熱線(xiàn)法測(cè)瀝青混合料導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)的改進(jìn)

季亞萍，劉林松

（1.蘇州市吳江區(qū)交通工程質(zhì)量監(jiān)督站，江蘇 蘇州 215200；2.東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京 210000）

1 導(dǎo)熱系數(shù)的基本概念

在穩(wěn)定均勻傳熱的條件下，1m厚的材料其兩側(cè)表面的溫差為1K或1℃時(shí)，在1h內(nèi)單位面積所傳遞的熱量值，就是該材料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W／（m·K）或者W／（m·℃）。 并且，導(dǎo)熱系數(shù)與物體導(dǎo)熱性呈正相關(guān)[1]。

ASTM（美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)）把在穩(wěn)定傳熱的條件下，通過(guò)非均質(zhì)材料單位面積熱流時(shí)間變化率與垂直于面積方向的單位溫度梯度比值定義為表觀(guān)導(dǎo)熱系數(shù)，用λ來(lái)表示。

2 導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試方法簡(jiǎn)介

對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試方法一般可分為：穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法兩大類(lèi)[2]。在用穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法時(shí)，試樣內(nèi)的溫度分布不隨時(shí)間而變化，因而形成穩(wěn)態(tài)的溫度場(chǎng)，當(dāng)試樣溫度達(dá)到熱平衡后，利用穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程，通過(guò)測(cè)量計(jì)算就可得到試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。而用非穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法時(shí)，試樣內(nèi)的溫度分布是隨著時(shí)間變化的，形成非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，利用非穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)導(dǎo)熱微分方程，同樣能夠得到其材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

在對(duì)固體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定時(shí)，不同的試驗(yàn)溫度范圍和不同導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值范圍的各類(lèi)材料，需要用不同的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試。表1所示為現(xiàn)有導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試方法總結(jié)。

表1 現(xiàn)有導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法

熱線(xiàn)法是非穩(wěn)態(tài)法中測(cè)量熱導(dǎo)系數(shù)的一種標(biāo)準(zhǔn)方法，盡管?chē)?guó)家制定了《非金屬固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)——熱線(xiàn)法》，但是用熱線(xiàn)法測(cè)瀝青混合料導(dǎo)熱系數(shù)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)較少，因此仍需要進(jìn)一步的研究。

3 熱線(xiàn)法測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)原理

熱線(xiàn)法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的原理是在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，用電爐絲作為熱線(xiàn)，在測(cè)試試件成型的時(shí)候，把電爐絲和熱電偶預(yù)埋在測(cè)試試件中相應(yīng)的位置。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間穩(wěn)定后，根據(jù)熱電效應(yīng)將電爐絲通電讓其發(fā)熱，通過(guò)測(cè)量熱電偶溫度就能夠得到測(cè)試試件內(nèi)溫度與時(shí)間的關(guān)系[3]。根據(jù)熱傳導(dǎo)理論，由邊界條件根據(jù)熱傳導(dǎo)方程可間接地得到試件的導(dǎo)熱系數(shù)，如式（1）所示：

式中：λ——表觀(guān)導(dǎo)熱系數(shù)；

L——有效加熱長(zhǎng)度，m；

t1，t2——加熱開(kāi)始到測(cè)量時(shí)刻的時(shí)間，s；

θrt2，θrt1——加熱時(shí)間t1，t2時(shí)距離熱線(xiàn)r處的溫升，℃。

試驗(yàn)原理如圖1所示[3]。

圖1 熱線(xiàn)法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)原理圖

4 熱線(xiàn)法測(cè)瀝青混合料導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)的缺點(diǎn)

在試驗(yàn)室沒(méi)有專(zhuān)門(mén)測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)儀器的條件下，熱線(xiàn)法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)是一種比較方便、簡(jiǎn)單、迅速的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定方法。但利用熱線(xiàn)法測(cè)量瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，用輪碾法成型試驗(yàn)試件，需要提前埋置電爐絲和熱電偶，因此導(dǎo)致此方法有一定的不足。

首先，熱線(xiàn)法試件中所埋置的電爐絲是一種用途比較廣泛、用量比較大的發(fā)熱材料，但是它具有以下幾方面的缺點(diǎn)：

a）由于電爐絲在工作時(shí)處于很高的溫度下（熾熱狀態(tài)），導(dǎo)致其在空氣中容易發(fā)生氧化反應(yīng)而燒斷；

b）從電熱能量轉(zhuǎn)換方面來(lái)分析，由于電爐絲發(fā)熱變紅而產(chǎn)生部分可見(jiàn)光，使能量損耗過(guò)多；

c）在試件成型時(shí)由于瀝青混合料一直處于碾壓狀態(tài)而很難保證電爐絲處于直線(xiàn)狀態(tài)，也即可能在曲線(xiàn)狀態(tài)甚至在螺旋狀態(tài)下使用，通電時(shí)會(huì)使電爐絲產(chǎn)生感抗效應(yīng)，影響試驗(yàn)；

d）電爐絲在試件中埋置時(shí)，由于電爐絲的絲徑是根據(jù)其功率大小選擇的，不能夠保證在碾壓時(shí)電爐絲會(huì)不被擠壓而遭到破壞；

e）在普通瀝青混合料的成型溫度范圍內(nèi)，對(duì)于電爐絲能否處在穩(wěn)定狀態(tài)以及在冷卻之后是否會(huì)變脆，均不能確定。

其次，在試驗(yàn)完成后，電爐絲在通電使用后就會(huì)固定在試件中而不能回收再利用，或者其在回收后性能方面會(huì)有所下降而不能夠再次使用，從而導(dǎo)致試驗(yàn)材料的浪費(fèi)。同時(shí)在試件制作時(shí)埋置電爐絲的步驟比較繁瑣。

最后，與電爐絲一起埋置在試件中間的熱電偶，在試件成型的時(shí)候，由于其位置恰處于試件的中間，操作很難保證其位置的準(zhǔn)確性，并且在輪碾的時(shí)候不能夠保證熱電偶處于良好的工作狀態(tài)；或者熱電偶因擠壓而被破壞掉，也可能導(dǎo)致試驗(yàn)的不成功；再者由于碾壓而導(dǎo)致熱電偶的位置改變過(guò)大而使得測(cè)量偏差過(guò)大，從而導(dǎo)致試驗(yàn)不必要的失敗。

雖然熱線(xiàn)法測(cè)量非金屬固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)是一種比較標(biāo)準(zhǔn)的方法，但是在用于測(cè)量瀝青混合料導(dǎo)熱系數(shù)方面，由于瀝青混合料自身特殊的性質(zhì)，導(dǎo)致用熱線(xiàn)法測(cè)量其導(dǎo)熱系數(shù)存在不可避免的缺點(diǎn)。因而在熱線(xiàn)法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，并且使改進(jìn)后的試驗(yàn)方法能夠操作簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便、測(cè)量準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)合理。

5 熱線(xiàn)法測(cè)瀝青混合料導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)的改進(jìn)及優(yōu)點(diǎn)

在熱線(xiàn)法的基礎(chǔ)上，針對(duì)其在測(cè)量瀝青混合料導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)所出現(xiàn)的缺點(diǎn)，對(duì)熱線(xiàn)法進(jìn)行了一定的設(shè)計(jì)改進(jìn)。

首先，針對(duì)電爐絲在很高的溫度下容易發(fā)生氧化反應(yīng)而燒斷，在試件成型時(shí)由于瀝青混合料一直處于碾壓狀態(tài)而很難保證電爐絲處于直線(xiàn)狀態(tài)，以及在試驗(yàn)完成后電爐絲在通電使用后就會(huì)固定在試件中不能在回收利用而造成材料的浪費(fèi)等缺點(diǎn)，以硬質(zhì)紅外線(xiàn)燈產(chǎn)生的熱量為熱源來(lái)代替電爐絲發(fā)熱產(chǎn)生的熱源，這樣既能解決電爐絲高溫下容易發(fā)生氧化造成試驗(yàn)失敗的問(wèn)題，也能克服在試件成型時(shí)容易造成電爐絲彎曲的缺點(diǎn)。

其次，移動(dòng)與電爐絲一起埋置在試件中間的熱電偶的位置，使熱電偶在瀝青混凝土試件成型時(shí)能夠處于良好的工作狀態(tài)。其改進(jìn)方法是將熱電偶的位置由原來(lái)的試件中間移動(dòng)到試件的表面中心。

總之，改進(jìn)后的試驗(yàn)方法克服了熱線(xiàn)法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，并且能夠簡(jiǎn)單、方便、迅速地測(cè)得瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù)。其改進(jìn)后的試驗(yàn)原理如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的試驗(yàn)方法原理圖

6 自行設(shè)計(jì)改進(jìn)試驗(yàn)的可行性

自行設(shè)計(jì)改進(jìn)試驗(yàn)后與原熱線(xiàn)法測(cè)量瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù)的不同之處有：

a）用硬質(zhì)紅外線(xiàn)燈所產(chǎn)生的熱源代替電爐絲所產(chǎn)生的熱源；

b）硬質(zhì)紅外線(xiàn)燈所產(chǎn)生的熱源位于試件的外部，電爐絲所產(chǎn)生的熱源位于試件的內(nèi)部，用于與電爐絲一起埋置在試件中間的熱電偶的位置；

c）熱線(xiàn)法中與電爐絲的一起埋置在試件中間位置的熱電偶移動(dòng)到試件的底部，其余試驗(yàn)的條件以及邊界條件等都保持不變，其測(cè)量的基本原理仍然屬于非穩(wěn)態(tài)的方法，在外加熱源條件下試樣的溫度將會(huì)升高，通過(guò)測(cè)量熱電偶的溫度，就可以得到溫度隨時(shí)間的變化，隨之就可確定所測(cè)試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。

自行改進(jìn)試驗(yàn)在理想的情況下：假設(shè)硬質(zhì)紅外線(xiàn)燈所產(chǎn)生的光線(xiàn)全部呈圓柱形均勻散射到瀝青混凝土試件的表面，并且硬質(zhì)紅外線(xiàn)燈自身所產(chǎn)生的熱量隨光線(xiàn)全部到達(dá)試件表面均勻、均質(zhì)、均溫地向試件下方傳導(dǎo)，此時(shí)所處狀態(tài)和電爐絲通電呈圓柱型發(fā)熱傳熱下半部分基本相同。于是，根據(jù)熱傳導(dǎo)理論，以及熱線(xiàn)法推算的導(dǎo)熱系數(shù)的公式，將熱線(xiàn)法單位時(shí)間、單位長(zhǎng)度上所產(chǎn)生的熱量變?yōu)樽孕性O(shè)計(jì)改進(jìn)試驗(yàn)后的單位時(shí)間硬質(zhì)紅外線(xiàn)燈所產(chǎn)生的熱量到達(dá)試件表面的熱量，也可以間接地推算出瀝青混合料導(dǎo)熱系數(shù)的公式：

式中：W——硬質(zhì)紅外線(xiàn)燈的功率，W；

L——試件表面?zhèn)鳠衢L(zhǎng)度，m；

θ——轉(zhuǎn)化熱量系數(shù)，%。

其余參數(shù)的含義同式（1）。

7 結(jié)語(yǔ)

本文分析了熱線(xiàn)法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的基本原理，總結(jié)了熱線(xiàn)法在測(cè)量瀝青混合料導(dǎo)熱系數(shù)中的缺陷和不足，在此基礎(chǔ)上提出了熱線(xiàn)法測(cè)瀝青混合料的改進(jìn)方法，并對(duì)其進(jìn)行了可行性研究及推導(dǎo)出了改進(jìn)后熱線(xiàn)法測(cè)量瀝青混合料的計(jì)算公式。

[1]田喆.城市熱島效應(yīng)分析及其對(duì)建筑空調(diào)采暖能耗影響的研究[D].天津：天津大學(xué)，2005.

[2]胡芃，陳則韶.量熱技術(shù)和熱物性測(cè)定[M].安徽：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009.

[3]GB/T 10297—1998，非金屬固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定方法 熱線(xiàn)法[S].