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(chē)荷載、溫度變化等其他外界因素的影響，極易出現(xiàn)車(chē)轍、擁包等病害，極大降低了瀝青路面的行車(chē)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(kāi)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(chē)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(chē)轍試件，通過(guò)烘箱模擬了車(chē)轍試件的升溫和降溫過(guò)程，利用溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)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(chē)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(chē)轍試驗(yàn)研究了熱管對(duì)瀝青混合料抗車(chē)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(chē)轍試件成型

將重力熱管的蒸發(fā)段固定在特制的車(chē)轍板模具內(nèi)，冷凝段露于車(chē)轍板模具外，埋置深度為5 cm，熱管位于車(chē)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(chē)轍試件。埋置熱管的瀝青混合料車(chē)轍試件與未埋置熱管的瀝青混合料車(chē)轍試件如圖2所示。

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

1.4 瀝青混合料車(chē)轍試件內(nèi)部溫度測(cè)試

將瀝青混合料車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)轍試件降溫幅度的影響

將某一時(shí)刻瀝青混合料車(chē)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。空白組和熱管組的瀝青混合料車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)轍試件；而在6 cm深度處，熱管組瀝青混合料車(chē)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(chē)轍試件(20 min時(shí)除外)。因此，當(dāng)瀝青混合料車(chē)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(chē)轍試件溫度場(chǎng)的影響越明顯，瀝青混合料車(chē)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?chē)鷾囟认陆祵?dǎo)致的。在瀝青混合料車(chē)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?chē)h(huán)境溫度升高，從而造成瀝青混合料車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)轍試件而言，在同一時(shí)刻距離車(chē)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(chē)轍試件表面處，車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)轍試件降溫幅度隨距車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)轍試件體積范圍；x、y、z為瀝青混合料車(chē)轍試件不同位置的坐標(biāo)。

選取瀝青混合料車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)轍試件的焓變均大于熱管組瀝青混合料車(chē)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(guò)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(guò)程中，試件溫度逐漸升高，埋設(shè)熱管的瀝青混合料車(chē)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，試件的升溫幅度較小；在降溫過(guò)程中，由于冷凝段工質(zhì)液化放熱又會(huì)使熱管周?chē)臑r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(guò)程中熱量的變化。

表2 瀝青混合料車(chē)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(chē)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(chē)轍試件不同時(shí)刻的溫度梯度。

(3)

選取瀝青混合料車(chē)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(chē)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(chē)轍試件深度方向上的溫度梯度，℃·cm-1；T上為瀝青混合料車(chē)轍試件表面處的溫度代表值，℃；T下為瀝青混合料車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)轍試件不同深度處，瀝青混合料車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)轍試件中線3 cm處的溫度代表值，℃；T右為距瀝青混合料車(chē)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(chē)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(chē)轍試件表面處，相同時(shí)刻空白組瀝青混合料車(chē)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(chē)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(chē)轍試件3 cm深度處，相同時(shí)刻空白組瀝青混合料車(chē)轍試件在水平方向上的溫度梯度均大于熱管組；而在車(chē)轍試件6 cm深度處，空白組瀝青混合料車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)轍性能的影響

空白組和熱管組瀝青混合料的車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)轍能力。