不同級配瀝青混合料傳熱性能的對比研究★

邵光旭，章曉鵬，臧金萌，楊 勇，王子奇，張海濤

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 概述

節(jié)能減排綠色環(huán)保是當今世界可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略之一，未來的瀝青路面發(fā)展趨勢是以功能性瀝青路面為主，功能性瀝青路面不僅具有支撐荷載的力學性能而且還有相應的功能特性，多孔瀝青混合料路面屬于綠色路面，其孔隙率高達15%～20%，具有排水降噪傳熱的功能。因此，在力學性能前提下研究功能性瀝青路面具有很重要的意義。

國內(nèi)外對于傳熱性能裝置的研究：在國內(nèi)，中國科學院喻力弘等人通過對于德國Netzsch生產(chǎn)的導熱系數(shù)測試儀的深入研究，設計出符合美國ASTM標準的專門用于測試聚氨酯塑料硬泡沫絕熱材料的低溫導熱系數(shù)測試儀器，其測試溫度范圍為-255 ℃～-27 ℃[1]；華中科技大學的鄧建兵等人對于傳統(tǒng)的導熱系數(shù)測試儀器進行系統(tǒng)的研究，并針對儀器熱流損失的情況對于儀器進行重新標定，使儀器的測試精度大大提高[2]；長安大學張飛利用ANSYS熱力學仿真對于穩(wěn)態(tài)法導熱系數(shù)測試過程進行仿真分析熱量散失情況，利用模糊PID代替?zhèn)鹘y(tǒng)PID對于熱板溫度進行控制，使測試對于判溫時間更加敏感[3]。在國外Joseph和Mrawira采用自制的導熱系數(shù)測試儀對于瀝青混合料進行大量的試驗，得出瀝青混合料導熱系數(shù)的數(shù)值與密度及孔隙率有關的結(jié)論[4]；Dubois和Lebeau采用改進的單防護平板法測量了秸稈材料的導熱系數(shù)，使得儀器能夠測量試件的厚度達到了40 cm[5];Abdushafi Hassn等人對氣孔含量對于瀝青混合料導熱系數(shù)進行研究，得到多孔瀝青混合料加熱和冷卻速率高于密度較大的材料及空隙連通性對于導熱系數(shù)沒有重要作用的結(jié)論[6]。同時現(xiàn)行規(guī)范尚沒有評價多孔瀝青混合料的傳熱特性的試驗方法，因此，研究一種評價功能性瀝青路面?zhèn)鳠崽匦缘脑囼炐路椒ê苡斜匾?/p>

2 試驗材料與設計

2.1 試驗材料

1) 瀝青。試驗采用SBS 改性瀝青，并根據(jù)規(guī)范對瀝青進行檢驗，技術指標如表1所示。

表1 SBS改性瀝青技術指標

2)集料。試驗中使用的集料的技術規(guī)格見表2。

表2 集料技術指標

3)木質(zhì)纖維素。由于SMA瀝青混合料中具有“三多一少”特點，因此其中需加入纖維穩(wěn)定劑以提高其相應的性質(zhì)。在本次實驗加入0.3%的木質(zhì)素纖維，測得其技術指標如表3所示。

表3 木質(zhì)素纖維技術指標

2.2 配合比設計

本試驗采用3種瀝青混合料，分別為OGFC-16，AC-16，SMA-16。3種瀝青混合料中石料的篩分記錄如表4所示。

表4 3種級配石料的各篩孔通過率 %

3 不同級配瀝青混合料熱阻性能的對比研究

3.1 試件制備

在實驗之前，需提前一天將套筒加試模的組合放進烘箱加熱，加熱時間不少于6 h。試模拌合之前提前將拌合機開機預熱至拌合溫度10 ℃左右，以便拌合時混合料外表面的溫度不至于過低，盡量獲得最佳的拌合質(zhì)量。在等待拌合機溫度提升至指定拌合溫度時，可以利用間歇時間對瀝青加熱、對要使用的模具側(cè)壁進行涂凡士林處理，以便在脫模的時候方便操作，不影響試件成型結(jié)構狀態(tài)。同時，需要對模具底托涂凡士林并放上事先準備好的圓紙片。待拌合機溫度升高至拌合溫度時，將烘箱中盛的骨料的金屬容器取出，趁熱加入到攪拌機中。加入后趁熱將粗細集料混合均勻，以便瀝青與集料充分裹覆。利用溫度槍隔3 min對加熱瀝青表面進行檢測，當瀝青加熱到170 ℃±10 ℃時關閉電爐開關，停止加熱。加入瀝青的方法運用差值法，即瀝青碗帶勺一起稱量一個初始重量，然后利用表2中已經(jīng)算好的瀝青用量加入瀝青，加入瀝青的原則秉持“均勻撒布，覆蓋整體”。加入瀝青過程的尾段，需要減慢加入速度，并減少加入的瀝青量，增加稱量次數(shù)，直到差值逼近表2中的用量。減慢加入瀝青的速度的原因是讓加入瀝青的量盡量準確，使得量不要與理論計算值偏差太大。

加入瀝青之后，開機攪拌，按照規(guī)范要求，設定的單層攪拌時間為90 s。這時將模具從烘箱中拿出，加上底托和圓紙片做好準備。拌合完畢后并不能馬上用鐵鏟將混合料從攪拌鍋中取出，需要將攪拌舌上粘上的混合料趁熱剝離，而后用鏟子將混合料均勻攪拌30 s左右，使得在攪拌鍋中未拌合均勻的石料與瀝青再一次混合均勻。做完以上步驟后才能出鍋。眾所周知，瀝青混合料的壓實效果隨著溫度的升高先增加后降低。所以在裝模完畢后需要趁熱壓實。同時試件需要在陰涼干燥處放置24 h再脫模。

3.2 試驗方法

該裝置的基本原理是：通過溫度傳感器記錄瀝青混合料車轍板試件上表面與下表面的溫度，通過觀察模擬晝夜光照條件下兩個溫度的變化情況來判斷瀝青混合料的熱阻性能(如圖1所示)。

該裝置設計主要考慮以下幾個關鍵問題：

1)光照來源采用紫外線燈持續(xù)照射，覆蓋整個試件表面。

2)試驗表明2 h的溫度變化已經(jīng)能反映基本規(guī)律，考慮到試驗所需的時間與測量難度采用紫外線照射2 h。

3)模擬路面工作情況。在實驗中采用車轍板試件模擬道路面層，在其下放置同等尺寸的水泥板作為基層以便于溫度的變化更加接近正常路面工作情況下的狀況。

4)為了防止在試驗過程中其他溫度變化因素的干擾，紫外線燈與試件放置在烘箱中，使得溫度變化只受到紫外線燈照射的影響。另外每次試驗過后應隔一段時間等待水泥板與烘箱內(nèi)溫度降至室溫。

5)為了繪出溫度變化曲線，使用溫度傳感器每5 min進行一次計數(shù)。

6)用于進行瀝青混凝土溫度測量的設備和實驗裝置，我們在測試過程中構造了一個同樣尺寸的模擬地基板。箱子的底部和所有四個邊緣都使用25 mm聚異氰脲酸酯板進行絕緣處理，以減少熱量損失或收益。紫外燈被用作熱源，安裝在瀝青板表面上方覆蓋整個瀝青區(qū)域。

即本試驗按以下步驟進行：

1)按圖1安放試件與裝置。注意溫度傳感器的測針應與試件表面貼緊，確保在之后的試驗過程中不會發(fā)生位置變化。

2)開啟紫外線燈，緊閉烘箱門，在試驗過程中不得隨意開啟烘箱以免熱量散失。

3)每隔5 min讀取溫度記錄儀的數(shù)據(jù)并進行記錄，期間若溫度變化異常應及時確認。

4)2 h后關閉紫外線燈打開烘箱，取出試件與水泥板。待烘箱內(nèi)溫度以及水泥板溫度冷卻后測試下一塊試件。

5)測量完畢后進行數(shù)據(jù)處理，繪出溫度變化曲線圖。

3.3 試驗結(jié)果與分析

測量瀝青混合料表面和底部溫度。溫度分布在恒定的25 ℃環(huán)境溫度下每5 min計數(shù)一次。在12 h加熱和12 h冷卻期間測量試樣的溫度演變，以在真實條件下模擬晝夜。

試驗結(jié)果如圖2所示。

結(jié)合圖2試驗結(jié)果分析，可以得到以下結(jié)論：

1)對于AC-16與SMA-16，雖然在20 min～80 min時，下表面溫度基本平衡甚至略微有所下降，但溫度整體呈加速上升趨勢，在80 min后溫度迅速上升。

2)OGFC瀝青混合料溫度整體來說雖有波動但保持穩(wěn)定，一開始下表面溫度有所上升之后在30 min～40 min開始就明顯的下降，在80 min～90 min后溫度雖然上升，但在120 min時與初始溫度相差不大。

3)上表面溫度在紫外線照射下逐漸上升，而下表面溫度在傳熱作用下溫度整體呈上升趨勢，但在約20 min開始會有所下降，OGFC瀝青混合料在80 min～90 min左右溫度達到最低值之后逐漸上升。而AC與SMA下降幅度較小，在80 min后迅速上升。20 min左右溫度之所以會下降，是因為瀝青混合料在高溫作用下發(fā)生了瀝青固體溶化為液體，吸收了一部分熱量造成暫時的溫度下降。

4 結(jié)論

1)在試驗過程中通過觀察溫度傳感器上的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)如果試件上表面加熱溫度升高，試件下表面溫度也會隨之升高， 但明顯可以發(fā)現(xiàn)下表面比上表面升高晚一些，體現(xiàn)出了溫度傳遞的滯后性，即隨著深度方向路面溫度的變化具有滯后性。

2)瀝青混合料的熱阻性能受空隙率影響明顯。且密級配混合料如AC與SMA的熱阻能力明顯低于開級配類型如OGFC，對于同種級配類型空隙率越大熱阻性能越好。

3) 熱阻性能越好路面內(nèi)部溫度越低。因此從路面結(jié)構傳熱性能分析：即在高溫地區(qū)，路面選材時建議選擇熱阻性能好的OGFC瀝青混合料，其具有隔溫作用，可以顯著降低路面內(nèi)部溫度，并減少高溫車轍等病害。