa cũ ựa cũ ựađề ợp ộn đề ợp bêbê ẳẳ ẳẳ ộnộn đề ợpmớ bê ộn đềcũỗỗvàỗỗ mớ ợp bê ựa cũ cũ mớ Các bướcựa ửử ữữ ửử ụ ụ ồ ồ ạạ ựacơ cũbả vàvà mớmớ bả ựa cũ mớ Các bước Các bước cơcơ bảbả ửử ữữ ửụ ụ ồ ồ ạ 170 Độ Các ựa hưở ởở ạửụỗ ỗụ ợ ồ Độ ẫCác ệ ủcơcơ ựa đườ đườ ịịảnh ảnh hưở ợ ồ ạ ốạạốạệ ệ bước bả ữ bước bả Các ữ ụ ồ Các bước bả ữ ụ Độ ẫ ệ ủ ựa đườ ị ảnh hưở ỗ Độ ẫ ệ ủ ậtựa đườ ị ảnh hưởệt độở ỗ ợ ỗ ợ ợồ ựạ ạệố ạố ệệ ệ ấấ ốố ốố ệệ ật độ độ ỗỗ ợợ ệt độ ỗ ợ ự ệ ệ ấđộ ẩốĐộ ố ố ệ ật độ ỗ ợ ệt độ ỗ ợ ự ệ Độ ẫ ệ ủ ựa đườ ị ảnh hưở ỗ ợ ố ố ệ ật độ ỗ ợ ệt độ ỗ ợ ự ệ ệ ẫ ệ ợệ ủ ủ ựaựa đườ ệtă hưở ởở ạạ ệạệỗỗ ỗ ằợợằợ ạạ ật ốốậtđộ đườ ị ảnh hưở ố ệđộ ụụ ị ảnh ảả độ ẩ ĐộĐộẫ ẫỗỗ ợ ệ ệ ả ậ ấ ằ ệt dung riêng độ ức xác định độ ế ả ế ớng khơng khí tăng lên độ ẫ ệt cũng giả Điề ỉ ệ E Chương, L H., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng độ lênẫ độệdẫnủnhiệt ậ giảm ệ nhiệt dung riêng độ E trống khơngớ khílàtăng nhận thấy khoảng U khuếch tán nhiệt giảm theo Điều công thức xác định độ khuếch tán nhiệt (β): β= ứk ρc p ế ị ệ , với k độ dẫn nhiệt vật liệu, W/m.◦ K (2) ế ứ bị gia nhiệt ục đích nghiên cứ Mơ hình nghiên cứu thiết ế ị ệ ữ hư hỏ ỏ ặt đườ ổ ứ …) 4.1 Mơ hình lý thuyết phương ệ ộ ế ị ệ đượ ế ậ có sơ đờ Trong nghiên cứu này, với mục đích nghiên cứu mơ hình thiết bị gia nhiệt cho sửa chữa hư Hình Trong ụng khí gas đớt cháy để ớm ceramic đế ệt độ hỏng nhỏ mặt đường bê tông asphalt (ổ gà, nứt, bong tróc, ) theo phương pháp HIR Việt Nam ồ thiết bị ạgia nhiệt đượcừ thiết bìnhlập gascó(1) đầuHình phun (7) đượ Một mơ hình sơ đến đồ Trong sử dụng khí gasờ đốt cháy để nung nhiệt độ đến đầu ộ nóng gốm ceramic ộ ớiđến khơng khíphát đượtia hồng ấ ngoại Khí gas ỡtừ bình ợpgas khí(1)đượ ẫ phun (7) đượcờng phun vào buồng hịa trộn (9) hịa trộn với khơng khí lấy từ cửa (8) Hỗn hợp khí (9) để ờng đớ ại hỡ ợp khí đớt cháy để ớ dẫn buồng (9) để vào buồng đốt (10), hỗn hợp khí đốt cháy để làm nóng gốm đến đế ệt độ ồ ồ ề ặ ố đầ ệ nhiệt động phát tia hồng ngoại Tia hồng ngoại từ bề mặt gốm đầu gia nhiệt truyền đến bề mặt đếsửa ềchữa,ặtxuyên đườ thấuầ vàoử sâu bên ữ lớp ấbề mặt đường làm nóng đến ề nhiệt ặt đườ đườngền cần độ hóa lỏng bitum để bềđếmặt đường dễ thi công.để ề ặt đườ làm nóng ệt độmềm raỏng bitum ề ễ 1- Bình gas; 2- Van tiết lưu có điều chỉnh; 3- Ống dẫn khí; 4- Đồng hồ đo áp suất khí đầu bình gas; 5- Van điều ết lưu có điề ỉ Ố ẫn khí; Đờ ờ đo áp suất khí đầ Van điề ỉ ấ , Đờ ờ đo áp ś ấ khí; 9- Buồng hịa trộn hỗn hợp khí cháy (gas kết hợp khơng khí bên ngồi mơi trường, điều chỉnh được) dẫn hỗn ồ ệt; Đầ gia ấ nhiệt; 10- Buồng đốt ờ ộ ỡ ợ hợp khí cháy cho buồng chỉnh áp suất (van an toàn); 6- Đồng hồ đo áp suất khí gas cấp cho buồng gia nhiệt; 7- Đầu phun khí gas; 8- Cửa lấy khơng ủ Hình Sơ đồ tổng thể thiết bị gia nhiệt * Các thông số đầu vào cho việc tính tốn nhiệt: - Nhiệt độ đường ban đầu cuối cùng: theo nghiên cứu khoa học mục 2, dựa vào TCVN 8819-2011 [7], nhiệt độ mặt đường bê tơng asphalt tính tốn lấy nhiệt độ ban đầu 25 ◦ C; nhiệt độ sau gia nhiệt: 165 ◦ C - Thời gian gia nhiệt: từ – 10 phút - Nhiệt dung riêng đường bê tông asphalt: thường lấy 900 J/(kg.K) [33] - Trọng lượng riêng đường bê tông asphalt: 2350 kg/m3 - 2500 kg/m3 - Kích thước vật liệu: kích thước xác định theo mơđun thiết bị 600×600 mm 171 Chương, L H., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng - Quang phổ hấp thụ bê tông asphalt: 80 – 88% [34] - Khoảng cách làm nóng vật liệu: 50 – 57 mm - Không gian từ mặt thiết bị đến mặt đường che kín Việc che kín giúp cho q trình gia nhiệt khơng chịu ảnh hưởng gió hạn chế ảnh hưởng độ ẩm khơng khí mơi trường xung quanh * Xác định cơng suất cần thiết: Phương trình truyền nhiệt xác định cơng suất nhiệt cung cấp cho vật liệu hấp thụ, tính theo cơng thức [30] chuyển đổi sang hệ SI: N= ργ∆T t (3) W/m2 đó: ρ trọng lượng/m2 ; γ nhiệt dung riêng, J/ kg.◦ C ; ∆T khoảng thay đổi nhiệt độ, ◦ C; t thời gian tác động nhiệt, ệtoán ố công suất ểcho thiết ệ bị: ố * Tính ệ ọ sưở Phươngả trình ẩtruyềnớnhiệt ả xạ Stefan-Boltzman: ữ ữa kích thướ ế ị ệ ớ đượ ể ệ NΣ = S T h4 − T p4 EF W/m2 ệ (4) Chiều rộng thiết bi NΣ tổng cơng suấtKhoả đượcngmặt hấpt thụ, cácđường h đến mặ đườnW/m g ; S số Stefan-Boltzman, S = 5,670367(13) × 10−8 W/ m2 ◦ KChiề ; Tu h dà nhiệt độ thiết bị gia nhiệt, ◦ K 1◦ C = 1◦ C + 273,15 = i thieá t bi 274,15◦ K ; T p nhiệt độ mặt đường, ◦ K; F hệ số View, thể mối quan hệ hình học kích Khoảng cách đến mặt đường Hình Hệ ệ số ố View [30] ứ ệ ả ế ị ặt đường đặ 172   Chương, L H., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng thước thiết bị gia nhiệt (lò sưởi) sản phẩm với khoảng cách chúng Hệ số F thể Hình Với: Chiều rộng thiết bị M= Khoảng cách đến mặt đường (5) Chiều dài thiết bị N= Khoảng cách đến mặt đường E mức phát xạ hiệu quả, thiết bị mặt đường đặt song song: E= 1 + −1 Eh E p (6) Eh mức phát xạ thiết bị gia nhiệt, lấy Eh = 0,85; E p mức phát xạ mặt đường, giả thiết vật xám (gray body) E p = 0,7 Vậy, tất biến xác định đưa vào phương trình truyền nhiệt xạ tính cơng suất (W/m2 ) mà mặt đường hấp thụ Hoặc biết yêu cầu lượng (W/m2 ) của mặt đường phương trình sử dụng để xác định nhiệt độ thiết bị gia nhiệt cần thiết Thay số liệu đầu vào ta được: - Công suất cần thiết để làm nóng mặt đường theo yêu cầu: N 416 W/m2 - Nhiệt độ cần thiết thiết bị gia nhiệt 470,150 ◦ K = 197,78 ◦ C Vậy, nhiệt độ phát xạ hồng ◦ ◦ ngoại cần thiết đầu 200 ệ độgiaầ nhiệt ế để ủ nhiệt ế ịđộ mặtệ đường đạt 165 C khoảng ậ ệt độ C ồthiết để thiết ầ ế gia đầnhiệt nhiệt ệt để độệt T độh =ặt197,78 đường đạ◦ C tínhả theo (4) điều - Công suất cần bị kiện đầu là: Nct = (60/t)N/(EF) = 8390,1 W/h = 7214,18 Kcal/h ị ệ Kcal/kg ệt độ đượ thụ khí gas là: 7214,18/11000 - Với nhiệt lượng có ấíchầcủa ết khíđểgasếkhoảng 11000 lượngCtiêu điề ện đầ 0,656 kg/h ệt lượ ủ ảng 11000Kcal/kg lượ ụ # 4.2 Mơ hình thực nghiệm ự ệ ị đượ ạo để ể ứ ế Hình Thiếtếbị chếếtạo để kiểm chứng tính tốn lý thuyết ộ ế ị ự ệm đượ ế ạo Hình để ế ả ự ế ự ệ ệ ế ị có kích thướ ệ Một mơ hình thiết bị thực nghiệm chế tạo Hình để so sánh kết tính tốn với thực tế ệ phịng thíửnghiệm ụ ệu đớ ố 60×60 ụng để thực nghiệm Thiết bị có kích thước hệ giấ nhiệt cm, sử dụng khí gas ồ ố ế ệ ấ ỗ ọ ồ ửa đề ị ệt độ 173 Chương, L H., cs / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng làm nhiên liệu đốt cháy, gốm sử dụng để phát hồng ngoại gốm dùng cho bếp cơng nghiệp có cấu tạo với 1200 lỗ li ti, lửa phát tia hồng ngoại, vòng lửa đều, chịu nhiệt độ cao 1500 ◦ C Hệ gia nhiệt gồm bốn đầu đốt giống hệt nhau, làm việc đặt cách mặt đường cm, khu vực gia nhiệt thiết bị mặt đường che kín Nhiệt độ gia nhiệt đo đồng hồ Hình 6(a) Áp suất khí vào buồng đốt đầu gia nhiệt đặt 0,03 Mpa để đạt nhiệt độ phát xạ hồng ngoại gốm 200 ◦ C Nhiệt độ phịng thí nghiệm 25 ◦ C Hình 6(a), thời gian gia nhiệt vòng phút Sau thời gian gia nhiệt, mặt đường đo nhiệt độ vị trí tâm diện tích gia nhiệt Kết Hình 6(b) cho thấy nhiệt độ mặt đường đạt 160 ◦ C Kết sát với tính tốn theo lý thuyết (a) độ môi trường trước ệt Nhiệt độ mơi trường trướ ệ ệt độ mơi trường trướ thí nghiệm ệ ệ Nhiệt độ mặt đường ệsau gia nhiệt ệt độ (b) ặt đườ ệt độ ặt đườ ệ Đo nhiệt độ trướ ệ Hình nghiệm độ trướ ệ ệ ồ Đo ốn nhiệt đầu đố ố6 Đo ệnhiệt độ trước sauệcthí đượ đặệ ặ đườ ự ệ ữ ế ị ặt đường đượ ệt độ ệt đo đờ ờ Hình 7a Áp ś ồng đố đầ ệ ồ ốn đầu đố ố ệ ệc ệđượ đặ Kết luận đặ Mpa để đạt đượ ệt độ ồ ủ ố ệt độ ự ệ ệ ữ ế ị ặt đường đượ độ C 7a,thiết thờ việc sử ệdụng thiết bị gia nhiệt sửa chữa, bảoệt Bài báo trình bày Hình cần dưỡng ặ đườngđờ bê tông nhựa Việt Nam pháp tái chế (HIR) đạt đầ chất sửa chữa ệ ợc đo ồ 7a.phương ồng ệ Hình ặt đườ ẽÁp đượcsuấ đo nhiệt độ nóng ị chỗ ủ đớ ệnhằmủa tốt, giảm gian thi7b công môi trường cứu pháp tính nhiệt ệ chi ế phí, ả thời ỉ Hình cho thấbảo vệ ệt độ ặt đườngNghiên đạ ế phương ả Mpa để đạt đượ ệt độ ồ ủ ố ệt độ cho thiết bị gia nhiệt kiểm chứng kết thực nghiệm với ví dụ cụ thể Kết ấ ế cho thấy có phù hợp kết tính ệ thửếnghiệm ệ tốn lý thuyết thực nghiệm Đây ậ C Hình 7a, thờ nghiên cứu bước đầu cho thấy, kết tính tốn đáng tin cậy áp dụng để thiết kế, tạo báo loại thiết bị gia trình bàynhiệt ầphụcếvụ ủsửa chữa ệ ửcácụ hư hỏng ế nhỏ ị Việt ệ Nam theo phương pháp HIR ờữ chếảoBài ệ ặt đườ ẽ đo nhiệt độ ị ủ dưỡng đườ ự ệ ằng phương pháp tái chế ấ Hình ữ 7b ố cho ả thấ ệt độ ả ệ đạ ệ ỗếLời cảm ả ằm ặt đường ế ơn ỉđạnhư trườ ứu phương pháp ệ ộ ế ị ệ ể ứ ế ả Nghiên ế ụ ụBộểGiaoế thông đềcho tài thấ “Nghiên cứu chế tạo thử ằ ựcứu ệ tài ộ trợ ả ửVận tải ệ cho cũng nghiệm thiết bị sửa chữa nhỏ đường bê tông asphalt phương pháp gia nhiệt”, mã số DT203066 ự ợ ữ ế ả ế ự ệ Đây nhữ Nhóm tác giả xin gửi lời cảm ơn đến trường Đại học Xây dựng hỗ trợ cho nghiên cứu ậ ứu bước đầ ấ ế ả đáng tin cậ ể ụ để ế ế ế ạ ế ị ệ ụ ụ ữa hư hỏ ỏở ệ theo phương Bài báo trình bày ầ ế ủ ảm ơn o dưỡng đườ ự ệ ằm đạ ấứu đượ ữ ợố ộ ả ế ệ ế ị ữ ỏ đườ ệ174 ụ ế ị ệ ằng phương pháp tái chế ậ ải choờđề tài “Nghiên cứ ả ằng phương pháp ệ ệ ả Chương, L H., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Tài liệu tham khảo [1] Brett T C, R., Williams, A., Copeland, A (2018) Asphalt Pavement Industry Survey on Recycled Materials and Warm-Mix Asphalt Usage 2017 Natl Asph Pavement Assoc., vol 8th Annual [2] Zaumanis, M., Cavalli, M C., Poulikakos, L D (2019) How not to design 100% recycled asphalt mixture using performance-based tests Road Materials and Pavement Design, 21(6):1634–1646 [3] Mogawer, W S., Austerman, A., Roque, R., Underwood, S., Mohammad, L., Zou, J (2015) Ageing and rejuvenators: evaluating their impact on high RAP mixtures fatigue cracking characteristics using advanced mechanistic models and testing methods Road Materials and Pavement Design, 16:1–28 [4] del Barco Carrión, A J., Presti, D L., Airey, G D (2015) Binder design of high RAP content hot and warm asphalt mixture wearing courses Road Materials and Pavement Design, 16:460–474 [5] Tran, N., Taylor, A., Turner, P., Holmes, C., Porot, L (2016) Effect of rejuvenator on performance characteristics of high RAP mixture Road Materials and Pavement Design, 18:183–208 [6] Zaumanis, M., Mallick, R B., Frank, R (2014) 100% recycled hot mix asphalt: A review and analysis Resources, Conservation and Recycling, 92:230–245 [7] TCVN 8819:2011 Mặt đường bê tông nhựa nóng - u cầu thi cơng nghiệm thu Bộ Giao thông Vận tải [8] Participant’s Reference Book (1997) Pavement Recycling Guidelines for State and Local Governments [9] https://www.maininfrastructure.com/blog/infrared-asphalt-patching-toronto/ [10] Dinnen, A (1981) Recycling-A Summary of Current Methods Shell Bitumen Review, (59) [11] Epps, J A (1980) State-of-the-Art Cold Recycling Proceeding of the National Seminar on Asphalt Pavement Recycling, Transportation Research Board, 780:68–100 [12] Servas, V P (1981) Hot Surface Recycling Highway Engineer, 28(12):8–13 [13] Kandhal, P S., Mallick, R B (1997) Pavement Recycling Guidelines for State and Local Governments - Participant’s Reference Book Publication FHWA-SA-98-042 National Center for Asphalt Technology, Auburn, AL, USA [14] Anderson, D A., Thomas H., R (1984) Pothole Repair in Pennsylvania [15] R, B (1993) Fabrication and Testing of Automated Pothole Patching Machine (No SHRP-H-674) Washington, D.C Strategic Highway Research Program, National Research Council [16] Clyne, T R., Johnson, E N., Worel, B J (2010) Use of taconite aggregates in pavement applications (No MN/RC-2010-24) Minnesota Department of Transportation, Saint Paul, MN, USA [17] Uzarowski, L., Henderson, V., Henderson, M., Kiesswetter, B (2011) Innovative infrared crack repair method Conference and Exhibition of the Transportation Association of Canada Transportation successes: Let’s build on themConference and Exhibition of the Transportation Association of Canada Transportation successes: Let’s build on them [18] Freeman, T J., Epps, J A (2012) HeatWurx Patching at Two Locations in San Antonio (No FHWA/TX12/5-9043-01-1) Texas Transportation Institute, FHWA, Texas Department of Transportation, Austin [19] Leininger, C W (2015) Optimization of the infrared asphalt repair process Master’s Thesis, University of Maryland [20] Thom, N (2008) Principles of Pavement Engineering Thomas Telford Ltd [21] Huang, B., Shu, X., Chen, J., Woods, M (2010) Evaluation of Longitudinal Joint Construction Techniques for Asphalt Pavements in Tennessee Journal of Materials in Civil Engineering, 22(11):1112– 1121 [22] Williams, S G (2011) HMA longitudinal joint evaluation and construction TRC-0801 Final Report, AR, University of Arkansas [23] Uzarowski, L., Henderson, V., Henderson, M., Kiesswetter, B (2011) Innovative infrared crack repair method Proceedings of Congress et Exhibition de l’Association des Transports du Canada [24] Nazzal, M D., Kim, S.-S., Abbas, A R (2014) Evaluation of winter pothole patching methods Columbus: FHWA, Ohio Department of Transportation (Publication FHWA/OH- 2014/2) [25] Chuong, L H., Trang, U Q., Lam, N (2019) Asphalt concrete testing device: Studying and designing based on the properties of asphalt concrete Journal of Science and Technology in Civil Engineering (STCE) - NUCE, 13(1):60–65 175 Chương, L H., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng [26] Bergman, T L., Incropera, F P., DeWitt, D P., Lavine, A S (2011) Fundamentals of heat and mass transfer 7th edition, John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey [27] Modest, M F (2013) Inverse Radiative Heat Transfer Radiative Heat Transfer, Elsevier, 779–802 [28] Andersland, O B., Ladanyi, B (2003) Frozen ground engineering 2nd edition, John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey [29] Chadbourn, B A., Luoma, J A., Newcomb, D E., Voller, V R Consideration of Hot Mix Asphalt Thermal Properties During Compaction Quality Management of Hot Mix Asphalt, ASTM International, 127–127–15 [30] Watlow Electric Manufacturing Company (1997) Radiant Heating with Infrared [31] Mirzanamadi, R., Johansson, P., Grammatikos, S A (2018) Thermal properties of asphalt concrete: A numerical and experimental study Construction and Building Materials, 158:774–785 [32] Hassn, A., Aboufoul, M., Wu, Y., Dawson, A., Garcia, A (2016) Effect of air voids content on thermal properties of asphalt mixtures Construction and Building Materials, 115:327–335 [33] United States Department of Transportation Pavement Thermal Performance and Contribution to Urban and Global Climate Truy cập ngày 15/5/2021 [34] Mei, A., Fiore, N., Salvatori, R., D’Andrea, A., Fontana, M (2012) Spectroradiometric Laboratory Measures on Asphalt Concrete: Preliminary Results Procedia - Social and Behavioral Sciences, 53:514–523 176 ... tiêu này, hệ thống gia nhiệt tia hồng ngoại sử dụng hoạt động làm đường bê tông asphalt từ bốn mươi năm qua Anderson Thomas [14] đề cập nhiệt hồng ngoại xạ thường sử dụng để sửa chữa lớp phủ, làm... để gia nhiệt mẫu thí nghiệm phịng thí nghiệm bê tơng nhựa để thực thí nghiệm [25] Truyền nhiệt hồng ngoại mặt đường bê tơng asphalt Hình mơ tả bước trình sửa chữa HIR sử dụng thiết bị gia nhiệt. .. việc sử dụng gia nhiệt tia hồng ngoại sửa chữa nghiên à nghiên cứ cứệ ửệ ụ ụ ệ ằệ ằ ồ ồ ạ đường nhựa bị nứt Quá trình gia nhiệt bao gồm gia nhiệt cao thấp cho khu vực bị nứt đến ửữa với ữanhiệt