Mathematical Modeling of Dielectric Heating of an Airfield Rigid Pavement Two-layer Expansion Joint
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2025-6-106-116Keywords:
microwave heating, expansion joint, electromagnetic field, temperature, mathematical modelingAbstract
It is known that in the practice of road construction and repair, there are methods based on the asphalt concrete mixture self-healing properties. Although the mechanism of self-healing has not been fully understood as yet, it is believed that it is due to the presence of bitumen in the mixture. When the bitumen melting point is reached, small defects are calked in the material volume and at its surface. This effect was laid at the heart of a patented method for the preventive treatment of expansion joints in rigid airfield and road pavements, the top layer of which is filled with either ordinary bitumen or a bitumen-based composite. Experimental studies were performed, which have confirmed the possibility of almost continuous operation of pavements when implementing this method using a microwave installation, and which have shown the need to study the operating parameters. The specific properties of the object of the study do not make it possible to directly use for these purposes the results of numerous works aimed at studying the regularities relating to dielectric heating of materials under various conditions. The aim of this work is to predict the results of applying microwave heating to a cement–concrete pavement with a two-layer expansion joint. To substantiate the most effective and safe modes used to perform microwave heating of sealant in a two-layer expansion joint, the mathematical modeling method was used. The article presents the results from a numerical study of the temperature field development pattern in a two-layer expansion joint and surrounding cement-concrete slabs when subjected to dielectric heating using a mobile system composed of several waveguides. The mathematical model representing the microwave heating of a two-layer expansion joint in a rigid airfield pavement can be used in designing effective process modes for subjecting expansion joints to intensive heat treatment.
References
1. Диденко А.Н. СВЧ-энергетика: теория и практика. М.: Наука, 2003.
2. Qiu J. e. a. Evaluating Self Healing Capability of Bituminous Mastics // Experimental Mechanics. 2012. V. 52. Pp. 1163—1171.
3. Поляков Д.Н. Сверхвысокочастотный нагрев асфальтобетонных покрытий // Наука и техника в дорожной отрасли. 1997. № 2. С. 28—29.
4. Maliszewski M. e. a. Full-scale Use of Microwave Heating in Construction of Longitudinal Joints and Crack Healing in Asphalt Pavements // Materials (Basel). 2021. V. 14(18). P. 5159.
5. Пат. № 2021134425 РФ. Способ обработки и восстановления рабочих свойств швов жёстких аэродромных и дорожных покрытий / Недоносков А.Б., Внуков А.Н., Дорняк О.Р., Санникова С.М., Макогон В.К. // Бюл. изобрет. 2022. № 31.
6. Саитов Р.И. и др. Математическая модель процесса электромагнитного нагрева многофазного многокомпонентного пласта тяжелой нефти // Вестник Академии наук Республики Башкортостан. 2018. Т. 29. № 4(92). С. 73—79.
7. Резник С.В., Румянцев С.А. Математическое моделирование температурного состояния цилиндрических заготовок из полимерных композиционных материалов при СВЧ-нагреве // Наука и образование. 2014. № 1. С. 6—21.
8. Захаров В.В., Янкин С.С., Тригорлый С.В. Численное моделирование процессов СВЧ термообработки диэлектриков большой площади с применением СВЧ-установок методического действия // Вопросы электротехнологии. 2018. № 3(20). С. 36—41.
9. Сысоев С.М., Алексеев М.М. Численное моделирование нагрева нефтесодержащего пласта сверхвысокочастотным электромагнитным излучением // Вестник кибернетики. 2019. № 4(36). С. 6—16.
10. Гринчик Н.Н. и др. Моделирование неизотермического тепло- и влагопереноса в капиллярно-пористых средах при периодическом микроволновом нагреве // Инженерно-физический журнал. 2007. Т. 80(1). С. 3—11.
11. Дорняк О.Р., Недоносков А.Б. Теплоперенос в трехслойной системе деформационного шва при СВЧ-нагреве // Тепловые процессы в технике. 2023. Т. 15(8). С. 364—373.
12. Дорняк О.Р., Недоносков А.Б. Моделирование режимов СВЧ-обработки деформационных швов // Промышленные процессы и технологии. 2024. Т. 4. № 1(11). С. 99—111.
13. Дорняк О.Р., Недоносков А.Б., Шабунина З.А. Моделирование процессов нагрева трехслойного заполнителя деформационного шва в электромагнитном поле СВЧ диапазона // Инженерно-физический журнал. 2024. Т. 97. № 7. С. 1697—1703.
14. Баскаков С.И. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Высшая школа, 1992.
15. Гринчик Н.Н., Бойправ О.В. Электродинамические и электрохимические процессы в неоднородных средах. Минск: Изд-во БГУ, 2022.
16. Лыков А.В. Тепломассообмен. М.: Энергия, 1978.
17. Юдина В.О., Захаров В.В., Тригорлый С.В., Архангельский Ю.С. СВЧ термообработка диэлектриков с большими поверхностями в методическом режиме // Вопросы электротехнологии. 2019. № 3(24). С. 6—13.
18. Винниченко А.А., Зайцев Н.А. Прозрачные граничные условия для волнового уравнения в квадратной области // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. 2009. № 80.
19. Софронов И.Л. Условия полной прозрачности для волнового уравнения // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. 1993. № 76.
20. Karumudi R., Semagina N., Lange C. Thermal Kinetics Analysis in Microwave-assisted Oil Sands Separation // Canadian J. Chem. Eng. 2016. V. 95(1). Pp. 127—135.
21. Ермолаев Д.В., Мингалеева Г.Р. Определение теплофизических и реологических характеристик природного битума при подготовке к газификации // Вестник технологического ун-та. 2016. Т. 19(4). С. 63—67.
22. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. Л.: Энергоатомиздат, 1985.
23. Абиев Р.Ш. и др. Электродные процессы. Химическая кинетика и диффузия. Коллоидная химия Т. 5. // Новый справочник химика и технолога. СПб.: Мир и семья: профессионал, 2004.
24. Беляева Т.А. и др. Влияние гранулометрического состава, гумуса и зольных загрязнений на излучательные и диэлектрические характеристики почв в микроволновом диапазоне // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2004. Т. 1. № 1. С. 333—339.
25. Макеева Т.Г., Егоров Ю.М. Диэлектрические свойства композитных материалов на основе цемента разного генезиса // Естественные и технические науки. 2013. № 6. С. 64—72.
26. Бернацкий А.Ф. Электроизоляционный бетон (технология, свойства, конструкции). Новосибирск: Новосибирский гос. ун-т архитектуры, дизайна и искусств, 2016.
---
Для цитирования: Дорняк О.Р., Недоносков А.Б. Математическое моделирование диэлектрического нагрева двухслойного деформационного шва жесткого аэродромного покрытия // Вестник МЭИ. 2025. № 6. С. 106—00. DOI: 10.24160/1993-6982-2025-6-106-116
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Didenko A.N. SVCh-energetika: Teoriya i Praktika. M.: Nauka, 2003. (in Russian).
2. Qiu J. e. a. Evaluating Self Healing Capability of Bituminous Mastics. Experimental Mechanics. 2012;52:1163—1171.
3. Polyakov D.N. Sverkhvysokochastotnyy Nagrev Asfal'tobetonnykh Pokrytiy. Nauka i Tekhnika v Dorozhnoy Otrasli. 1997;2:28—29. (in Russian).
4. Maliszewski M. e. a. Full-scale Use of Microwave Heating in Construction of Longitudinal Joints and Crack Healing in Asphalt Pavements. Materials (Basel). 2021;14(18):5159.
5. Pat. №. 2021134425 RF. Sposob Obrabotki I Vosstanovleniya Rabochikh Svoystv Shvov Zhestkikh Aerodromnykh i Dorozhnykh Pokrytiy. Nedonoskov A.B., Vnukov A.N., Dornyak O.R., Sannikova S.M., Makogon V.K. Byul. Izobret. 2022;31. (in Russian).
6. Saitov R.I. i dr. Matematicheskaya Model' Protsessa Elektromagnitnogo Nagreva Mnogofaznogo Mnogokomponentnogo Plasta Tyazheloy Nefti. Vestnik Akademii Nauk Respubliki Bashkortostan. 2018;29;4(92):73—79. (in Russian).
7. Reznik S.V., Rumyantsev S.A. Matematicheskoe Modelirovanie Temperaturnogo Sostoyaniya Tsilindricheskikh Zagotovok iz Polimernykh Kompozitsionnykh Materialov pri SVCh-Nagreve. Nauka i Obrazovanie. 2014;1:6—21. (in Russian).
8. Zakharov V.V., Yankin S.S., Trigorlyy S.V. Chislennoe Modelirovanie Protsessov SVCh Termoobrabotki Dielektrikov Bol'shoy Ploshchadi s Primeneniem SVCh-Ustanovok Metodicheskogo Deystviya. Voprosy Elektrotekhnologii. 2018;3(20):36—41. (in Russian).
9. Sysoev S.M., Alekseev M.M. Chislennoe Modelirovanie Nagreva Neftesoderzhashchego Plasta Sverkhvysokochastotnym Elektromagnitnym Izlucheniem. Vestnik Kibernetiki. 2019;4(36):6—16. (in Russian).
10. Grinchik N.N. i dr. Modelirovanie Neizotermicheskogo Teplo- i Vlagoperenosa v Kapillyarno-Poristykh Sredakh pri Periodicheskom Mikrovolnovom Nagreve. Inzhenerno-fizicheskiy Zhurnal. 2007;80(1):3—11. (in Russian).
11. Dornyak O.R., Nedonoskov A.B. Teploperenos v Trekhsloynoy Sisteme Deformatsionnogo Shva pri SVCh-Nagreve. Teplovye Protsessy v Tekhnike. 2023;15(8):364—373. (in Russian).
12. Dornyak O.R., Nedonoskov A.B. Modelirovanie Rezhimov SVCh-obrabotki Deformatsionnykh Shvov. Promyshlennye Protsessy i Tekhnologii. 2024;4;1(11):99—111. (in Russian).
13. Dornyak O.R., Nedonoskov A.B., Shabunina Z.A. Modelirovanie Protsessov Nagreva Trekhsloynogo Zapolnitelya Deformatsionnogo Shva v Elektromagnitnom Pole SVCh Diapazona. Inzhenerno-fizicheskiy Zhurnal. 2024;97;7:1697—1703. (in Russian).
14. Baskakov S.I. Elektrodinamika i Rasprostranenie Radiovoln. M.: Vysshaya shkola, 1992. (in Russian).
15. Grinchik N.N., Boyprav O.V. Elektrodinamicheskie i Elektrokhimicheskie Protsessy v Neodnorodnykh Sredakh. Minsk: Izd-vo BGU, 2022. (in Russian).
16. Lykov A.V. Teplomassoobmen. M.: Energiya, 1978. (in Russian).
17. Yudina V.O., Zakharov V.V., Trigorlyy S.V., Arkhangel'skiy Yu.S. SVCh Termoobrabotka Dielektrikov s Bol'shimi Poverkhnostyami v Metodicheskom Rezhime. Voprosy Elektrotekhnologii. 2019;3(24):6—13. (in Russian).
18. Vinnichenko A.A., Zaytsev N.A. Prozrachnye Granichnye Usloviya dlya Volnovogo Uravneniya v Kvadratnoy Oblasti. Preprinty IPM im. M.V. Keldysha RAN. 2009;80. (in Russian).
19. Sofronov I.L. Usloviya Polnoy Prozrachnosti dlya Volnovogo Uravneniya. Preprinty IPM im. M.V. Keldysha RAN. 1993;76. (in Russian).
20. Karumudi R., Semagina N., Lange C. Thermal Kinetics Analysis in Microwave-assisted Oil Sands Separation. Canadian J. Chem. Eng. 2016;95(1):127—135.
21. Ermolaev D.V., Mingaleeva G.R. Opredelenie Teplofizicheskikh i Reologicheskikh Kharakteristik Prirodnogo Bituma pri Podgotovke k Gazifikatsii. Vestnik Tekhnologicheskogo Un-ta. 2016;19(4):63—67. (in Russian).
22. Bogoroditskiy N.P., Pasynkov V.V., Tareev B.M. Elektrotekhnicheskie Materialy. L.: Energoatomizdat, 1985. (in Russian).
23. Abiev R.Sh. i dr. Elektrodnye Protsessy. Khimicheskaya Kinetika i Diffuziya. Kolloidnaya Khimiya T. 5. Novyy Spravochnik Khimika i Tekhnologa. Spb.: Mir i Sem'ya: Professional, 2004. (in Russian).
24. Belyaeva T.A. i dr. Vliyanie Granulometricheskogo Sostava, Gumusa i Zol'nykh Zagryazneniy na Izluchatel'nye i Dielektricheskie Kharakteristiki Pochv v Mikrovolnovom Diapazone. Sovremennye Problemy Distantsionnogo Zondirovaniya Zemli iz Kosmosa. 2004;1;1:333—339. (in Russian).
25. Makeeva T.G., Egorov Yu.M. Dielektricheskie Svoystva Kompozitnykh Materialov na Osnove Tsementa Raznogo Genezisa. Estestvennye i Tekhnicheskie Nauki. 2013;6:64—72. (in Russian).
26. Bernatskiy A.F. Elektroizolyatsionnyy Beton (Tekhnologiya, Svoystva, Konstruktsii). Novosibirsk: Novosibirskiy Gos. Un-t Arkhitektury, Dizayna i Iskusstv, 2016. (in Russian)
---
For citation: Dornyak O.R., Nedonoskov A.B. Mathematical Modeling of Dielectric Heating of an Airfield Rigid Pavement Two-layer Expansion Joint. Bulletin of MPEI. 2025;6:106—116. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2025-6-106-116
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
