基于混合相變材料的瀝青路面降溫效果研究

摘 要：為進(jìn)一步研究相變材料（PCM）對(duì)瀝青路面的冷卻效果，本文建立某高速公路基層耦合傳熱過(guò)程的數(shù)值模型。將3種石蠟材料（OP55E、OP52E、OP47E）按4∶3∶3的體積比混合，以5%、10%、15%和20%的體積比摻入瀝青上面層和整體瀝青層中，模擬分析不同相變材料摻入方案的降溫效果，并測(cè)定瀝青路面高溫運(yùn)行狀態(tài)的頻率和持續(xù)時(shí)間。結(jié)果表明：在瀝青層中摻入相變材料能有效降低路面高溫車(chē)轍損壞的頻率。路面高溫的時(shí)間和日均持續(xù)時(shí)間均有所減少；降溫效果與相變材料體積混合比呈正相關(guān)。

關(guān)鍵詞：相變材料；公路路面；瀝青；降溫效果

中圖分類(lèi)號(hào)：U 41" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

某公路路段在典型的高溫太陽(yáng)輻射區(qū)，日照時(shí)間長(zhǎng)（夏季平均日照9.9h），太陽(yáng)輻射強(qiáng)（夏季平均日照強(qiáng)度703W/m2），且瀝青路面吸熱性強(qiáng)（吸熱率為0.85～0.95），高溫季節(jié)路面溫度可超過(guò)70℃[1]。在重交通荷載和高溫的作用下，路面容易發(fā)生車(chē)轍破壞，從而嚴(yán)重影響路面的穩(wěn)定性和耐久性[2]。因此，路面高溫問(wèn)題亟待解決。

在夏季惡劣的高溫氣候條件下，高速公路巴里坤至梧桐大泉段瀝青路面臨嚴(yán)重的高溫車(chē)轍破壞問(wèn)題[3]?，F(xiàn)有研究已經(jīng)證明了瀝青面層摻加相變材料的路面降溫技術(shù)的可行性，但對(duì)相變材料的添加位置以及路面在整體溫度控制效果的研究還相對(duì)缺乏?；诖?，本研究針對(duì)G7高速公路整體式路基路段建立了包括上層空氣環(huán)境的地-大氣耦合傳熱數(shù)值模型，并將該區(qū)域的氣溫、風(fēng)速和太陽(yáng)輻射等氣象數(shù)據(jù)作為外部輸入條件。本研究對(duì)比分析了不同摻入比例和位置的瀝青路面的降溫效果，并測(cè)量高溫范圍的頻率和持續(xù)時(shí)間。該研究成果可為戈壁地區(qū)應(yīng)用相變材料調(diào)節(jié)瀝青路面溫度提供一定參考。

1 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

某高速公路車(chē)轍損壞現(xiàn)象頻繁且嚴(yán)重。車(chē)轍損壞的誘因可分為內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素通常與路面結(jié)構(gòu)和瀝青材料質(zhì)量有關(guān)，而外部因素主要是氣候和交通條件。某高速公路地區(qū)的氣候條件通常包括高溫和高太陽(yáng)輻射，這些因素會(huì)迅速導(dǎo)致路面溫度升高，進(jìn)而引發(fā)不同程度的車(chē)轍損壞風(fēng)險(xiǎn)。

已有研究表明，在瀝青混合料中添加相變材料（PCM）可以提高其環(huán)境適應(yīng)性。然而，這些研究都只是短期的試驗(yàn)或數(shù)值模擬研究，關(guān)于添加相變材料（PCM）的瀝青路面在高溫氣候長(zhǎng)期影響下的高溫車(chē)轍風(fēng)險(xiǎn)的報(bào)道比較少。本文的研究目標(biāo)是考察相變材料（PCM）對(duì)瀝青路面溫度的長(zhǎng)期調(diào)節(jié)作用，獲得路面高溫頻率和持續(xù)時(shí)間的具體數(shù)據(jù)。數(shù)值結(jié)果可為高溫戈壁地區(qū)路面破損的預(yù)防和養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)，同時(shí)也具有重要的工程意義和學(xué)術(shù)價(jià)值。

1.2 相變材料

為瀝青路面選擇合適的相變材料需要考慮高溫氣候下瀝青路面的溫度范圍和鋪設(shè)瀝青路面的材料等因素[4]。本文使用的相變材料主要由十四烷、二氧化硅、乙醇和乙基纖維素組成。相變材料由聚乙二醇、丙烯酰胺和過(guò)硫酸鉀制備。以過(guò)硫酸鉀為引發(fā)劑，將丙烯酰胺制備成聚丙烯酰胺（PAM）。將聚乙二醇和聚丙烯酰胺以6∶4的質(zhì)量比混合以制備相變材料。在相變材料中，聚乙二醇通過(guò)相變過(guò)程吸收和釋放熱量，并且聚乙二醇的材料分散在由聚丙烯酰胺形成的骨架結(jié)構(gòu)中，通過(guò)-OH連接這兩種材料。瀝青路面車(chē)轍損壞的臨界溫度一般為55°C～60°C。因此，相變材料的相變點(diǎn)必須低于60°C。目前，在道路相變材料的篩選中，石蠟（相變區(qū)間為47°C～64°C，密度為0.9g/cm3）因其價(jià)格低、潛熱高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。因此，本研究也選擇石蠟作為瀝青面層的相變材料。此外，為了達(dá)到更好的冷卻效果，瀝青面層中混合相變材料的相變溫度范圍應(yīng)該盡可能大。通過(guò)比較不同類(lèi)型石蠟材料的相變區(qū)間，發(fā)現(xiàn)單一類(lèi)型相變材料的相變區(qū)間相對(duì)較小[5]。因此，為了擴(kuò)大相變溫度區(qū)間，使用OP55E、OP52E和OP47E這3種相變材料進(jìn)行混合，相變溫度區(qū)間分別為51℃～57℃、49℃～53℃和41℃～48℃。3種相變材料的熱物理參數(shù)詳見(jiàn)表1。將3種相變材料的體積混合比設(shè)定為4∶3∶3。相變材料混合物的比熱為11810J/（kg?K），復(fù)合相變材料的相變溫度區(qū)間為47℃～56℃。

1.3 相變材料的摻入方案

高速公路黑色瀝青面層的吸熱性很強(qiáng)，導(dǎo)致路面在夏季持續(xù)高溫并出現(xiàn)車(chē)轍損壞。對(duì)路面與環(huán)境之間整體傳熱過(guò)程進(jìn)行分析表明，瀝青面層高溫的位置和數(shù)值與復(fù)合相變材料的添加比例和位置有關(guān)[6]。為研究相變材料添加位置的降溫效果，設(shè)定以下兩種方案。1）僅在瀝青混凝土上部5cm處添加。2）在瀝青混凝土層的12cm處整體添加。由于相變材料的摻入比例與路面的降溫有必然聯(lián)系，因此不同比例的相變材料與路面降溫幅度之間的關(guān)系也是本文的研究目標(biāo)[7]。每個(gè)摻入位置的相變材料混合比均以5%為梯度進(jìn)行配置，分別為5%、10%、15%和20%。以不添加為方案0，摻入方案見(jiàn)表2。

1.4 計(jì)算參數(shù)設(shè)定

將路基和自然地表上方的空氣環(huán)境視為自由流體，空氣視為密度恒定的不可壓縮氣體?？刂品匠倘绻剑?）所示。

（1）

式中：P是空氣密度；ui是各方向的速度分量。動(dòng)量方程如公式（2）所示。

（2）

式中：ρ是氣壓；η是空氣的動(dòng)態(tài)黏度。能量方程如公式（3）所示。

（3）

式中：T為空氣溫度；λ為空氣導(dǎo)熱系數(shù)；cp為恒壓下的空氣比熱容；ST為自然地表和路面的耦合源項(xiàng)[8-9]。在計(jì)算中，將流體區(qū)域空氣的物理特性設(shè)定為固定值。根據(jù)區(qū)域氣候的實(shí)際測(cè)量結(jié)果，空氣的熱參數(shù)設(shè)定：p=1.225kg/m3，比熱=1006J/（kg?K），導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.0242W/（m?K）；空氣黏度μ=1.789×10-5kg/（m?s）。

通過(guò)建立土～氣耦合傳熱計(jì)算模型，研究不同相變材料摻入方案下瀝青路面的溫度分布。路基物理模型選自G7高速公路的一個(gè)典型整體路段。其底土層為厚0.7m的粉土層、厚5m的礫石層和下層未鉆孔的砂層。假設(shè)深土層對(duì)路面?zhèn)鳠徇^(guò)程影響不大，為計(jì)算方便，地下總深度取30m。路基路面寬27m，高3m，坡比1∶1.5，由路基填料、53cm水穩(wěn)碎石層和12cm瀝青層（5cmAC-16CSBS改性瀝青混凝土和7cmAC-25C道路石油瀝青混凝土）組成，從下到上依次為路基填料、53cm水穩(wěn)碎石層和12cm瀝青層。道路左右兩側(cè)各有0.75m的土路肩，土質(zhì)與路基填料相同。自然地表高度取路基高度的20倍，即左右各60m，以避免入口效應(yīng)。為減少上邊界條件的影響，空氣區(qū)總高度取30m，以減少上邊界條件的影響。

1.5 計(jì)算方法

采用GAMBIT 2.4軟件對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行離散化處理，網(wǎng)格為剖面四邊形結(jié)構(gòu)。對(duì)流場(chǎng)變化劇烈的區(qū)域和研究的路基區(qū)域等關(guān)鍵耦合傳熱區(qū)域進(jìn)行加密，網(wǎng)格長(zhǎng)寬比小于1∶2，非關(guān)鍵區(qū)域的網(wǎng)格比不大于1∶10。本研究采用地球-大氣耦合數(shù)值模型。在ANSYS Fluent 軟件包中求解地球-大氣傳熱過(guò)程的控制方程。數(shù)值計(jì)算采用了二維、非穩(wěn)態(tài)和隱式求解器，湍流模型采用了標(biāo)準(zhǔn)模型。模型用于空氣區(qū)域的湍流模擬。利用Fluent UDF程序?qū)⒖諝鉁囟取L(fēng)速和表面源項(xiàng)等復(fù)雜邊界條件導(dǎo)入計(jì)算模型。此外，將計(jì)算過(guò)程中的收斂條件設(shè)定為10～5。為了更好地反映實(shí)時(shí)溫度，將計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)選擇為20min，總計(jì)算時(shí)間定義為153d。

2 結(jié)果與討論

2.1 物理性質(zhì)

熱拌攤鋪技術(shù)是制備瀝青混合料的常用技術(shù)，主要是黏結(jié)劑與集料之間具有相對(duì)較好的界面黏附性。熱拌瀝青混合料的施工溫度通常在160℃～185℃，在此溫度下，相變材料瀝青路面材料應(yīng)保持固態(tài)而不明顯泄漏，以避免泄漏的PCM對(duì)瀝青路面的綜合性能產(chǎn)生不利影響。圖1為相變材料瀝青樣品分別在60°C和200°C環(huán)境下暴露2h后的照片。從圖中可以看出，濾紙上幾乎看不到液體痕跡，這不僅驗(yàn)證了固-固相變材料的成功合成，進(jìn)一步證明了相變材料在瀝青路面高溫施工過(guò)程中可以保持固態(tài)。且本研究中制備的相變材料瀝青路面的特點(diǎn)是硬度較高，從而使相變材料在200°C呈固態(tài)。

2.2 瀝青路面與相變材料混合料的冷卻效率

表3為不同溫度范圍內(nèi)路面日最高溫度的持續(xù)時(shí)間，可以看出，從5月1日—9月30日，所有溫度范圍的時(shí)間和日持續(xù)時(shí)間都明顯縮短。在摻入相變材料后，45℃～55℃、55℃～60℃、60℃～70℃和70℃以上的高溫時(shí)間分別縮短9d、4d、2d和3d，日平均持續(xù)時(shí)間分別縮短0.3h、0.4h、0.4h和0.6h。由此可以得出結(jié)論：在瀝青層中添加相變材料可以有效降低路面高溫車(chē)轍損壞的頻率。

2.3 不同相變材料混合比的冷卻效率

相變材料的體積混合比決定了瀝青路面的熱性能。7月15日瀝青層的溫度分布和不同相變材料混合比路面的溫降（基于方案0）見(jiàn)表4。從表中可以看出，隨著相變材料混合比增加，時(shí)間和日平均持續(xù)時(shí)間都有所縮短。此外，在高溫范圍內(nèi)，添加相變材料的降溫效果更為明顯。隨著相變材料混合比從5%增至20%，在溫度大于70°C的范圍內(nèi)，溫度持續(xù)時(shí)間和日平均持續(xù)時(shí)間分別縮短至4d和3.3h。這也表明，在較低溫度范圍內(nèi)，當(dāng)相變材料比率超過(guò)10%時(shí)，冷卻效果變化不大。當(dāng)使用相變材料時(shí)應(yīng)注意，雖然增加相變材料的混合比有助于增強(qiáng)冷卻效果，但確定相變材料混合量時(shí)還應(yīng)考慮工程成本和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素。因此在瀝青路面實(shí)際施工過(guò)程中，要控制相變材料的摻入量，建議在公路路面瀝青中加入15%的瀝青相變材料，同時(shí)施工時(shí)要注意施工技術(shù)創(chuàng)新，嚴(yán)格控制相變材料摻量，進(jìn)一步推動(dòng)混合相變材料在瀝青路面建設(shè)中的應(yīng)用。

2.4 不同相變材料混合位置的冷卻效率

表5為不同相變材料混合位置（瀝青層相變材料混合和瀝青上面層相變材料混合）和不同相變材料混合比（5%和20%）下路面日最高溫度的持續(xù)時(shí)間。可以看出，當(dāng)相變材料體積混合比為5%時(shí)，瀝青上面層相變材料混合方案的性能優(yōu)于整體瀝青層相變材料混合方案。對(duì)方案1來(lái)說(shuō)，45°C～55°C、55°C～60°C、60°C～70°C、70°C以上的高溫時(shí)間分別縮短9d、4d、7d和14d，日平均持續(xù)時(shí)間分別縮短0.6h、0.4h、0.4h和0.6h，其值大于方案5?？梢哉f(shuō)明，相變材料的冷卻效果與其體積混合比呈正相關(guān)。隨著混合比從5%增至20%，路面溫度從72.94℃降至70.34℃。此外，溫度降幅也隨著相變材料混合比的增加而變大，尤其是在路面溫度較高的情況下。當(dāng)路面初始溫度達(dá)到75℃時(shí)，隨著相變材料混合比從5%增至20%，溫降從1.49℃升至4.66℃。

相比之下，當(dāng)相變材料體積混合比為20%時(shí)，瀝青層相變材料混合方案的性能優(yōu)于瀝青上面層相變材料混合方案，尤其是在高溫范圍內(nèi)（＞70°C）。方案8在45°C～55℃、55°C～60℃、60°C～70℃和70℃以上的時(shí)間分別縮短10d、10d、12d和23d，日平均持續(xù)時(shí)間分別縮短0.3h、0.4h、0.7h和2.0h。在相變材料混合比較小的情況下，高溫路面附近摻入相變材料可更好地改善冷卻效果，而在混合比較大的情況下，通過(guò)增加系統(tǒng)的等效熱容量，可有效改善整個(gè)瀝青層摻入相變材料后的性能。當(dāng)上表面進(jìn)行相變材料施工時(shí)，可以通過(guò)相變材料有效調(diào)節(jié)瀝青路面和上表面的溫度。相變材料的溫度調(diào)節(jié)特性減少了溫度變化對(duì)瀝青混合料溫度敏感性的不利影響。從理論上講，相變材料越多，瀝青路面防止溫度開(kāi)裂的可能性就越高。然而，當(dāng)相變材料含量超過(guò)其臨界值時(shí)，瀝青混合料的強(qiáng)度和彈性模量可能會(huì)下降。當(dāng)上、中、下面層均采用相變材料施工時(shí)，相變材料可以較好地調(diào)節(jié)中、下表面層的溫度。

3 結(jié)論

本研究建立某地區(qū)G7高速公路基層耦合傳熱過(guò)程的數(shù)值模型。將3種石蠟材料（OP55E、OP52E、OP47E）按4∶3∶3的體積比混合，以5%、10%、15%、20%的體積比摻入瀝青上面層和整體瀝青層中。并模擬分析不同相變材料摻入方案的降溫效果，并測(cè)量了瀝青路面高溫運(yùn)行狀態(tài)的頻率和持續(xù)時(shí)間，得出以下結(jié)論。1）在瀝青層中添加相變材料可以有效降低路面高溫的發(fā)生頻率。2）冷卻效果與相變材料體積配合比呈正相關(guān)，路面的溫降也隨著相變材料配合比增加而增加。當(dāng)相變材料混合比從5%增至20%時(shí)，75°C路面可冷卻1.49°C和4.66°C，路面溫度超過(guò)70°C的時(shí)間和日持續(xù)時(shí)間分別減至4d和3.3h。

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