熱管對瀝青混合料降溫特性及高溫穩定性的影響

馮振剛，馬錦元，劉 昌，王 偉，鄧新龍，林淞山

(長安大學公路學院，西安 710064)

0 引 言

瀝青路面具有吸熱迅速、放熱緩慢的特點，加之受到行車荷載、溫度變化等其他外界因素的影響，極易出現車轍、擁包等病害，極大降低了瀝青路面的行車安全性和舒適性[1]。目前，國內外針對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：在密閉管內充入一定量的工作介質，蒸發段內部工質受熱吸熱從液態轉變為氣態，在冷凝段壁面放熱再次轉變為液態，最后冷凝液依靠重力回流至蒸發段，如此形成傳熱循環[7-10]。針對熱管在瀝青混凝土溫度場調節中的作用及其影響因素[11-12]，以及不同工作介質及充液率熱管對瀝青路面降溫效果的影響[13-14]已開展了相關研究。然而，針對埋置熱管后瀝青混合料內部不同位置處的降溫特性及溫度梯度變化的研究報道相對較少；此外，為了保證瀝青路面具有較好的使用性能，熱管的埋置對瀝青混合料路用性能的影響也需進行評價。這對于降低瀝青路面的溫度，減少車轍病害，提高路用性能，延長使用壽命具有重要的理論與實際意義。

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轍試件，通過烘箱模擬了車轍試件的升溫和降溫過程，利用溫度傳感器實時監測車轍試件不同位置處的溫度；分析了埋設熱管的瀝青混合料車轍試件的焓變和溫度梯度，評價了熱管對瀝青混合料降溫特性的影響；同時采用車轍試驗研究了熱管對瀝青混合料抗車轍性能的影響。

1 實 驗

1.1 瀝青混合料

瀝青混合料，AC-16C，礦料合成級配曲線如圖1所示，經馬歇爾試驗方法確定瀝青混合料的油石比為4.2%(質量比)。

圖1 瀝青混合料合成級配曲線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，充液率為70%(體積分數)，內部真空度為1.3×10-2Pa。重力熱管的技術參數如表1所示。

表1 重力熱管的技術參數Table 1 Technical parameters of the gravity heat pipe

1.3 瀝青混合料車轍試件成型

將重力熱管的蒸發段固定在特制的車轍板模具內，冷凝段露于車轍板模具外，埋置深度為5 cm，熱管位于車轍板正中間，熱管與水平面的夾角為6°。根據《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)中瀝青混合料試件制作方法(輪碾法)，采用2倍標準碾壓次數將瀝青混合料碾壓成30 cm×30 cm×10 cm(長×寬×高)的瀝青混合料車轍試件。埋置熱管的瀝青混合料車轍試件與未埋置熱管的瀝青混合料車轍試件如圖2所示。

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

1.4 瀝青混合料車轍試件內部溫度測試

將瀝青混合料車轍試件放置在60 ℃的烘箱中保溫1 h后取出采集溫度。在瀝青混合料車轍試件表面、3 cm深度和6 cm深度處分別布設16個測溫點，每個深度處的溫度測點布設方案如圖3所示。采用16路溫度傳感器實時監測車轍試件不同深度處的溫度，采集時間間隔為2 min，采集時長為120 min。

圖3 瀝青混合料車轍試件測溫點布置方案Fig.3 Layout of temperature measurement point of asphalt mixture rutting specimens

1.5 瀝青混合料車轍試驗

根據《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)中瀝青混合料車轍試驗方法，對瀝青混合料的高溫穩定性進行評價，車轍試驗的測試溫度為60 ℃。

2 結果與討論

2.1 熱管對瀝青混合料車轍試件降溫幅度的影響

將某一時刻瀝青混合料車轍試件測點溫度與初始溫度之差定義為此時刻該測點的降溫幅度。空白組和熱管組的瀝青混合料車轍試件降溫幅度在深度方向上的變化規律如圖4所示。從圖4可以看出，隨著時間增加，空白組和熱管組的瀝青混合料車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轍試件在相同時刻的降溫幅度均明顯小于空白組瀝青混合料車轍試件；而在6 cm深度處，熱管組瀝青混合料車轍試件在相同時刻的降溫幅度大于空白組瀝青混合料車轍試件(20 min時除外)。因此，當瀝青混合料車轍試件從烘箱中取出一定時間(大于20 min)后，距離熱管越近，熱管對瀝青混合料車轍試件溫度場的影響越明顯，瀝青混合料車轍試件的降溫幅度越顯著，這是由熱管內工作介質氣化吸熱引起周圍溫度下降導致的。在瀝青混合料車轍試件表面和3 cm深度處，由于距離熱管相對較遠，在有限的時間內，熱管蒸發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，同時熱管冷凝段里的氣態工作介質由于冷凝放熱會造成周圍環境溫度升高，從而造成瀝青混合料車轍試件表面和淺層深度處的降溫幅度減小。

圖4 瀝青混合料車轍試件降溫幅度隨深度的變化規律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轍試件降溫幅度在水平方向上的變化規律如圖5所示。由圖5可知，隨著時間增加，空白組和熱管組的瀝青混合料車轍試件在距熱管不同位置處的降溫幅度均逐漸增大。對于空白組瀝青混合料車轍試件而言，在同一時刻距離車轍試件中軸線距離越遠，降溫幅度越明顯(表面和3 cm深度處),當深度增大時(6 cm深度處)，該效應有所減弱。這是由于越靠近車轍試件表面處，車轍試件與空氣的熱交換作用越明顯，降溫速度越快，而深度增大時該作用有所減弱。對于熱管組瀝青混合料車轍試件而言，降溫幅度在水平方向上的變化規律隨深度不同也表現出了較大差異,表面處距熱管4 cm時降溫幅度最大，3 cm深度處距熱管6 cm時降溫幅度最大，6 cm深度處前100 min距熱管5 cm時降溫幅度最大，120 min時距熱管6 cm處降溫幅度最大。這表明熱管組瀝青混合料車轍試件水平方向上的降溫幅度變化較為復雜，同時受環境溫度、深度和熱管的共同影響。

圖5 瀝青混合料車轍試件降溫幅度隨距車轍試件中軸線距離的變化規律Fig.5 Variation of cooling range with horizontal distance from the central axis of asphalt mixture rutting specimens

2.2 熱管對瀝青混合料車轍試件焓變的影響

焓變可以定量表征熱管對瀝青混合料車轍試件降溫效果的影響。由熱力學第一定律，可根據式(1)計算瀝青混合料車轍試件不同時刻的焓變。

(1)

式中：ΔH為焓變，J；dm為瀝青混合料車轍試件質量微分，kg；c為瀝青混合料的比熱容，取1×103J/(kg·K)；Ti為不同時刻dm的溫度，℃；T0為初始時刻dm的溫度，℃；V為瀝青混合料車轍試件體積范圍；x、y、z為瀝青混合料車轍試件不同位置的坐標。

選取瀝青混合料車轍試件測點布設范圍全板厚部分的焓變作為熱管降溫效果的評價指標，并假設瀝青混合料車轍試件密度及比熱容均勻，且相鄰測點之間范圍內的降溫幅度呈線性變化，則式(1)可作如下簡化：

(2)

式中：ρ為瀝青混合料密度，取2.25×103kg/m3；Vi為第i個瀝青混合料小立方體的體積，m3；ΔTi為第i個瀝青混合料小立方體的溫度變化代表值，取八個角點上溫度變化的平均值，℃；n為瀝青混合料小立方體總數。

由式(2)計算可知，熱管組和空白組瀝青混合料車轍試件在不同時刻的焓變如表2所示。由表2可知，隨著時間增加，空白組和熱管組瀝青混合料車轍試件在計算范圍內的焓變均逐漸增大，且每個時刻空白組瀝青混合料車轍試件的焓變均大于熱管組瀝青混合料車轍試件，表明在計算范圍內，熱管的加入會使瀝青混合料在升溫和降溫過程中熱量的變化減小，熱管在一定程度上起到了調節瀝青混合料溫度變化的作用。在加熱過程中，試件溫度逐漸升高，埋設熱管的瀝青混合料車轍試件由于受熱管蒸發段內部工質氣化吸熱的影響，試件的升溫幅度較小；在降溫過程中，由于冷凝段工質液化放熱又會使熱管周圍的瀝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程中熱量的變化。

表2 瀝青混合料車轍試件在不同時刻的焓變Table 2 Enthalpy changes of asphalt mixture rutting specimens at different time

2.3 熱管對瀝青混合料車轍試件溫度梯度的影響

在溫度場中，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度的溫度變化量，根據式(3)可計算瀝青混合料車轍試件不同時刻的溫度梯度。

(3)

選取瀝青混合料車轍試件表面與6 cm深度處之間的部分作為研究對象，假設表面至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轍試件的溫度梯度可作如下簡化：

(4)

式中：gradTV為瀝青混合料車轍試件深度方向上的溫度梯度，℃·cm-1；T上為瀝青混合料車轍試件表面處的溫度代表值，℃；T下為瀝青混合料車轍試件6 cm深度處的溫度代表值，℃；h為所研究區域瀝青混合料的厚度，取6 cm。

熱管組和空白組瀝青混合料車轍試件不同時刻深度方向上的溫度梯度如圖6所示。由圖6可知，隨著時間增加，熱管組和空白組瀝青混合料車轍試件在深度方向上的溫度梯度均逐漸增大，且相同時刻空白組瀝青混合料車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，意味著該研究區域深度方向上所產生的溫度應力越大。由此可知，熱管的埋設可以減小瀝青混合料車轍試件由于溫度變化而產生的在深度方向上的溫度應力，從而提高瀝青混合料的溫度穩定性。

圖6 瀝青混合料車轍試件在深度方向上 溫度梯度隨時間的變化規律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轍試件中軸線3 cm到6 cm之間的部分作為研究對象。假設在瀝青混合料車轍試件不同深度處，瀝青混合料車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轍試件的溫度梯度可作如下簡化：

(5)

式中：gradTH為瀝青混合料車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轍試件中線3 cm處的溫度代表值，℃；T右為距瀝青混合料車轍試件中線6 cm處的溫度代表值，℃；w為所研究區域瀝青混合料層的寬度，取3 cm。

熱管組和空白組瀝青混合料車轍試件不同時刻水平方向上的溫度梯度如圖7所示。由圖7可知：在瀝青混合料車轍試件表面處，相同時刻空白組瀝青混合料車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轍試件，隨著時間的延長，二者的溫度梯度逐漸趨于一致；在車轍試件3 cm深度處，相同時刻空白組瀝青混合料車轍試件在水平方向上的溫度梯度均大于熱管組；而在車轍試件6 cm深度處，空白組瀝青混合料車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瀝青混合料水平方向上的溫度變化也會產生顯著影響，且隨著深度的增加，熱管對瀝青混合料水平方向上的溫度變化影響逐漸減弱。

圖7 瀝青混合料車轍試件在水平方向上溫度梯度隨時間的變化規律Fig.7 Changes of grad TH with time of asphalt mixture rutting specimens in the horizontal direction

2.4 熱管對瀝青混合料抗車轍性能的影響

空白組和熱管組瀝青混合料的車轍試驗結果如表3所示。由表3可知，未埋設熱管的瀝青混合料動穩定度為1 936次/mm，埋設熱管的瀝青混合料動穩定度為2 740次/mm，相比于未埋設熱管的瀝青混合料增大了41.5%。這表明熱管的埋設可以顯著提高瀝青混合料的動穩定度，改善瀝青混合料的高溫抗車轍能力。

表3 熱管對瀝青混合料動穩定度的影響Table 3 Effect of heat pipe on the dynamic stability of asphalt mixture

3 結 論

(1)在深度方向，距離熱管越近，瀝青混合料車轍試件的降溫幅度越顯著；在水平方向，熱管對瀝青混合料車轍試件降溫幅度的影響較為復雜，同時受環境溫度、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節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)熱管的埋入對瀝青混合料深度方向和水平方向的溫度變化均會產生顯著影響，隨著深度的增加，熱管對瀝青混合料水平方向上的溫度變化影響逐漸減弱。

(4)熱管的埋設可以顯著提高瀝青混合料的動穩定度，改善瀝青混合料的高溫抗車轍能力。