SiC砂作細(xì)集料增強(qiáng)瀝青混凝土的熱學(xué)性能研究

劉小明，顏大雄，趙昱，魏子奇

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410083)

隨著我國(guó)“71118”高速公路網(wǎng)絡(luò)的建成和道路網(wǎng)絡(luò)不斷完善，道路建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入“全面養(yǎng)護(hù)時(shí)代”，道路養(yǎng)護(hù)將迎來(lái)高速發(fā)展的黃金時(shí)期。交通運(yùn)輸部統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，近年來(lái)我國(guó)收費(fèi)公路養(yǎng)護(hù)費(fèi)用逐年上升，2015年底公路養(yǎng)護(hù)支出為232.30 億元，到2019年底則達(dá)825.93 億 元[1-2]。傳統(tǒng)瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)存在高污染、高耗能的缺陷。公路日益增長(zhǎng)的養(yǎng)護(hù)需求巨額的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，以綠色發(fā)展為核心理念推進(jìn)新型公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)勢(shì)在必行。微波加熱不會(huì)產(chǎn)生氣體或液體污染物，并且達(dá)到相同加熱效果所需的電量遠(yuǎn)低于電磁感應(yīng)所需的電量，具有節(jié)能、環(huán)保、高效的優(yōu)點(diǎn)。微波還能夠進(jìn)行選擇性加熱、體積加熱和瞬時(shí)加熱[3]，具有隨時(shí)可調(diào)的特性，因此，將微波用于瀝青路面發(fā)展綠色新型公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)是目前的研究熱點(diǎn)。但瀝青混合料微波吸收能力差和微波加熱不均勻現(xiàn)象嚴(yán)重限制了該技術(shù)在瀝青混凝土路面養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用。傳統(tǒng)瀝青混合料作為一種非電磁材料，只能將20%的電磁能轉(zhuǎn)化為熱能[4]，實(shí)際試驗(yàn)中500 W微波功率下石灰?guī)r瀝青混凝土馬歇爾試件的升溫速率僅為10.02 ℃/min[5]，同時(shí)，仿真模擬結(jié)果表明20 ℃的玄武巖瀝青混凝土在800 W 微波功率下加熱540 s，其內(nèi)外面溫差能達(dá)45 ℃[6]。溫差過(guò)大會(huì)導(dǎo)致在加熱瀝青混合料時(shí)出現(xiàn)表層溫度過(guò)高發(fā)生焦化而底層溫度仍然很低的情況。提高瀝青混凝土的溫升速率和加熱均勻性對(duì)微波加熱技術(shù)的推廣具有重要意義。

目前，提高瀝青混凝土微波吸收能力的主要方法是向?yàn)r青混合料中添加微波吸收劑。常見(jiàn)的微波吸收劑主要有石墨、炭黑、碳纖維、鋼纖維、金屬微粉和羰基鐵粉等[7-12]。雖然它們?cè)谝欢ǔ潭壬咸岣吡藶r青混凝土的溫升速率，但石墨和炭黑會(huì)對(duì)瀝青混凝土力學(xué)性能造成嚴(yán)重影響，纖維容易形成團(tuán)聚，加劇熱量分布不均勻現(xiàn)象，金屬粉末和羰基鐵粉的銹蝕問(wèn)題也阻礙了它們?cè)跒r青混凝土中的進(jìn)一步應(yīng)用。針對(duì)微波加熱均勻性問(wèn)題，DU 等[13]發(fā)現(xiàn)提高瀝青混凝土的導(dǎo)熱能力可以加快熱量在瀝青路面內(nèi)部的傳導(dǎo)，促進(jìn)熱量的均勻分布，為此，選擇適合瀝青混凝土的微波增強(qiáng)劑至關(guān)重要。

SiC作為典型的介電材料和高導(dǎo)熱材料被選用為本研究的微波增強(qiáng)劑[14]。SiC 具有良好的微波吸收性能，LI 等[15]發(fā)現(xiàn)SiC 粉末附著在LDHs 上并制成改性瀝青時(shí)，改性瀝青的介電儲(chǔ)存和損耗能力在相同頻率下提升了約1 倍。LIU 等[16]在SiC 粉末中摻加25%的Fe3O4并等體積替代25%的礦粉制成瀝青混凝土，微波加熱速率提高約83%。另一方面，SiC還是高導(dǎo)熱材料，導(dǎo)熱系數(shù)約125 W/(m·K)，常被用于提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能[17-18]。如在環(huán)氧樹(shù)脂中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%、粒徑為2 um 的SiC 可以將復(fù)合材料的導(dǎo)熱能力提高3.3 倍[19]。在天然橡膠中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的SiC可以將天然橡膠的導(dǎo)熱能力提高37.21%[20]。此外，SiC 還具有硬度大、抗氧化能力強(qiáng)、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、耐化學(xué)腐蝕的特點(diǎn)[21]，因此，以長(zhǎng)期穩(wěn)定性為前提將SiC作為微波吸收劑和導(dǎo)熱劑制備微波增強(qiáng)的高導(dǎo)熱瀝青混凝土是可行的。

目前研究多以摻量受限的微觀和納觀SiC 為主，對(duì)宏觀SiC研究較少。為增加SiC摻量，本研究用SiC砂替代細(xì)集料，研究宏觀SiC對(duì)瀝青混凝土微波加熱和導(dǎo)熱能力的影響。粒徑作為吸波劑的體積參數(shù)，其對(duì)微波加熱速率和導(dǎo)熱能力有顯著影響。如趙華[22]采用磁鐵礦替代普通骨料時(shí)發(fā)現(xiàn)，細(xì)集料的微波加熱能力要強(qiáng)于粗集料，但通過(guò)灰關(guān)聯(lián)熵分析發(fā)現(xiàn)粒徑為9.5 mm 的磁鐵礦與溫升速率關(guān)聯(lián)度最高。GAO 等[23]研究鋼渣瀝青混凝土微波除冰時(shí)發(fā)現(xiàn)粒徑大于0.6 mm 的鋼渣能使微波加熱速率保持較高水平，而9.50，2.36 及0.60 mm 則為導(dǎo)熱的最佳粒徑。因此，有必要對(duì)SiC 的粒徑進(jìn)行研究。

本研究以粒徑為0.15～2.36 mm的宏觀SiC為研究對(duì)象，采用替代細(xì)集料的方法，研究SiC砂及其粒徑對(duì)瀝青混凝土微波吸收和導(dǎo)熱能力的影響效果，然后制備一種既具有高微波吸收能力又具有高導(dǎo)熱性的瀝青混凝土，以解決普通瀝青混凝土微波吸收能力差和微波加熱不均勻的問(wèn)題。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

瀝青采用江陰阿爾法瀝青有限公司生產(chǎn)的AH-70號(hào)重交通瀝青。參照J(rèn)TG E20—2019“公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程”對(duì)瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、延度等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。表1所示為瀝青的性能指標(biāo)。

表1 瀝青性能指標(biāo)Table 1 Performance indexes of asphalt

骨料為石灰?guī)r，參照J(rèn)TG E42—2005“公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程”進(jìn)行測(cè)試，主要指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 石灰?guī)r主要特性Table 2 Main characteristics of limestone

圖1所示為本研究中使用的SiC砂由河南四成研磨有限公司生產(chǎn)。表3所示為SiC 砂的粒徑分布。

圖1 2種規(guī)格的SiC砂Fig.1 Two specifications of SiC sand

表3 不同粒徑SiC砂所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 3 Percentage of each particle size of SiC sand%

使用電鏡和X 射線衍射儀對(duì)粗SiC 砂(樣品A)和細(xì)SiC 砂(樣品B)進(jìn)行掃描，結(jié)果如圖2所示。從圖2可見(jiàn)：樣品A 和樣品B 這2 種規(guī)格的SiC 砂微觀結(jié)構(gòu)具有高度一致性，顆粒均呈不規(guī)則的棱角狀，表面存在大量凹陷和褶皺，這非常有利于在瀝青混凝土中相互嵌擠形成互鎖結(jié)構(gòu)；樣品A和樣品B在相同的掃描角度均出現(xiàn)了衍射峰，說(shuō)明這2 種規(guī)格的SiC 砂晶型一致，屬于同一類型的α-SiC。

圖2 樣品A和樣品B的SEM及XRD掃面圖Fig.2 SEM and XRD scan images of samples A and B

1.2 試件制作

為了使不同粒徑的SiC砂對(duì)細(xì)集料進(jìn)行充分取代并在瀝青混凝土中構(gòu)成完整的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)按照J(rèn)TG 40—2004“公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范”要求選用AC-13 連續(xù)密實(shí)型級(jí)配類型，級(jí)配曲線如圖3所示。

圖3 合成級(jí)配圖Fig.3 Aggregate synthesis grading

本研究采用直徑為101.6 mm、高度為63.5 mm的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件進(jìn)行試驗(yàn)。因?yàn)轳R歇爾試件是按體積法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)的，所以，SiC砂采用等體積法對(duì)細(xì)集料進(jìn)行取代，等體積法換算式為

式中：MSi為SiC 砂的質(zhì)量；MF為替代的細(xì)集料的質(zhì)量；ρSi為SiC 砂的密度；ρF為普通細(xì)集料的密度。

試件成型方法按照J(rèn)TG E20—2019“公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程”執(zhí)行。設(shè)計(jì)油石比(瀝青質(zhì)量占石料質(zhì)量的百分比)為5.5%。

1.3 SiC砂電磁性能測(cè)試

保持樣品A 和B 的顆粒原貌，按質(zhì)量比1:1 將樣品與石蠟均勻混合制成內(nèi)徑為3.04 mm、外徑為7.00 mm、厚度為2.00 mm的環(huán)狀測(cè)試樣品，然后，采用同軸法對(duì)樣品A和B的復(fù)介電常數(shù)與復(fù)磁導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試波段為2～18 GHz，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀型號(hào)為安捷倫E5071C。

據(jù)測(cè)試結(jié)果可以計(jì)算表征材料電磁損耗的損耗正切角tanδ，計(jì)算式為

式中：ε′和μ′為材料電磁參數(shù)的實(shí)部，分別表征吸波材料在電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用下儲(chǔ)存電能或磁能的能力；ε″和μ″為材料電磁參數(shù)的虛部，分別表征材料在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中引起能量損耗的能力。

根據(jù)傳輸線理論，試樣反射損耗計(jì)算式[24]如下：

式中：RL為反射損耗(單位為dB)，-10 dB 表示入射波有90%進(jìn)入物體內(nèi)部；Z0為自由空間阻抗；μ0和ε0分別自由空間的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率；Zin為輸入阻抗；c為真空中的光速；f為電磁波的頻率；d為吸波材料的厚度；μr和εr分別為材料的相對(duì)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率。

1.4 微波加熱性能測(cè)試

為探究不同粒徑SiC砂對(duì)瀝青混凝土微波加熱性能的影響，用樣品A和B制備瀝青混凝土馬歇爾試件進(jìn)行室內(nèi)微波加熱試驗(yàn)。試驗(yàn)采用微波爐(類型為Galanz C2，功率為900 W，微波頻率為2.45 GHz)進(jìn)行微波加熱，采用FLIR E6 紅外熱成像儀對(duì)試件表面溫度進(jìn)行測(cè)試，如圖4所示。同時(shí)，使用專用的支架將制試件固定放于微波爐中心位置進(jìn)行加熱，設(shè)定總加熱時(shí)長(zhǎng)定為180 s，每隔30 s 采集1 次試件表面溫度，并利用FLIR tools專用軟件對(duì)采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

圖4 溫度測(cè)量流程圖Fig.4 Flow chart of temperature measurement

1.5 導(dǎo)熱性能測(cè)試

導(dǎo)熱系數(shù)能直觀表征材料的導(dǎo)熱性能。本次試驗(yàn)試樣的導(dǎo)熱系數(shù)使用湘潭儀器公司生產(chǎn)的DR-2C 導(dǎo)熱系數(shù)儀進(jìn)行測(cè)量，采用瞬態(tài)平面熱源法測(cè)定瀝青混凝土的熱學(xué)參數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量圖見(jiàn)圖5。測(cè)量用的Hot Disk 探頭為一平薄面，測(cè)量時(shí)，該探頭既是對(duì)試樣加熱的熱源，又是記錄溫度變化的溫度傳感器。在測(cè)量過(guò)程中，探頭會(huì)輸出恒定的直流電，使探頭溫度升高，改變探頭電阻，進(jìn)而使探頭兩端的電壓發(fā)生變化。通過(guò)記錄一定時(shí)間內(nèi)電壓變化，得到探頭電阻隨時(shí)間變化的關(guān)系，最后求出試樣的導(dǎo)熱系數(shù)[25]。

圖5 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量圖Fig.5 Measurement chart of thermal conductivity

探頭電阻隨時(shí)間變化的關(guān)系ΔR(t) 為

式中：R0為探頭在t=0 時(shí)的電阻；α為電阻溫度系數(shù)；ΔTi為薄膜保護(hù)層中的溫差；為與試樣處于理想接觸狀態(tài)時(shí)探頭的平均溫升；F0為無(wú)因次時(shí)間。

當(dāng)保護(hù)層厚度很小以及時(shí)間很短時(shí)，可以將F0看作定值，因此，能表示為

式中：Q為恒定的輸出功率；r0為探頭半徑；λ為被測(cè)試樣的導(dǎo)熱系數(shù)；D(F0)為無(wú)因次時(shí)間的函數(shù)。

令R*=R0(1+αΔTi)，則 式(6)可表示為

儀器測(cè)量時(shí)，會(huì)得到關(guān)于R(t)和D(F0)的1條直線，該直線截距為R*，斜率為C。通過(guò)改變熱擴(kuò)散系數(shù)α不斷對(duì)直線進(jìn)行擬合，使R(t)和D(F0)的直線相關(guān)性最大，即可由斜率C求試樣的導(dǎo)熱系數(shù)λ。

2 結(jié)果與討論

2.1 SiC砂電磁性能

材料的電磁性能表征微波吸收和損耗的能力，為了解樣品A和B的電磁性能，對(duì)這2種不同粒徑的SiC 砂電磁參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

圖6(a)和圖6(b)所示分別為樣品A 和B 復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部，可見(jiàn)在2～18 GHz 的測(cè)試頻率范圍內(nèi)，這2種SiC砂的復(fù)介電常數(shù)曲線的共振峰位置基本一致，說(shuō)明這2種SiC砂的極化弛豫機(jī)制是一致的。這2種SiC砂的ε′為7.6～8.8，而ε″隨頻率變化較大，在0.4～1.65內(nèi)波動(dòng)；在S波段和C波段(2～8 GHz)內(nèi)，細(xì)SiC砂的ε′和ε″都要比粗SiC砂的高，說(shuō)明該波段內(nèi)細(xì)SiC砂不僅介電存儲(chǔ)能力比粗SiC砂的強(qiáng)，而且介電損耗能力也比粗SiC砂的強(qiáng)。但在頻率較高的K 波段(12～18 GHz)出現(xiàn)了相反的情況，粗SiC 砂的ε′和ε″總體上比細(xì)SiC 砂的高，且在16.9 GHz 時(shí)ε′達(dá)到最大(為8.70)，在17.3 GHz時(shí)ε″達(dá)到最大(為1.64)。

2種粒徑SiC砂的復(fù)磁導(dǎo)率如圖6(c)和圖6(d)所示。從圖6(c)可知：在2～18 GHz頻率范圍內(nèi)，這2種SiC 砂的μ′分別在0.81～1.07 和0.84～1.13 范圍內(nèi)波動(dòng)并且均在2 GHz 處達(dá)到最大值(分別為1.07 和1.13)；此外，頻率相同時(shí)細(xì)SiC砂的μ′比粗SiC砂的高。圖6(d)顯示2～18 GHz 頻率范圍內(nèi)，這2 種SiC 砂的μ″分別在0.11～0.26 和0.13～0.31 范圍內(nèi)波動(dòng)，也均在2 GHz 處達(dá)到最大值(分別為0.26 和0.31)，同時(shí)，在相同頻率下，細(xì)SiC 砂的μ″也比粗砂的高，表明細(xì)SiC砂的磁儲(chǔ)存及損耗能力都比粗SiC 砂的強(qiáng)，但測(cè)量結(jié)果也表明這2 種SiC 砂的磁儲(chǔ)存和損耗能力都極弱。

經(jīng)計(jì)算，2 種SiC 砂的損耗角正切如圖6(e)所示。在16.8 GHz處細(xì)SiC砂損耗正切角達(dá)到最大值(0.456)，17.44 GHz 處粗SiC 砂達(dá)到最大值(0.365)?？傮w上看，在相同頻率下，細(xì)SiC砂的損耗角正切均比粗SiC 砂的高，并在13.68 GHz 處達(dá)到最大差值0.175。所以，總體來(lái)說(shuō)，細(xì)SiC 砂的電磁損耗能力比粗SiC砂的強(qiáng)，即細(xì)SiC砂能在相同時(shí)間內(nèi)將更多入射的電磁波轉(zhuǎn)化為熱能。

圖6 電磁參數(shù)測(cè)量結(jié)果Fig.6 Measurement results of electromagnetic parameters

2 種粒徑SiC 砂的反射損耗計(jì)算結(jié)果如圖7所示。從圖7(a)可見(jiàn)：當(dāng)細(xì)SiC砂在厚度為2 mm、頻率為13.68 GHz時(shí)，反射損耗最大為-22.34 dB。從圖7(b)可見(jiàn)：當(dāng)粗SiC 砂在厚度為10 mm、頻率為8.08 GHz 時(shí)，反射損耗達(dá)到最大，為-15.27 dB。在實(shí)際工程中使用的頻率為2.45 GHz，所以，重點(diǎn)關(guān)注該頻率下反射損耗的變化情況。從圖7(c)可見(jiàn)：隨著厚度增加，反射損耗不斷減小，且在相同厚度下，細(xì)SiC 砂的反射損耗比粗SiC 砂的小；當(dāng)厚度達(dá)到10 mm 時(shí)，粗SiC 砂的反射損耗為-10.51 dB，細(xì)SiC 砂為-13.55 dB，兩者均小于-10 dB，對(duì)電磁波的吸收率均高于90%，說(shuō)明在相同用量下，細(xì)SiC 砂對(duì)電磁波的吸收能力比粗SiC砂的強(qiáng)。綜上可見(jiàn)：在頻率為2.45 GHz時(shí)，細(xì)SiC砂不僅對(duì)電磁波的損耗能力比粗砂的強(qiáng)，而且對(duì)電磁波的吸收能力也比粗砂的強(qiáng)。

圖7 反射損耗計(jì)算結(jié)果Fig.7 Calculation results of reflection loss

2.2 SiC砂瀝青混凝土的微波加熱性能

SiC砂比普通集料具有更好的介電性能，在微波作用下可以迅速發(fā)熱并作為熱源向周圍的集料與附著于其表面的瀝青傳遞熱量，使瀝青混凝土整體溫度上升，從而提高瀝青混凝土的微波加熱效率。為探究這2種粒徑SiC砂瀝青混凝土的微波加熱效果，采用等體積替代法，用樣品A和B分別等體積替代細(xì)集料制成馬歇爾試件，體積替代量設(shè)置為5%，10%，15%，20%和25%，并設(shè)置空白對(duì)照組，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8。因?yàn)槲⒉訜釋儆隗w積加熱，所以，為保證體積穩(wěn)定性，還測(cè)量了試件的空隙率，測(cè)量結(jié)果如表4所示。從表4可見(jiàn)空隙率均在規(guī)范要求的3%～6%內(nèi)，且總體上變化不大。

表4 馬歇爾試件空隙率Table 4 Marshall specimen void ratio

從圖8(a)和圖(b)可見(jiàn)：含2 種不同粒徑SiC 砂的試件整體上其表面溫度隨著微波加熱時(shí)間增加而呈線性逐步上升，且SiC砂的體積分?jǐn)?shù)越高，相同時(shí)間內(nèi)試件表面能達(dá)到的溫度就越高；將普通瀝青混凝土試件加熱180 s 時(shí)，試樣表面溫度從21.8 ℃上升至65.4 ℃，只增加了43.6℃，在相同時(shí)間內(nèi)含25%粗SiC 砂的試件表面溫度從23.8 ℃上升至97.9 ℃，增大了74.1℃，相比對(duì)照組增幅為70.0%；體積分?jǐn)?shù)為25%的細(xì)SiC 砂試件則從23 ℃上升至99.4 ℃，增加了76.4℃，增幅為75.2%。為對(duì)比2 種粒徑SiC 砂在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的升溫速率，用線性回歸法對(duì)圖8(a)和圖(b)中的曲線進(jìn)行擬合，擬合方程設(shè)為：y=kx+c(其中，k為升溫速率)。擬合后的微波加熱升溫速率如圖8(c)所示，可見(jiàn)：擬合曲線與原曲線的關(guān)聯(lián)度R均保持在0.98以上，說(shuō)明擬合結(jié)果與原始數(shù)據(jù)具有高度的相關(guān)性；隨著SiC砂體積分?jǐn)?shù)增加，試件表面的溫度升高速率也逐步增加，普通瀝青混凝土溫升速率僅為0.251 ℃/s；當(dāng)SiC 砂替代量為25%時(shí)，樣品A 的溫升速率增加至0.412 ℃/s，樣品B 的溫升速率為0.428 ℃/s，分別比普通瀝青混凝土的溫升速率高64.1%和70.5%，細(xì)SiC 砂的增幅要比粗SiC砂的增幅大。從圖8(c)所示的溫升速率看，樣品B的溫升速率總體上比樣品A 的高。這是因?yàn)椋?.45 GHz的微波頻率下，細(xì)SiC砂的反射損耗及損耗角正切均比粗SiC 砂的高，即在相同的電磁場(chǎng)中，細(xì)SiC砂能讓更多的電磁波入射到內(nèi)部，同時(shí)對(duì)入射電磁波的損耗能力也比粗SiC砂的強(qiáng)，這意味著當(dāng)體積一定時(shí)，在相同微波功率和加熱時(shí)間下，細(xì)SiC砂能將更多電磁能轉(zhuǎn)化為熱能，這使得當(dāng)SiC砂體積分?jǐn)?shù)一定時(shí)，細(xì)SiC砂瀝青混凝土的溫升速率較高。

圖8 溫度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.8 Statistics results of temperature

為了解SiC砂體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)能否進(jìn)一步提高瀝青混凝土的加熱速率，將替代量增大至50%，75%及100%，然后進(jìn)行微波加熱試驗(yàn)，所得SiC砂溫升速率見(jiàn)圖9。

圖9 高體積分?jǐn)?shù)溫升速率Fig.9 Rise rate temperature of high volume fraction

從圖9可知：隨著SiC 砂體積分?jǐn)?shù)增大，2 種不同粒徑SiC 砂瀝青混凝土的溫升速率并沒(méi)有增加，還出現(xiàn)了小幅度下降，樣品A和B的溫升速率分別從0.412 ℃/s和0.428 ℃/s均下降至約0.4 ℃/s。因?yàn)殡S著SiC 砂體積分?jǐn)?shù)增大，作為吸波劑的SiC砂的體積增加，雖然理論上能吸收的電磁能增多，但受微波爐固定的輸出功率限制，在相同時(shí)間內(nèi)微波爐產(chǎn)生的總能量一定，由此造成單位體積SiC砂獲得的電磁能減小。當(dāng)SiC砂將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的效率一定時(shí)，SiC 砂的產(chǎn)熱增量不高，所以，無(wú)法進(jìn)一步提高瀝青混凝土的溫升速率。故隨著SiC 砂體積分?jǐn)?shù)不斷增加，SiC 砂瀝青混凝土出現(xiàn)溫升速率不增反降的現(xiàn)象。

2.3 SiC砂瀝青混凝土的導(dǎo)熱性能

為了探究SiC砂及其粒徑對(duì)瀝青混凝土導(dǎo)熱性能的影響，用樣品A和B對(duì)細(xì)集料進(jìn)行取代，取代量分別為25%，50%，75%和100%，同時(shí)設(shè)置不含SiC砂的空白組進(jìn)行對(duì)比。

圖10所示為SiC砂瀝青混凝土的導(dǎo)熱性能。從圖10可以看出：樣品A和樣品B這2種不同粒徑的SiC砂均可以有效提高瀝青混凝土的導(dǎo)熱能力，瀝青混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)隨著SiC砂體積分?jǐn)?shù)增加而增大；在相同SiC砂體積分?jǐn)?shù)下，細(xì)SiC砂的改善效果要比粗SiC砂的改善效果好；當(dāng)SiC砂替代量為25% 時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)增幅最大，樣品A 增大了0.374 W/(m·K)，樣品B則增大了0.472 W/(m·K)；而當(dāng)替代量為75%時(shí)，兩者的導(dǎo)熱系數(shù)最接近，此時(shí)，樣品A導(dǎo)熱系數(shù)為2.922 W/(m·K)，樣品B導(dǎo)熱系數(shù)為2.950 W/(m·K)；當(dāng)SiC砂完全替代細(xì)集料時(shí)，瀝青混凝土導(dǎo)熱能力提升最大，樣品A使瀝青混凝土試件的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到3.090 W/(m·K)，樣品B則使其達(dá)到3.236 W/(m·K)，導(dǎo)熱系數(shù)分別比普通瀝青混凝土提高0.979 W/(m·K)和1.125 W/(m·K)，增長(zhǎng)率分別為46.38%和53.29%。瀝青混凝土導(dǎo)熱能力隨SiC砂體積分?jǐn)?shù)增加而不斷上升，其原因是瀝青混凝土導(dǎo)熱性能的主要影響因素是礦物集料和膠結(jié)材料的熱學(xué)性能，而SiC砂屬于高導(dǎo)熱材料，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)125 W/(m·K)，導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)比常用的礦物集料高。用SiC砂對(duì)低導(dǎo)熱集料進(jìn)行取代后，瀝青混凝土內(nèi)部存在快速傳熱材料，同時(shí)也具備了構(gòu)建導(dǎo)熱通道的潛力，但當(dāng)SiC砂體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，導(dǎo)熱顆粒分散在瀝青混合料內(nèi)部，顆粒間的接觸十分有限，因此，導(dǎo)熱能力提升并不明顯。而隨著SiC 砂體積分?jǐn)?shù)逐步增加，SiC 砂之間的接觸不斷增多，顆粒之間相互連接進(jìn)而形成越來(lái)越多的導(dǎo)熱通道，因此，導(dǎo)熱系數(shù)不斷增大。而當(dāng)SiC砂體積分?jǐn)?shù)相同時(shí)，細(xì)SiC砂的改善能力比粗SiC砂的強(qiáng)，這是因?yàn)榧?xì)顆粒能更加緊密地互相嵌擠，利于孔隙填充，因此，顆粒之間接觸更多，產(chǎn)生的導(dǎo)熱通道也更多，更利于熱量傳導(dǎo)。這說(shuō)明導(dǎo)熱材料嵌擠更充分，接觸更多，能進(jìn)一步提高混合料的導(dǎo)熱性能。

圖10 SiC砂瀝青混凝土導(dǎo)熱性能Fig.10 Thermal conductivity of SiC sand asphalt concrete

為了解不同粒徑SiC砂混合使用是否能進(jìn)一步增強(qiáng)瀝青混凝土的導(dǎo)熱能力，將樣品A和樣品B按不同質(zhì)量比混合進(jìn)行試驗(yàn)。共設(shè)置5個(gè)試驗(yàn)組，粗細(xì)比(即粗SiC 砂與細(xì)SiC 砂質(zhì)量比)設(shè)置為1:3，1:2，1:1，2:1和3:1，由前面試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)替代量為75%時(shí)，這2種粒徑SiC砂瀝青混凝土導(dǎo)熱能力最接近，所以，為了更好地研究不同粒徑的SiC 砂混合使用后瀝青混凝土導(dǎo)熱能力的改善效果，選用替代量為75%。

圖11所示為混合使用這2種SiC砂瀝青混凝土導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量結(jié)果。從圖11可知：混合使用這2種不同粒徑的SiC砂能使瀝青混凝土的導(dǎo)熱能力進(jìn)一步提高；當(dāng)粗細(xì)比為1:2時(shí)，瀝青混凝土導(dǎo)熱能力提升最大，為3.238 W/(m·K)，分別比單獨(dú)使用粗SiC 和細(xì)SiC 提高0.316 W/(m·K)和0.288 W/(m·K)，增幅分別為10.81%和9.76%；SiC 砂粗細(xì)比為1:3的導(dǎo)熱能力次之；SiC 砂粗細(xì)比為2:1 的導(dǎo)熱能力最小，導(dǎo)熱系數(shù)僅為2.978 W/(m·K)。

圖11 SiC砂混合使用的導(dǎo)熱系數(shù)Fig.11 Thermal conductivity of mixed use of SiC sand

對(duì)粒徑分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粗細(xì)比為1:2時(shí)，SiC砂的級(jí)配最接近富勒(Fuller)提出的最大密度曲線，如圖12所示，此時(shí)可以認(rèn)為固體顆粒按照粒徑呈規(guī)則排列，粗細(xì)搭配，得到密度最大、空隙最小的瀝青混合料。因此，當(dāng)粗細(xì)比為1:2時(shí)，SiC砂顆粒之間的有效接觸最大，形成了更多的導(dǎo)熱通道，構(gòu)成了更完整的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，最終使導(dǎo)熱系數(shù)提高更快。

圖12 不同粗細(xì)比的SiC砂粒徑分布Fig.12 Particle size distribution of SiC sand with different mass ratios

3 結(jié)論

1)細(xì)SiC 砂的電磁儲(chǔ)存和損耗能力均比粗SiC砂的強(qiáng)。在2.45 GHz及相同厚度下，細(xì)SiC砂的微波吸收能力也比粗SiC 砂的強(qiáng)。當(dāng)厚度為10 mm時(shí)，粗SiC砂和細(xì)SiC砂的反射損耗都小于-10 dB。

2)SiC砂的摻入使瀝青混凝土的微波加熱性能明顯提高，并且細(xì)SiC砂的加熱性能要比粗SiC砂的加熱性能好，替代量為25%的細(xì)SiC砂可將瀝青混凝土的溫升速率從0.251 ℃/s 提升到0.428 ℃/s。此外，SiC 砂體積分?jǐn)?shù)越高，微波加熱性能越強(qiáng)，但功率一定時(shí)，當(dāng)摻量達(dá)到一定值后，加熱性能不會(huì)進(jìn)一步提高，因此，對(duì)不同的摻量應(yīng)使用合適的微波功率進(jìn)行加熱。

3)SiC砂替代細(xì)集料能夠提高瀝青混凝土的導(dǎo)熱性能，替代量越大，提升效果越明顯，并且細(xì)SiC 砂的改善效果要比粗SiC 砂的改善效果好。粗SiC砂和細(xì)SiC砂混合使用能進(jìn)一步增強(qiáng)導(dǎo)熱性能，SiC砂的級(jí)配滿足，富勒最大密度理論曲線時(shí)提升效果最好。