熱管對(duì)瀝青混合料降溫特性及高溫穩(wěn)定性的影響

馮振剛，馬錦元，劉 昌，王 偉，鄧新龍，林淞山

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064)

0 引 言

瀝青路面具有吸熱迅速、放熱緩慢的特點(diǎn)，加之受到行車荷載、溫度變化等其他外界因素的影響，極易出現(xiàn)車轍、擁包等病害，極大降低了瀝青路面的行車安全性和舒適性[1]。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)瀝青路面的降溫方法較多，如采用熱反射涂層[2-3]、添加相變材料[4-5]、保水降溫路面和設(shè)置重力熱管等[6]。重力熱管又稱兩相閉式熱虹吸管，其工作原理為：在密閉管內(nèi)充入一定量的工作介質(zhì)，蒸發(fā)段內(nèi)部工質(zhì)受熱吸熱從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，在冷凝段壁面放熱再次轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，最后冷凝液依靠重力回流至蒸發(fā)段，如此形成傳熱循環(huán)[7-10]。針對(duì)熱管在瀝青混凝土溫度場(chǎng)調(diào)節(jié)中的作用及其影響因素[11-12]，以及不同工作介質(zhì)及充液率熱管對(duì)瀝青路面降溫效果的影響[13-14]已開展了相關(guān)研究。然而，針對(duì)埋置熱管后瀝青混合料內(nèi)部不同位置處的降溫特性及溫度梯度變化的研究報(bào)道相對(duì)較少；此外，為了保證瀝青路面具有較好的使用性能，熱管的埋置對(duì)瀝青混合料路用性能的影響也需進(jìn)行評(píng)價(jià)。這對(duì)于降低瀝青路面的溫度，減少車轍病害，提高路用性能，延長(zhǎng)使用壽命具有重要的理論與實(shí)際意義。

鑒于此，基于重力熱管降溫原理，本文成型了埋置熱管的瀝青混合料車轍試件，通過烘箱模擬了車轍試件的升溫和降溫過程，利用溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車轍試件不同位置處的溫度；分析了埋設(shè)熱管的瀝青混合料車轍試件的焓變和溫度梯度，評(píng)價(jià)了熱管對(duì)瀝青混合料降溫特性的影響；同時(shí)采用車轍試驗(yàn)研究了熱管對(duì)瀝青混合料抗車轍性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 瀝青混合料

瀝青混合料，AC-16C，礦料合成級(jí)配曲線如圖1所示，經(jīng)馬歇爾試驗(yàn)方法確定瀝青混合料的油石比為4.2%(質(zhì)量比)。

圖1 瀝青混合料合成級(jí)配曲線Fig.1 Curves of synthetic gradation of asphalt mixture

1.2 重力熱管

重力熱管采用丙酮作為工作介質(zhì)，充液率為70%(體積分?jǐn)?shù))，內(nèi)部真空度為1.3×10-2Pa。重力熱管的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 重力熱管的技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of the gravity heat pipe

1.3 瀝青混合料車轍試件成型

將重力熱管的蒸發(fā)段固定在特制的車轍板模具內(nèi)，冷凝段露于車轍板模具外，埋置深度為5 cm，熱管位于車轍板正中間，熱管與水平面的夾角為6°。根據(jù)《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中瀝青混合料試件制作方法(輪碾法)，采用2倍標(biāo)準(zhǔn)碾壓次數(shù)將瀝青混合料碾壓成30 cm×30 cm×10 cm(長(zhǎng)×寬×高)的瀝青混合料車轍試件。埋置熱管的瀝青混合料車轍試件與未埋置熱管的瀝青混合料車轍試件如圖2所示。

圖2 瀝青混合料車轍試件Fig.2 Rutting specimens of asphalt mixture

1.4 瀝青混合料車轍試件內(nèi)部溫度測(cè)試

將瀝青混合料車轍試件放置在60 ℃的烘箱中保溫1 h后取出采集溫度。在瀝青混合料車轍試件表面、3 cm深度和6 cm深度處分別布設(shè)16個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，每個(gè)深度處的溫度測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案如圖3所示。采用16路溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車轍試件不同深度處的溫度，采集時(shí)間間隔為2 min，采集時(shí)長(zhǎng)為120 min。

圖3 瀝青混合料車轍試件測(cè)溫點(diǎn)布置方案Fig.3 Layout of temperature measurement point of asphalt mixture rutting specimens

1.5 瀝青混合料車轍試驗(yàn)

根據(jù)《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中瀝青混合料車轍試驗(yàn)方法，對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，車轍試驗(yàn)的測(cè)試溫度為60 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱管對(duì)瀝青混合料車轍試件降溫幅度的影響

將某一時(shí)刻瀝青混合料車轍試件測(cè)點(diǎn)溫度與初始溫度之差定義為此時(shí)刻該測(cè)點(diǎn)的降溫幅度?？瞻捉M和熱管組的瀝青混合料車轍試件降溫幅度在深度方向上的變化規(guī)律如圖4所示。從圖4可以看出，隨著時(shí)間增加，空白組和熱管組的瀝青混合料車轍試件在不同深度處的降溫幅度均逐漸增大。在表面和3 cm深度處，熱管組瀝青混合料車轍試件在相同時(shí)刻的降溫幅度均明顯小于空白組瀝青混合料車轍試件；而在6 cm深度處，熱管組瀝青混合料車轍試件在相同時(shí)刻的降溫幅度大于空白組瀝青混合料車轍試件(20 min時(shí)除外)。因此，當(dāng)瀝青混合料車轍試件從烘箱中取出一定時(shí)間(大于20 min)后，距離熱管越近，熱管對(duì)瀝青混合料車轍試件溫度場(chǎng)的影響越明顯，瀝青混合料車轍試件的降溫幅度越顯著，這是由熱管內(nèi)工作介質(zhì)氣化吸熱引起周圍溫度下降導(dǎo)致的。在瀝青混合料車轍試件表面和3 cm深度處，由于距離熱管相對(duì)較遠(yuǎn)，在有限的時(shí)間內(nèi)，熱管蒸發(fā)段的降溫作用尚不能完全傳遞到這些位置，這些層位的降溫主要依靠自然散熱，同時(shí)熱管冷凝段里的氣態(tài)工作介質(zhì)由于冷凝放熱會(huì)造成周圍環(huán)境溫度升高，從而造成瀝青混合料車轍試件表面和淺層深度處的降溫幅度減小。

圖4 瀝青混合料車轍試件降溫幅度隨深度的變化規(guī)律Fig.4 Variation of cooling range with depth of asphalt mixture rutting specimens

空白組和熱管組的瀝青混合料車轍試件降溫幅度在水平方向上的變化規(guī)律如圖5所示。由圖5可知，隨著時(shí)間增加，空白組和熱管組的瀝青混合料車轍試件在距熱管不同位置處的降溫幅度均逐漸增大。對(duì)于空白組瀝青混合料車轍試件而言，在同一時(shí)刻距離車轍試件中軸線距離越遠(yuǎn)，降溫幅度越明顯(表面和3 cm深度處),當(dāng)深度增大時(shí)(6 cm深度處)，該效應(yīng)有所減弱。這是由于越靠近車轍試件表面處，車轍試件與空氣的熱交換作用越明顯，降溫速度越快，而深度增大時(shí)該作用有所減弱。對(duì)于熱管組瀝青混合料車轍試件而言，降溫幅度在水平方向上的變化規(guī)律隨深度不同也表現(xiàn)出了較大差異,表面處距熱管4 cm時(shí)降溫幅度最大，3 cm深度處距熱管6 cm時(shí)降溫幅度最大，6 cm深度處前100 min距熱管5 cm時(shí)降溫幅度最大，120 min時(shí)距熱管6 cm處降溫幅度最大。這表明熱管組瀝青混合料車轍試件水平方向上的降溫幅度變化較為復(fù)雜，同時(shí)受環(huán)境溫度、深度和熱管的共同影響。

圖5 瀝青混合料車轍試件降溫幅度隨距車轍試件中軸線距離的變化規(guī)律Fig.5 Variation of cooling range with horizontal distance from the central axis of asphalt mixture rutting specimens

2.2 熱管對(duì)瀝青混合料車轍試件焓變的影響

焓變可以定量表征熱管對(duì)瀝青混合料車轍試件降溫效果的影響。由熱力學(xué)第一定律，可根據(jù)式(1)計(jì)算瀝青混合料車轍試件不同時(shí)刻的焓變。

(1)

式中：ΔH為焓變，J；dm為瀝青混合料車轍試件質(zhì)量微分，kg；c為瀝青混合料的比熱容，取1×103J/(kg·K)；Ti為不同時(shí)刻dm的溫度，℃；T0為初始時(shí)刻dm的溫度，℃；V為瀝青混合料車轍試件體積范圍；x、y、z為瀝青混合料車轍試件不同位置的坐標(biāo)。

選取瀝青混合料車轍試件測(cè)點(diǎn)布設(shè)范圍全板厚部分的焓變作為熱管降溫效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并假設(shè)瀝青混合料車轍試件密度及比熱容均勻，且相鄰測(cè)點(diǎn)之間范圍內(nèi)的降溫幅度呈線性變化，則式(1)可作如下簡(jiǎn)化：

(2)

式中：ρ為瀝青混合料密度，取2.25×103kg/m3；Vi為第i個(gè)瀝青混合料小立方體的體積，m3；ΔTi為第i個(gè)瀝青混合料小立方體的溫度變化代表值，取八個(gè)角點(diǎn)上溫度變化的平均值，℃；n為瀝青混合料小立方體總數(shù)。

由式(2)計(jì)算可知，熱管組和空白組瀝青混合料車轍試件在不同時(shí)刻的焓變?nèi)绫?所示。由表2可知，隨著時(shí)間增加，空白組和熱管組瀝青混合料車轍試件在計(jì)算范圍內(nèi)的焓變均逐漸增大，且每個(gè)時(shí)刻空白組瀝青混合料車轍試件的焓變均大于熱管組瀝青混合料車轍試件，表明在計(jì)算范圍內(nèi)，熱管的加入會(huì)使瀝青混合料在升溫和降溫過程中熱量的變化減小，熱管在一定程度上起到了調(diào)節(jié)瀝青混合料溫度變化的作用。在加熱過程中，試件溫度逐漸升高，埋設(shè)熱管的瀝青混合料車轍試件由于受熱管蒸發(fā)段內(nèi)部工質(zhì)氣化吸熱的影響，試件的升溫幅度較?。辉诮禍剡^程中，由于冷凝段工質(zhì)液化放熱又會(huì)使熱管周圍的瀝青混合料降溫幅度減小。因此，熱管組瀝青混合料的焓變小于同一時(shí)刻空白組瀝青混合料，熱管的加入減小了瀝青混合料在升溫和降溫過程中熱量的變化。

表2 瀝青混合料車轍試件在不同時(shí)刻的焓變Table 2 Enthalpy changes of asphalt mixture rutting specimens at different time

2.3 熱管對(duì)瀝青混合料車轍試件溫度梯度的影響

在溫度場(chǎng)中，溫度在空間上變化的程度可用溫度梯度gradT表示，代表在等溫面法線方向上單位長(zhǎng)度的溫度變化量，根據(jù)式(3)可計(jì)算瀝青混合料車轍試件不同時(shí)刻的溫度梯度。

(3)

選取瀝青混合料車轍試件表面與6 cm深度處之間的部分作為研究對(duì)象，假設(shè)表面至6 cm深度處的溫度線性變化，則在深度方向上瀝青混合料車轍試件的溫度梯度可作如下簡(jiǎn)化：

(4)

式中：gradTV為瀝青混合料車轍試件深度方向上的溫度梯度，℃·cm-1；T上為瀝青混合料車轍試件表面處的溫度代表值，℃；T下為瀝青混合料車轍試件6 cm深度處的溫度代表值，℃；h為所研究區(qū)域?yàn)r青混合料的厚度，取6 cm。

熱管組和空白組瀝青混合料車轍試件不同時(shí)刻深度方向上的溫度梯度如圖6所示。由圖6可知，隨著時(shí)間增加，熱管組和空白組瀝青混合料車轍試件在深度方向上的溫度梯度均逐漸增大，且相同時(shí)刻空白組瀝青混合料車轍試件深度方向上的溫度梯度均大于熱管組瀝青混合料車轍試件。這表明由于熱管的埋入，瀝青混合料在深度方向上的溫度變化減小。對(duì)于瀝青路面而言，在有約束的條件下，瀝青混合料層頂和層底的溫差越大，意味著該研究區(qū)域深度方向上所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力越大。由此可知，熱管的埋設(shè)可以減小瀝青混合料車轍試件由于溫度變化而產(chǎn)生的在深度方向上的溫度應(yīng)力，從而提高瀝青混合料的溫度穩(wěn)定性。

圖6 瀝青混合料車轍試件在深度方向上 溫度梯度隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.6 Changes of grad Tv with time of asphalt mixture rutting specimens in the vertical direction

在水平方向上，選取距瀝青混合料車轍試件中軸線3 cm到6 cm之間的部分作為研究對(duì)象。假設(shè)在瀝青混合料車轍試件不同深度處，瀝青混合料車轍試件水平方向的溫度均呈線性變化，則在水平方向上瀝青混合料車轍試件的溫度梯度可作如下簡(jiǎn)化：

(5)

式中：gradTH為瀝青混合料車轍試件水平方向上的溫度梯度，℃·cm-1；T左為距瀝青混合料車轍試件中線3 cm處的溫度代表值，℃；T右為距瀝青混合料車轍試件中線6 cm處的溫度代表值，℃；w為所研究區(qū)域?yàn)r青混合料層的寬度，取3 cm。

熱管組和空白組瀝青混合料車轍試件不同時(shí)刻水平方向上的溫度梯度如圖7所示。由圖7可知：在瀝青混合料車轍試件表面處，相同時(shí)刻空白組瀝青混合料車轍試件在水平方向上的溫度梯度大于熱管組瀝青混合料車轍試件，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，二者的溫度梯度逐漸趨于一致；在車轍試件3 cm深度處，相同時(shí)刻空白組瀝青混合料車轍試件在水平方向上的溫度梯度均大于熱管組；而在車轍試件6 cm深度處，空白組瀝青混合料車轍試件在水平方向上的溫度梯度在40 min前小于熱管組，在40 min至100 min內(nèi)大于熱管組，在100 min后小于熱管組。此外，隨著深度的逐漸增加，空白組瀝青混合料車轍試件在水平方向上的溫度梯度與熱管組差異逐漸減小。這表明熱管的埋入對(duì)瀝青混合料水平方向上的溫度變化也會(huì)產(chǎn)生顯著影響，且隨著深度的增加，熱管對(duì)瀝青混合料水平方向上的溫度變化影響逐漸減弱。

圖7 瀝青混合料車轍試件在水平方向上溫度梯度隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.7 Changes of grad TH with time of asphalt mixture rutting specimens in the horizontal direction

2.4 熱管對(duì)瀝青混合料抗車轍性能的影響

空白組和熱管組瀝青混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知，未埋設(shè)熱管的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度為1 936次/mm，埋設(shè)熱管的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度為2 740次/mm，相比于未埋設(shè)熱管的瀝青混合料增大了41.5%。這表明熱管的埋設(shè)可以顯著提高瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，改善瀝青混合料的高溫抗車轍能力。

表3 熱管對(duì)瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的影響Table 3 Effect of heat pipe on the dynamic stability of asphalt mixture

3 結(jié) 論

(1)在深度方向，距離熱管越近，瀝青混合料車轍試件的降溫幅度越顯著；在水平方向，熱管對(duì)瀝青混合料車轍試件降溫幅度的影響較為復(fù)雜，同時(shí)受環(huán)境溫度、深度和熱管的共同影響。

(2)由于熱管的加入，瀝青混合料的焓變值有所減小，熱管在一定程度上可以起到調(diào)節(jié)瀝青混合料溫度變化的作用，減小了瀝青混合料受溫度變化的影響。

(3)熱管的埋入對(duì)瀝青混合料深度方向和水平方向的溫度變化均會(huì)產(chǎn)生顯著影響，隨著深度的增加，熱管對(duì)瀝青混合料水平方向上的溫度變化影響逐漸減弱。

(4)熱管的埋設(shè)可以顯著提高瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，改善瀝青混合料的高溫抗車轍能力。