液體導(dǎo)熱通道式瀝青路面結(jié)構(gòu)的試驗研究

杜力

東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 211189

0 引言

路面積累熱量過多帶來車轍病害、城市熱島效應(yīng)加劇以及凍土路基病害等諸多問題[1]?，F(xiàn)有的路面改良技術(shù)，如導(dǎo)電除冰瀝青路面技術(shù)、自愈瀝青路面技術(shù)、能量收集路面技術(shù)等，多采取技術(shù)措施提升路面結(jié)構(gòu)某一層位的熱導(dǎo)率，沒有從上向下形成完整的傳熱系統(tǒng)，處理不當(dāng)極易造成路面結(jié)構(gòu)局部過熱，引發(fā)新的關(guān)聯(lián)病害[2-7]。因此，需要在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置誘導(dǎo)性傳熱通道，使積滯的熱量沿著某一路徑進(jìn)行取向性流動[8-9]。

本文以液體為傳熱介質(zhì)設(shè)計路面內(nèi)部的導(dǎo)熱通道結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計制備相關(guān)試件并完成室內(nèi)照射試驗，分析液體導(dǎo)熱通道結(jié)構(gòu)的傳熱特點并評價其降溫效果。

1 瀝青路面內(nèi)液體導(dǎo)熱通道

1.1 液體導(dǎo)熱通道模型

瀝青路面內(nèi)部極易發(fā)生熱量積聚，原因主要有3點：一是路面顏色，瀝青路面一般呈黑色，對太陽輻射有較強的吸收作用，路面對周圍環(huán)境熱量的吸收大幅增加；二是瀝青路面材料的導(dǎo)熱系數(shù)，瀝青屬于有機(jī)膠結(jié)料，熱導(dǎo)率相對較低，無法高效地完成熱量交換；三是路面3層結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率分布，由于3層結(jié)構(gòu)均由瀝青混合料構(gòu)成，材料組成相似，熱導(dǎo)率差別不大，路面內(nèi)部熱量無法進(jìn)行梯度傳導(dǎo)[10-11]。積聚的熱量使路面溫度大幅升高，熱量向下傳遞也會提高路基內(nèi)部的溫度，加劇路基土膨脹，導(dǎo)致一系列路基路面病害。研究人員在路面各結(jié)構(gòu)層添加不同種類、不同比例的粉體或金屬棒，基于粉體熱導(dǎo)率差設(shè)計路面單向傳熱結(jié)構(gòu)如圖1所示[12-13]。杜銀飛等[14-15]在瀝青路面結(jié)構(gòu)中植入導(dǎo)熱性能更好的高導(dǎo)熱棒(鋼棒)，取得了良好的試驗效果。本文在瀝青混合料內(nèi)部加注豎直分布的柱狀液體，構(gòu)建液體導(dǎo)熱通道模型，如圖2所示。

a)常規(guī)路面熱導(dǎo)率結(jié)構(gòu) b)熱導(dǎo)率梯度結(jié)構(gòu)圖1 多種粉體梯度熱導(dǎo)率結(jié)構(gòu) 圖2 液體導(dǎo)熱通道結(jié)構(gòu)模型

1.2 液體導(dǎo)熱通道的基本傳熱原理

液體導(dǎo)熱通道結(jié)構(gòu)中由加注的液柱進(jìn)行熱傳導(dǎo)。液體的熱導(dǎo)率低于粉體，但在導(dǎo)熱方式上有優(yōu)勢。由圖1可知，路面單向傳熱結(jié)構(gòu)依靠粉體熱導(dǎo)率的遞增或遞減(即構(gòu)造導(dǎo)熱梯度)實現(xiàn)熱傳導(dǎo)[16]，即一種熱導(dǎo)率梯度結(jié)構(gòu)只能完成一種方向的熱量誘導(dǎo)，因此該結(jié)構(gòu)被稱為“單向?qū)峤Y(jié)構(gòu)”。液體導(dǎo)熱通道不僅可進(jìn)行熱傳導(dǎo)，還可以實現(xiàn)對流換熱。

對流換熱是指流體各部分之間發(fā)生相對位移、冷熱流體相互摻混引起的熱量傳遞過程。在流體中，若一部分流體溫度較高，另一部分流體溫度較低，溫度不同，密度不同，流體發(fā)生相互摻混，熱量隨流體運動進(jìn)行傳遞[17]。根據(jù)換熱形式的不同，對流換熱可以分為自然對流和強制對流2類。流體各部分因密度差形成的運動稱為自然對流，由風(fēng)機(jī)、泵或其他壓差作用所驅(qū)動的流體運動稱為強制對流[18]。

在液體導(dǎo)熱通道結(jié)構(gòu)中，液體可以依據(jù)內(nèi)部密度差自發(fā)地向任意方向傳遞熱量，中部液柱的任意一端受熱，熱量即可通過液柱傳遞到另一端，不受熱導(dǎo)率梯度限制。

1.3 導(dǎo)熱通道內(nèi)液體材料的選擇

以瀝青路面?zhèn)鳠崽匦院蜕嵝枨鬄橐罁?jù)，導(dǎo)熱通道內(nèi)液體材料應(yīng)具有較高的熱導(dǎo)率，以達(dá)到迅速傳熱的目的；液體的傾點、沸點和閃點均應(yīng)位于路面溫度高低限范圍之外(傾點低于低限，沸點和閃點高于高限)，避免液體在工作溫度內(nèi)發(fā)生凝固、汽化和燃燒，造成工作性能下降，危及路面行車安全；所選液體應(yīng)具有較強的抗氧化能力和低揮發(fā)性，與大氣直接接觸也能正常工作，穩(wěn)定、耐久；液體應(yīng)無毒無害、無腐蝕性，以防對瀝青路面材料和周圍環(huán)境造成損害；最后還應(yīng)考慮材料的經(jīng)濟(jì)性因素，價格不宜過高，且較易購得。

根據(jù)實際測量結(jié)果可知，瀝青路面的溫度為-30～70 ℃。導(dǎo)熱油具有較好的流動性、耐久性、穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性和經(jīng)濟(jì)性，工作溫度滿足使用要求。經(jīng)過綜合考慮和反復(fù)比選，本文選用烷基苯合成導(dǎo)熱油(WD340)作為導(dǎo)熱通道內(nèi)的液體材料[19]，其技術(shù)參數(shù)如表1所示[20]。

表1 合成導(dǎo)熱油的技術(shù)參數(shù)

2 試驗?zāi)Ｐ?/h2>

2.1 瀝青混合料車轍板

結(jié)合實際工程特性，本試驗采用AC-13C級配的瀝青混合料車轍板模擬瀝青路面。選用70#基質(zhì)瀝青和石灰石礦粉，粗集料和細(xì)集料選用玄武巖石料。

根據(jù)文獻(xiàn)[21]和集料、礦粉的篩分結(jié)果，確定礦質(zhì)混合料的設(shè)計級配范圍，擬定初試配合比，進(jìn)行瀝青混合料馬歇爾試驗，確定馬歇爾試件的物理力學(xué)指標(biāo)，通過繪圖和計算確定瀝青最佳用量，并計算混合料的最大理論相對密度[22]。AC-13C瀝青混合料最終配合比設(shè)計如表2所示，其中礦粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%?；旌狭霞壟湓O(shè)計完成后，制備300 mm×300 mm×50 mm的瀝青混凝土車轍板，將其切割成150 mm×150 mm×50 mm的車轍板原始試件備用。

表2 AC-13C目標(biāo)配合比馬歇爾試驗結(jié)果

2.2 測試樣本

1)確定液體導(dǎo)熱通道的分布間距和直徑。綜合考慮試驗操作的可行性和實際降溫效果，確定鉆孔的分布間距為75.0 mm，鉆孔直徑為8.0 mm，如圖3所示(圖中單位為mm)。

圖3 液體導(dǎo)熱通道分布示意圖

2)在車轍板原始試件上建立液體通道。為了保證瀝青混合料內(nèi)液體通道的完整性，避免液體材料泄漏，對液體通道進(jìn)行密封處理，保證腔體密封性，避免密封材料對液體通道傳熱性能和瀝青混合料路用及力學(xué)性能的干擾。經(jīng)過反復(fù)測試，采用試件厚度為50 mm，鉆孔深45 mm，用瀝青抹封通道內(nèi)壁，充分利用底部的部分瀝青混合料改善密封性，如圖4a)所示(圖中單位為mm)。

3)制作溫度場測試試件。為了研究液體導(dǎo)熱通道對瀝青混合料傳熱性質(zhì)的影響，設(shè)置對照組和試驗組2組測試試件，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示(圖中單位為mm)。采用AC-13C級配的瀝青混凝土車轍板模擬瀝青路面，選用上面層(50 mm)+中面層(50 mm)+下面層(50 mm)組合的路面結(jié)構(gòu)形式。將3塊150 mm×150 mm×50 mm的車轍板原始試件直接疊加形成對照組測試試件,如圖4b)所示(圖中單位為mm)；在灌裝好液體的矩形試件的上、下兩側(cè)各加置一塊未鉆孔的原始試件，疊加成50 mm+50 mm+50 mm的試驗組測試試件。

a)試驗組 b)對照組圖4 測試試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

3 溫度場試驗

室內(nèi)照射試驗采用溫度巡檢儀、手持式紅外測溫儀和照明設(shè)備等。溫度巡檢儀可在同一時間測量試件不同深度的溫度，即時性強，延遲短，測量精度較高[23]；采用手持式紅外測溫儀測量試件的表面溫度[24]；等效光源可模擬太陽光照射瀝青路面的情形。

3.1 光源從下向上照射

為了測量試件內(nèi)部溫度，預(yù)先在試件側(cè)面按一定間距鉆數(shù)個淺孔。將溫度巡檢儀的金屬探頭編號1#～8#，不同編號的探頭測量試件不同位置的溫度。兩組試件的測量位置如圖5所示(圖中單位為mm)。

a)試驗組 b)對照組圖5 從下向上照射試件時探頭測量位置示意圖

若將表面光滑的測溫金屬探頭直接塞入預(yù)鉆的淺孔中，探頭有可能脫落，從而降低試件的整體穩(wěn)定性。試驗過程中需要用適量礦粉對淺孔進(jìn)行灌縫處理。一方面，礦粉分散性較強，可較好地封填探頭與孔壁間的空隙，有效增大金屬探頭與孔壁之間的摩阻力，探頭與所測位置充分接觸，不易滑脫；另一方面，使用礦粉可以減少其他材料的熱物參數(shù)對試驗結(jié)果的影響[25]，提高測量結(jié)果的穩(wěn)定性。

為了確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，對試件外圍進(jìn)行隔熱處理。在試驗過程中，除了下表面接受直接照射外，其余各面均需采用5 cm厚的泡沫板進(jìn)行絕熱保護(hù)，避免測試試件與外界直接接觸而造成熱量散失。光源自下向上照射時，試件位于燈泡上方，燈泡位于2組試件中心下方的位置，保證試件受熱均勻。燈泡上緣距試件受熱表面約60 cm。待溫度巡檢儀數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，記錄初始溫度，開始照射試驗。定期使用紅外測溫儀測量試件的表面溫度，每次每組試件測5組數(shù)據(jù)；使用巡檢儀溫度探頭測量試件的內(nèi)部溫度，每次記錄2輪讀數(shù)。試驗開始2 h，每15 min記錄1次；2 h以后，每30 min記錄1次，共記錄8 h。

3.2 光源從上向下照射

光源從上向下照射時，溫度巡檢儀金屬探頭的布置方式及相關(guān)注意事項與光源從下向上照射類似，對照組和試驗組試件各個測量位置如圖6所示。

a)試驗組 b)對照組圖6 從上向下照射試件時探頭測量位置示意圖

光源從上向下照射時，試件置于地面，燈泡懸于上方，燈泡下端與試件受熱表面的距離約為40 cm。燈泡懸掛時，將其置于2組試件中心上方的位置，以保證試件受熱均勻。接通電源后，2組測試試件同時開始受熱，按3.1節(jié)所述方法定時記錄數(shù)據(jù)。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 從下向上照射

根據(jù)匯總數(shù)據(jù)繪制不同深度的溫度-時間曲線以及最高溫度隨深度變化折線，2組試件在距上表面7.5、12.5、15.0 cm處溫度隨時間的變化曲線幾乎重合。距上表面0、2.5 cm處溫度隨時間的變化曲線如圖7所示。

a)0 cm b) 2.5 cm圖7 2組試件距上表面0、2.5 cm處的溫度隨時間的變化曲線(從下向上照射)

由圖7可知：在105 min內(nèi)，距上表面0、2.5 cm處的溫度大致趨于平穩(wěn)，試驗組和對照組的溫度并無明顯差距。超過105 min，兩處的溫度均隨時間延長呈近似線性增長，且增長幅度均有較為明顯的提升。2組試件相比，試驗組的溫度增幅略小于對照組，隨著時間的推移，溫差逐漸拉大。

2組試件最高溫度隨測點距上表面距離的變化趨勢如圖8所示。由圖8可以看出：2組試件在距上表面12.5、15.0 cm處的最高溫度幾乎相同，但是從12.5 cm處到7.5 cm處，2組試件的溫度均有大幅下降，且試驗組的下降幅度更大，可見置于該段的液柱對熱量誘導(dǎo)起到了一定輔助作用。而且，隨著試件與光源之間距離的增加，試驗組的溫度低于對照組，且降溫效果隨著測溫位置與光源距離的增大而愈發(fā)明顯。實測結(jié)果表明，降溫可以達(dá)到1 ℃左右。

圖8 2組試件最高溫度隨探頭位置的變化曲線

4.2 從上向下照射

根據(jù)實測數(shù)據(jù)繪制不同深度的溫度-時間曲線以及最高溫度隨深度變化折線，2組試件在7.5、12.5、15.0 cm處溫度隨時間的變化曲線幾乎重合。0、2.5 cm處溫度隨時間的變化如圖9所示。

a)0 cm b)2.5 cm圖9 兩組試件距上表面0、2.5 cm處的溫度隨時間的變化曲線(從上向下照射)

由圖9可知：照射光源接通電源后，試件上表面溫度開始激增，約30 min后增長幅度趨緩；距上表面2.5 cm處的升溫趨勢與前者相似，只是開始的增幅略小。試驗組在距上表面0、2.5 cm處的溫度均低于對照組，降溫幅度達(dá)2～3 ℃。

2組試件最高溫度隨測點距上表面距離的變化趨勢如圖10所示。由圖10可知：在距上表面2.5～7.5 cm材料段，2組試件內(nèi)部溫度均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢；而從整體來看，試驗組的結(jié)構(gòu)溫差相對較小，說明液體導(dǎo)熱通道確實起到了誘導(dǎo)熱量傳遞的作用。

圖10 2組試件最高溫度隨探頭位置變化折線圖

5 結(jié)論

1)瀝青混合料液體導(dǎo)熱通道結(jié)構(gòu)同時存在對流和傳導(dǎo)作用，可引導(dǎo)路面內(nèi)部熱量的定向傳輸。在從下向上照射試驗中，隨著測溫位置與光源距離的增加，2組試件在相同位置處的最高溫差不斷增大；在從上向下照射試驗中，試驗組試件的結(jié)構(gòu)溫差較小，其上部結(jié)構(gòu)的溫度整體低于對照組。

2)不同照射模式下，光源與試件受熱表面的距離差異對試驗結(jié)果影響較大。在從下向上照射試驗中，燈泡上端距試件受熱表面的距離約為60 cm，此時2組試件內(nèi)部較為明顯的溫差出現(xiàn)在距離光源較遠(yuǎn)的0、2.5 cm深度處；在從上向下照射試驗中，燈泡下端與試件受熱表面的距離約為40 cm，2組試件內(nèi)部較為明顯的溫差出現(xiàn)在距離光源較近的0、2.5 cm深度處。

3)液體導(dǎo)熱通道有較好的降溫效果。由室內(nèi)照射試驗的數(shù)據(jù)分析可知，照射時間較短時，2組試件溫度均有明顯上升，但照射時間較長時，試驗組的溫度明顯低于對照組。