淺談排水性瀝青路面降溫機理

張運會

(河北省高速公路石黃管理處)

1 熱輻射

熱輻射作為熱傳遞的一種方式，是由于某物體存在溫差，該物體向外發射射線進行熱量傳遞。這種射線有不可見的和可見的兩種情況，又稱為光子或電磁波。所以熱輻射是一種電磁輻射，這種電磁輻射消耗物體內能，除了發射源和波長不同外，它的本質和紫外線、無線電波和X 射線等并無差別。

習慣上，電磁波的發射經常被用“輻射”二詞來概括，輻射能是一種能量，輻射能是由物體向外輻射的能量和電磁波所承載運送的能量和形成的。受熱物體溫度超過絕對零度是熱輻射的前提條件。一旦物體溫度超過絕對零度熱輻射將不斷向外輻射;周圍向外熱輻射的物體輻射的熱量也被該物體也吸收。由于吸收和向外輻射的聯合作用效果，導致了物體之間的熱量以熱輻射的方式進行著，這也稱之為熱輻射交換的過程。若物體間的溫度有差異，則相互輻射的能量也有差異，低溫的物體輻射小于高溫的輻射能量，最終的結果是物體間的熱量由高溫向低溫傳遞。如果物體之間的溫度差為零，那么輻射熱量的交換也為零，隨之發生的是相互輻射的能量相等，但是輻射和吸收仍然在物體之間不斷的進行。

2 熱傳導

熱傳導(亦稱導熱)是指相互接觸的兩個物體之間，熱量從高溫物體傳向低溫物體;或者同一個物體中高溫部分向低溫部分傳遞熱量的過程。比如將金屬棒的一頭放進熱火爐中加熱，熱量迅速從加熱的部分傳遞到未加熱的末端，導致另一頭的溫度得以提高。這是因為鐵棒導熱性能非常良好。

熱傳導可以在固、液和氣體中產生，但是由于地球磁場的吸引力作用，靜止的流體和密實的固體是單純的熱傳導存在的前提條件。

以上是從宏觀的角度進行的闡述。下面從微觀角度出發探討熱傳導現象。熱傳導是由于物質的微觀的粒子(如原子)等的熱運動而進行熱量的傳遞。固、液、氣的導熱機理各不相同。在氣體之間熱傳導是由于不規則熱運動的氣體分子的相互碰撞從而產生了導熱。高、低溫區氣體分子的平均動能各不相同，高溫區大于低溫區，而熱量由高溫部分傳向低溫部分是由于能量水平不同的分子之間互相碰撞所導致。熱量在非金屬晶體之內的傳遞是憑借晶格的熱振動波來實現，亦即傳遞熱量依靠彈性波實現，這種彈性波是由分子、原子在各自平衡的位置附近振動產生的。熱量傳遞在固體金屬當中依靠這種晶格的振動波的作用很小，自由電子的遷移起主要傳遞作用。至今對于液體的導熱機理還沒有完全研究明白。但是，有人研究結果顯示，導熱的機理非金屬晶體與液體的相似，也即熱量的傳遞主要是依靠晶格結構的振動進行。

最早在1882年，法國的數理學家傅立葉通過實踐經驗總結并提出了適用于固體導熱的平壁中的導熱公式

式中:Q 為單位時間通過面積A 的導熱數量，稱之為導熱熱流量，W;λ 為物體材料的導熱系數，W/ (m·K);A 為垂直于導熱方向的截面積，m2;ΔT 為平壁兩邊的溫度差，K;δ 為平壁厚度，m。

從公式(1)得知，在其他條件保持不變的前提下，單位時間內的導熱量與截面積成正比例關系;單位時間內的導熱量與溫度差成正比例關系，在單位時間內的導熱量和導熱系數成正比例關系;在單位時間內的導熱量與導熱距離成反比例關系。

3 熱對流

熱對流是通過相對位移把熱量轉移的現象，這種相對位移是流體不同部分的相對位移。比如在北方冬季室內采暖供熱以后，循環流動的空氣是由于供暖的暖氣管片上方的空氣受熱后從下而上飄浮，上浮前空氣部位由冷空氣所補充，如此循環往復，熱量被流動著的空氣充滿于室內的各個角落，從而達到室內加熱的效果。這便是熱對流的實例。熱對流存在的前提條件是流體中存在溫差。熱對流存在于流體當中是熱對流的獨特特性，并且流體的流動密度越大熱量的傳遞的速度越快。

單純的熱對流的在工程中很少見，當物體表面有流體經過的時候，熱量傳遞是熱對流與熱傳導的共同作用過程，這種現象被稱之為放熱(亦稱熱量傳遞)過程。

牛頓在1701年提出對流換熱的基本計算公式，也被稱為牛頓冷卻公式

式中:α 為比例系數，稱之為對流換熱系數;A 為與流體直接接觸的壁面面積，m2;Q 為對流換熱量(對流換熱熱流量)，W;Δt 為壁面與流體間的溫度差，℃。

熱輻射、傳導和對流三種方式的差異之處在于傳遞能量時對流和傳導需要借助于材料的介質，而輻射的傳遞卻不需要。事實上在真空中熱輻射的熱量傳遞最能產生效果。比如，依靠熱輻射太陽把熱量傳遞到地球。熱輻射與其它兩種熱傳遞的另外一方面區別是，有效的能量形式的轉換過程在能量傳播的過程當中相伴而生。亦即內能和輻射能的相互轉換過程。

綜上得知由于太陽光照射在瀝青路面上，路面表層溫度發生了變化，這是由于太陽光在內能與輻射能之間發生了相互轉化，最終熱量儲存在了路面表面，進而再通過導熱的方式逐漸把熱量從表層向下層傳遞。

排水性瀝青路面的溫度規律研究，認為熱輻射與導熱過程的綜合作用，導致已建成的瀝青路面溫度發生變化，瀝青路面的中面層是主要研究的對象，亦即在條件相同的情況下中面層在排水性瀝青路面與非排水性瀝青路面的溫度對比，故從這個角度看，作用效果在熱輻射過程中是一樣的，僅需要考慮導熱過程就行。

瀝青路面的獨特結構決定了瀝青路面中面層溫度在排水性瀝青路面和非排水性之間有差異。最主要的特點是排水性瀝青路面排水層的空隙率較大，排水性瀝青路面與SMA 路面相比較，如果把兩者的排水層進行有限次數的分層，空隙率在20%左右的層和層之間的接觸面積，前者接觸面積較后者小大約20%。而根據公式(1)可知，熱傳導的效果將直接受到接觸面積的影響，亦即接觸面積與傳導的效果成反比。傳熱面積和材料的導熱系數與排水性瀝青路面排水層的空隙有關。依此類推依據公式(1)，導熱系數與傳導熱量的效果成正比。經過試驗研究表明，對于瀝青路面導熱系數，排水性的瀝青路面是普通密級配的67%。因此非排水性較排水性瀝青路面的溫度傳導性能好，也可以說成是非排水性比排水性的瀝青路面的溫度變化大。

［1］宋憲發.排水性瀝青路面降溫性能及衰變規律研究［D］.同濟大學，2008.

［2］陳旭東.固態繼電器的造型設計與熱分析研究［D］.河北工業大學，2003.