Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt của máy đốt nóng khi sửa chữa mặt đường bê tông nhựa

Hội nghị Khoa học cơng nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thơng vận tải 
-659- 
NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT CỦA MÁY ĐỐT NĨNG 
KHI SỬA CHỮA MẶT ĐƯỜNG BÊ TƠNG NHỰA 
Nguyễn Văn Dũng1 
 1Phân hiệu tại Thành phố Hồ Chí Minh, Trường Đại học Giao thơng vận tải, 
Số 450-451 Lê Văn Việt, Phường Tăng Nhơn Phú A, Quận 9, Thành phố Hồ Chí Minh 
*Tác giả liên hệ: Email: dungnv1_ph@utc.edu.vn. 
Tĩm tắt. Hiện nay các thiết bị đốt nĩng mặt đường do Việt Nam nhập về cĩ chế độ 
làm việc chưa phù hợp do bộ phận gia nhiệt khơng đạt nhiệt độ yêu cầu là 1500C-
1700C, mặt khác khi tăng nhiệt dễ gây quá nhiệt cháy bê tơng nhưa (BTN), nên cần 
được tính tốn chi tiết các điều kiện truyền nhiệt, đặc biệt là ảnh hưởng của điều kiện 
biên để thiết kế chế tạo bộ gia nhiệt phù, từ đĩ xác định được nhiệt đầu vào cần thiết 
của bộ phận gia nhiệt. Thơng qua việc nghiên cứu nhiệt độ của mặt đường được gia 
nhiệt bằng máy, giúp xác định được chế độ gia nhiệt phù hợp của máy nhằm đảo bảo 
chất lượng sửa chữa mặt đường. 
Từ khĩa: Đốt nĩng mặt đường; Sửa chữa nĩng mặt đường; máy gia nhiệt hồng ngoại. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Sửa chữa mặt đường bằng phương pháp đốt nĩng tại chỗ cĩ nhiều ưu điểm nổi 
bật như tận dụng được vật liệu của mặt đường cũ tiết kiệm được 30% lượng BTN cấp 
mới, phù hợp với những hư hỏng cĩ diện tích nhỏ, các khu vực mép cống thốt nước, 
hố ga. Mặt khác sử dụng cơng nghệ đốt nĩng cho phép mặt đường sửa chữa cĩ tính 
liền mạch khơng tạo mép liên kết dễ dẫn đến tính thấm nước của mặt đường, hạn chế 
sử dụng các thiết bị phụ trợ khác như (máy bĩc, máy khoan đục), giảm lượng nhân 
cơng làm việc, thời gian thi cơng nhanh. 
Để sử dụng máy đốt nĩng mặt đường một cánh cĩ hiệu quả, đảm bảo chất lượng 
mặt đường sửa chữa đồng thời tiết kiệm nhiên liệu, địi hỏi phải nghiên cứu đầy đủ 
nhiệt độ mà mặt đường đạt được trong khoảng giới hạn cho phép, khơng gây cháy và 
biến tính BTN. Vì vậy việc nghiên cứu quá trình truyền nhiệt của máy xuống mặt 
đường BTN là điều rất cần thiết. 
2. NỘI DUNG 
2.1. Tổng quan về cơng nghệ và thiết bị đốt nĩng mặt đường 
2.1.1. Cơng nghệ đốt nĩng mặt đường 
Cơng nghệ này sử dụng nhiệt độ để hĩa mềm BTN thuận tiện cho việc trộn và bổ 
Hội nghị Khoa học cơng nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thơng vận tải 
-660- 
sung BTN mới để bù vào lượng BTN bị thất thốt. 
Hình 1. Sơ đồ cơng nghệ sửa chữa nĩng mặt đường. 
Cơng nghệ này gồm các cơng đoạn, 1-Đốt nĩng mặt đường, 2- Xới trộn mặt 
đường cũ, 3-Bổ sung vật liệu BTN mới, 4- Đầm hồn thiện mặt đường như sau: 
Bước 1: Quét sạch đất lỏng hoặc nước đọng từ khu vực được sửa chữa, sử dụng 
thiết bị vệ sinh và hút nước làm khơ tại các vị trí ổ gá vết nứt. 
Hình 2. Vệ sinh mặt đường-đốt nĩng mặt đường. 
Bước 2: Gia nhiệt mặt đường BTN: Di chuyển máy đến vị trí cần sửa chữa, đặt 
tấm gia nhiệt hồng ngoại, thời gian gia nhiệt 5-7 phút nhiệt độ mặt đường đạt 150-
1700C đạt độ sâu 5 cm, trong quá trình gia nhiệt phải đảm bảo nhiệt độ khơng làm 
cháy lớp BTN đồng thời hĩa mềm nhựa đường để đảm bảo quá trình sửa chữa trộn mặt 
đường BTN cũ. Sau khi gia nhiệt mặt đường, tiến hành xới đều mặt đường cũ, sử dụng 
cào thủ cơng, hoặc sử dụng máy xới trộn. 
Bước 4: Bổ sung BTN mới: Sử dụng các máy trộn mini đi theo để bổ sung BTN 
cho mặt đường cũ nhằm đảm bảo chiều dày của mặt sửa chữa so với mặt đường hiện 
hữu. 
Hội nghị Khoa học cơng nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thơng vận tải 
-661- 
Hình 3. Xới trộn, bổ sung BTN mới. 
Bước 5: Đầm lèn hồn thiện mặt đường: Sau khi bổ sung BTN mới và san sạt 
đều, sử dụng máy đầm nhỏ (máy đầm rung, máy đầm cĩc) hoặc máy lu mini để đẩm 
bề mặt BTN được bổ sung. 
Hình 4. Đầm lèn và hồn thiện mặt đường BTN. 
2.1.2. Thiết bị đốt nĩng mặt đường 
a) Sơ đồ cấu tạo tổng thể 
Hình 5. Cấu tạo tổng thể của máy đốt nĩng mặt đường. 
1.Thanh kéo, 2 Đồng hồ áp lực, 3 Giá bình gas, 4 Tấm gia nhiệt, 5 Khung di chuyển, 
6,7 Bánh xe di chuyển. 
Hội nghị Khoa học cơng nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thơng vận tải 
-662- 
- Nguyên lý làm việc của máy: Nguồn nhiên liệu đốt là khí Gas (propan) hoặc 
dầu Diezel, các chất đốt khác, nhĩm nghiên cứu lựa chọn nguồn nhiên liệu khí gas để 
hạn chế ơ nhiễm mơi trường, bình gas được lắp ráp trên máy. 
- Hệ thống cung cấp nhiên liệu sẽ cung cấp lưu lượng khí gas phù hợp với quá 
trình đốt thơng quá hệ thống các đường ống và ống venturi, bộ phập đánh lữa sẽ khởi 
động và làm ngọn lữa sẽ đốt nĩng tấm gia nhiệt. 
- Tấm gia nhiệt được cấu tạo từ các vật liệu chịu nhiệt như: sợi thủy tinh, gốm 
chịu nhiệt, ống kim loại, khi ngọn lữa truyền đến các vật liệu này sẽ được đốt nĩng lên 
nhiệt độ cao và giữ khơng cho ngọn lữa truyền thẳng xuống mặt đường. 
- Chiều cao thanh kéo được thiết kế phù hợp với tầm tay kéo của con người Việt 
Nam là 1,2 mét, chiều cao tấm gia nhiệt với mặt đường khoảng 2-3 cm và cĩ thể điều 
chỉnh để phù hợp với các biến dạng của mặt đường. 
2.2. Xây dựng các điều kiện biên của quá trình truyền nhiệt 
2.2.1. Cơ sở lý thuyết 
Với đối tượng truyền nhiệt của thiết bị gia nhiệt là mặt đường BTN cĩ đặc điểm 
mặt đường nằm trên nền đất được xem cĩ chiều dày vơ cùng, như vậy mơ hình truyền 
nhiệt được khảo sát sẽ là mơ hình truyền nhiệt 1 chiều khơng ổn định lên đối tượng cĩ 
1 mặt thống cĩ chiều dày vơ cùng, nhiệt độ phân bố trong nền đường được phân bố 
theo hàm vị trí và thời gian, T= f(x, ), [1] 
Trong đĩ: T là nhiệt độ tại điểm x (mm),  thời gian truyền nhiệt (s) qv mật độ 
dịng nhiệt, (W/m2); k là hệ số dẫn nhiệt (W/mK), điều kiện ban đầu:  = 0, T(x,0) = 
To; Điều kiện biên: tại x = 0, T(0, x) = Tw 
 Dùng phương pháp đổi biến kép, chuyển phương trình vi phân đạo hàm riêng 
thành phương trình vi phân thường [1]: 
 Để xây dựng phương trình truyền nhiệt từ máy gia nhiệt xuống mặt đường, đề 
tài đã sử dụng lý thuyết mơ hình phần tử hữu hạn, truyền nhiệt qua vách cĩ nguồn 
nhiệt, trước hết mơ hình hĩa mặt đường là vách phẳng. 
 (1.1) 
(1.2) 
Hội nghị Khoa học cơng nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thơng vận tải 
-663- 
X
Lớp BTNN mịn 4 cm
Lớp BTNN thô 4 cm
Lớp cấp phối đá dăm, 25 cm
Lớp nền 30 cm
TConst
Z
Surf
Hình 6. Mơ hình kết cấu mặt đường truyền nhiệt. 
Khảo sát kết cấu mặt đường gồm 3 lớp truyền nhiệt cơ bản, chiều dày lớp mặt 
đường δ (cm), hệ số dẫn nhiệt k(W/m°C), mật độ  (kg/m) , nhiệt dung riêng c 
(J/kg°C) của hai lớp tương ứng như sau: δ1 = 4cm; δ2 = 4cm; δ3 = 22cm; k1= 1,0416; 
k2= 1,265; k3= 1,375; k4= 1,265; 1= 2100; 2= 2200; 3= 2400; C1= 1666,6 (J/kg°C); 
C2= 1215 (J/kg°C); C3= 1150 (J/kg°C); . Mặt trên nhận bức xạ mặt trời và tỏa nhiệt 
với khơng khí. Nhiệt độ khơng khí TK, bức xạ mặt trời E, tốc độ giĩ trung bỉnh w = 2,4 
m/s. 
2.2.2 Điều kiện biên của quá trình truyền nhiệt 
 Ba loại điều kiện biên cơ bản ảnh hưởng đến bài tốn truyền nhiệt từ máy 
xuống mặt đường gồm: Nhiệt độ hiện hữu tại mặt đường, đối lưu nhiệt độ mặt đường 
và năng lượng bức xạ giữa mặt đường và mơi trường xung quanh. 
a. Nhiệt đối lưu 
Dịng nhiệt đối lưu được chỉ định tác động lên một bề mặt tuân theo biểu thức 
chung [5]: 
 Với {η} là vectơ đơn vị pháp tuyến hướng ra ngồi ; q* - lưu lượng nhiệt quy 
định, là nhiệt đối lưu trên mặt đường được tính theo cơng thức [5] : 
 Với hf - hệ số đối lưu ; Tsur - nhiệt độ ở bề mặt của mặt đường ; Tair - nhiệt độ 
khối khơng khí giữa máy và mặt đường. 
b. Nhiệt bức xạ : Trao đổi năng lượng bức xạ giữa một bề mặt của tấm gia nhiệt và 
mơi trường xung quanh được tính theo biểu thức sau [5]: 
(1.3) 
(1.4) 
(1.5) 
Hội nghị Khoa học cơng nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thơng vận tải 
-664- 
 Trong đĩ σ - hệ số Stefan-Boltzman; ε- phát xạ hiệu quả; qr - cân bằng cường 
độ bức xạ sĩng dài. 
c. Điều kiện về độ ẩm: Khí hậu của thành phố Hồ Chí Minh (theo tài liệu khí tượng thủy văn 
khu vực thành phố Hồ Chí Minh lấy từ các trạm quan trắc và tổng hợp các điều kiện khí 
tượng thủy văn) cĩ các đặc trưng sau: 
− Độ ẩm khơng khí tương đối trung bình năm: 79.4% 
− Độ ẩm khơng khí tương đối cao nhất: 85% 
− Độ ẩm khơng khí tương đối thấp nhất: 66% 
− Độ ẩm khơng khí tương đối cao nhất vào các tháng mùa mưa (từ 82%-85%) và 
thấp nhất vào các tháng mùa khơ (từ 71%-76%). 
d.Điều kiện về bức xạ mặt trời 
− Tổng lượng bức xạ trong năm: 145-152 kcal/cm2; Lượng bức xạ cao nhất:15,69 
kcal/cm2 (vào tháng 3); 
− Lượng bức xạ thấp nhất: 11,37 kcal/cm2 (vào các tháng mùa mưa); 
− Số giờ nắng trong năm: 2.448 giờ; 
− Số giờ nắng cao nhất bình quân trong ngày: 8 giờ; 
− Số giờ nắng thấp nhất bình quân trong ngày: 5.5 giờ. 
e. Điều kiện về giĩ: Trong vùng cĩ 2 hướng giĩ chính (giĩ Đơng-Nam, Tây-Tây Nam) 
lần lượt xen kẽ nhau từ tháng 5-tháng 10, khơng cĩ hướng giĩ nào chiếm ưu thế, tốc 
độ giĩ trung bình năm 2.4m/s. 
 Dịng nhiệt áp đặt vào vật thể nghiên cứu gồm cĩ 3 thành phần chính là dịng 
nhiệt do bức xạ mặt trời qmt, dịng nhiệt do bức xạ khơng khí qbx và dịng nhiệt do đối 
lưu qđl, dịng nhiệt của thiết bị gia nhiệt qtb [5] 
- Dịng nhiệt do bức xạ mặt trời được xác định thơng qua phương trình sau [5]: 
Trong đĩ: Imt là bức xạ tới của mặt trời, phụ thuộc vào vĩ độ và gĩc tới giữa tia 
sáng mặt trời với bề mặt đường và α là hệ số hấp thụ của vật liệu mặt đường 
- Dịng nhiệt do bức xạ sĩng dài từ mơi trường bên ngồi được xác định theo 
phương trình sau [7]: 
Trong đĩ: ; lần lượt là hệ số phát xạ của mơi trường và của vật thể nghiên 
cứu. ; ; lần lượt là nhiệt độ tuyệt đối của khơng khí và nhiệt độ của 
bề mặt đường, dịng nhiệt do đối lưu được xác định theo phương trình sau [7]: 
(1.6) 
(1.7) 
(1.8) 
Hội nghị Khoa học cơng nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thơng vận tải 
-665- 
Trong đĩ: hc là hệ số đối lưu nhiệt phụ thuộc vào vận tốc giĩ, hệ số đối lưu nhiệt 
cĩ thể được xác định 
Vwind là vận tốc giĩ lưu thơng ở bề mặt đường. 
Bài tốn truyền nhiệt của mặt đường cĩ thể được đưa về bài tốn một chiều. 
Phương trình vi phân truyền nhiệt bên trong mặt đường (2) được viết lại 
trong đĩ z là chiều sâu. Phương trình rời rác hĩa cĩ dạng: 
Với [C] là ma trân nhiệt dung; [K] là ma trận độ cứng, {f} là véc tơ tải nhiệt 
Thiết lập mơ phỏng quá trình truyền nhiệt: 
Hình 7. Sơ đồ phân lưới phần tử hữu hạn của mơ hình truyền nhiệt cài đặt các điều 
kiện biên như bức xạ, nhiệt độ, đối lưu, 
Nhập thơng số Film Coefficient = 7,89 W/m2.0C Sau khi chạy được kết quả. 
Hình 8. Mơ phỏng nhiệt độ mặt đường. 
 (1.9) 
(1.10) 
(1.11) 
(1.12) 
Hội nghị Khoa học cơng nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thơng vận tải 
-666- 
Sau khoảng thời gian gia nhiệt 300s , nhiệt độ giữa các lớp mặt đường cĩ sự thay 
đổi. Do tính chất của các lớp mặt đường khác nhau mà sự biến đổi nhiệt trong các lớp 
khác nhau. Tồn bộ mặt đường đạt giá trị nhiệt độ thấp nhất là 65.2080C ,cao nhất 
157.480C và giá trị trung bình khoảng 112.610C. 
Hình 9. Sự thay đổi nhiệt độ trong các lớp BTN. 
Hình 10. Nhiệt độ của các lớp BTN mịn và lớp BTN thơ. 
Sau khoảng thời gian gia nhiệt từ 0-300s (5 phút) nhiệt độ trong lớp bê tơng nhựa 
mịn đạt giá trị nhiệt độ thấp nhất là 65.2080C, cao nhất 157.480C và giá trị trung bình 
110.390C. 
Hội nghị Khoa học cơng nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thơng vận tải 
-667- 
0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
0 6 . 3 1 2 . 6 1 8 . 9 2 5 . 2 3 1 . 5 3 7 . 8 4 4 . 1 5 0 . 4 5 6 . 7
N
h
iệ
t 
đ
ộ
 m
ặ
t 
đ
ư
ờ
n
g.
 0
C
cHIỀU SÂU CỦA MẶT ĐƯỜNG, CM
160 0C 200 0C 120 0C 100 0C
Hình 11. Đồ thị phân bố nhiệt độ theo chiều sâu ứng với các nhiệt độ ban đầu 
của thiết bị T1= 2000C; T2= 1800C; T1= 1200C T1= 1000C. 
Nhận xét: Để đảm bảo cho mặt đường BTN khơng bị cháy do quá nhiệt >1800C, 
và gia nhiệt khơng đủ hĩa mềm BTN< 600C, ứng với chiều sâu cần cào trộn để thực 
hiện sửa chữa lại mặt đường là 5÷20 cm, theo kết quả từ đồ thị ta chọn chế độ gia nhiệt 
ban đầu là 1600C trong thời gian 0- 300 giây. 
3. KẾT LUẬN 
Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt của máy đốt nĩng xuống mặt đường là cơng 
việc cần thiết, cĩ ý nghĩa khoa học và thực tiễn gĩp phần vào việc nâng cao chất lượng 
và hiệu quả của việc đốt nĩng mặt đường bê tơng nhựa, làm cơ sở cho việc chế tạo 
máy tại Việt Nam. Nội dung nghiên cứu đã đạt được các vấn đề sau: 
- Tổng quan về đặc tính nhiệt của BTN, các điều kiện biên của bài tốn nhiệt, 
cơng nghệ sửa chữa mặt đường và máy đốt mĩng mặt đường. 
- Tính tốn và mơ phỏng nhiệt độ của thiết bị gia nhiệt xuống mặt đường, khảo 
sát các khoảng nhiệt độ mặt đường phù hợp từ đĩ xác định được nguồn nhiệt ban đầu, 
thời gian gia nhiệt.. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Trịnh Văn Quang, Cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn trong truyền nhiệt, NXB 
Thế giới 2013. 
[2] Cục quản lý đường bộ, Sổ tay kỹ thuật bão dưỡng đường bộ, 2014. 
[3]. Trịnh Văn Quang, Trần Văn Bảy, “Khảo sát trạng thái nhiệt lớp BTN mặt cầu 
dưới tác động của thay đổi thời tiết bằng phương pháp phần tử hữu hạn”, Tạp chí KH 
GTVT số 05/2013. 
Hội nghị Khoa học cơng nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thơng vận tải 
-668- 
 [4]. Nguyễn Thống Nhất, Trần Văn Thiện “Nhiệt độ tính tốn lớp mặt đường BTN 
trong kết cấu áo đường mềm khu vực Nam bộ và một số kiến nghị”, Tạp chí Giao 
thơng vận tải số 11/08/2016. 
[5]. Nguyễn Huỳnh Tấn Tài, ThS Trần Thiện Nhân “Tính tốn dự báo nhiệt độ mặt 
đường bằng phương pháp số và ứng dụng” Kỷ yếu hội thảo khoa học ĐH BK TP Hồ 
Chí Minh 2017. 
[6]. Khalid S.Shibib, Dr.Qusay abduljabbar jawad, Haqi I. Gattea, “Temperature 
distribution through asphalt pavement in tropical zone”, Anbar Journal for Engineering 
Sciences, 2012. 
[7]. Dongdong Han, Yongli Zhao, Yuanyuan Pan, Guoqiang Liu, Tao Yang. “Heating 
process monitoring and evaluation of hot in-place recycling of asphalt pavement using 
infrared thermal imaging” journal Automation in Construction 111 (2020).