基于熱傳導(dǎo)理論下的瀝青混凝土路面控溫結(jié)構(gòu)

王志磊 王露露 張曉靜

摘要：基于熱傳導(dǎo)的原理，對(duì)傳統(tǒng)的路面結(jié)構(gòu)之間的熱量傳導(dǎo)進(jìn)行分析，得出熱量難以持續(xù)向下傳導(dǎo)的主要原因是由于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中下面層與基層的熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱容等熱力學(xué)參數(shù)不合理。利用石墨、陶瓷等熱力學(xué)參數(shù)較大的材料對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性，使得各結(jié)構(gòu)層之間形成導(dǎo)熱系數(shù)梯度，達(dá)到路面熱量由路面與土基交換的目的。

關(guān)鍵詞：瀝青混凝土路；控溫結(jié)構(gòu)；熱傳導(dǎo)原理

0 引言

道路環(huán)境場(chǎng)的諸多因素之中，對(duì)道路結(jié)構(gòu)影響最大的是溫度和濕度，而就不同的區(qū)域而言，影響最廣的是溫度，因此本文針對(duì)現(xiàn)有幾種路面結(jié)構(gòu)隨溫度變化幅度較大、溫度梯度較大的問(wèn)題，采用不同改性材料改進(jìn)結(jié)構(gòu)層熱傳導(dǎo)系數(shù)及比熱容等性質(zhì)，促進(jìn)路面結(jié)構(gòu)與路基的熱量交換，以減緩路面溫度變化幅度，具體主要達(dá)到以下目標(biāo)：降低路面結(jié)構(gòu)由環(huán)境溫度變化引起的溫度變化幅度；減小路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度梯度；提高土基與路面結(jié)構(gòu)的熱交換程度[1，2]。

1 瀝青路面中的熱傳導(dǎo)原理

對(duì)于瀝青路面結(jié)構(gòu)而言，瀝青路面面層結(jié)構(gòu)溫度變化受外界影響最大，當(dāng)外界氣溫過(guò)大且太陽(yáng)輻射較大時(shí)，瀝青路面面層溫度將高于基層溫度，此時(shí)溫度由面層傳遞到基層再傳遞到土基；當(dāng)外界溫度較低且太陽(yáng)輻射非常微弱時(shí)，溫度由土基上傳到基層，再由基層傳至面層。

因?yàn)榧?jí)配碎石導(dǎo)熱系數(shù)小， 具有隔熱保溫的作用， 所以引起瀝青面層的溫度較典型半剛性基層路面結(jié)構(gòu)高約0.1℃～0.7℃， 溫度梯度較典型半剛性基層路面結(jié)構(gòu)低， 故設(shè)置級(jí)配碎石上基層可以減小面層溫度梯度， 改善其應(yīng)力情況， 同時(shí)由于級(jí)配碎石的"溫度遲鈍性"， 可減少基層溫度波動(dòng)性， 改善基層的溫度環(huán)境， 減少其溫縮的可能性；

2組成設(shè)計(jì)研究

2.1 石墨摻量對(duì)路面導(dǎo)熱能力的影響

在瀝青混凝土中摻入過(guò)多的石墨，易削弱其力學(xué)性能。本課題選用碳纖維作為導(dǎo)熱瀝青混凝土的增強(qiáng)劑。碳纖維是是一種是由有機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的纖維狀聚合碳，具有一般碳素材料耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定以及導(dǎo)熱、導(dǎo)電等特性，而且碳纖維對(duì)瀝青混凝土和半剛性基層既具有良好的加筋增強(qiáng)作用，本文選用的碳纖維，其性能指標(biāo)如表所示。石墨摻量對(duì)不同深度處溫度場(chǎng)分布的影響如圖所示，在相同石墨摻量下，路面的最高溫度隨深度的增加而降低。以不加石墨的瀝青混凝土為例，表面的最高氣溫為68.7℃，而在8cm處，最高溫度下降到了53.3℃此外，隨著石墨摻量的增加，路表的溫度稍稍有所下降，這是由于熱量從路表消散的速率增大的緣故。但是，路面內(nèi)部溫度的變化幅度比路表要大得多；石墨摻量越大，路面內(nèi)部的最高溫度越高；路面越深，其最高溫度的增幅越大。例如，當(dāng)石墨摻量從0%增加了20%時(shí)，3cm處的最高溫度從62.1℃上升到63.9℃，增加了1.8℃但10cm處的最高溫度增加了3.4℃。

圖1 路面溫度隨石墨摻量變化

根據(jù)以上的數(shù)據(jù)變化，可以看出在混合料中添加石墨纖維可以實(shí)現(xiàn)瀝青面層溫度的加速傳導(dǎo)，而在熱傳導(dǎo)之后瀝青的中、下面層的溫度升高明顯，說(shuō)明面層溫度大量的加速向下傳導(dǎo)是可以通過(guò)在路面結(jié)構(gòu)中添加石墨來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2.2 路面結(jié)構(gòu)的確定

由于摻入過(guò)多的石墨會(huì)導(dǎo)致混合料力學(xué)性能的削弱，所以在混合料中加入0.2%的碳纖維，防止力學(xué)性能的衰減。結(jié)果表明：當(dāng)石墨摻量由0%增加至22%時(shí)，瀝青混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)增大了37%，導(dǎo)溫系數(shù)增大了63%，表明石墨能大大加快熱量及溫度在瀝青混凝土中的傳遞速率，從而有利于提高瀝青路面太陽(yáng)能集熱技術(shù)的集熱效率。

本文擬采用上面層為SMA-13，中面層為AC-20，下面層為ATB-30的路面結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的石墨摻量分別為0%、12%、22%（瀝青的百分比），從上到下依次增加各層的導(dǎo)熱系數(shù)，形成層位間的溫度梯度，基層采用水泥穩(wěn)定碎石，摻入10%（水泥摻量的百分比）的石墨，和0.2%的碳纖維，通過(guò)以上數(shù)據(jù)可知：在瀝青混合料中適量的添加石墨能夠增強(qiáng)混合料的熱力學(xué)性能，因此本文擬在瀝青混合料路面的各個(gè)面層添加適量的石墨使其溫度能夠一直向下傳遞，達(dá)到瀝青混凝土路面溫度下降的效果，對(duì)瀝青混凝土面層的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行一定改善。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖長(zhǎng)發(fā).活性碳纖維及其應(yīng)用[J].高科技纖維與應(yīng)用，2001，26（4）：27～31.

[2]王善元，張汝光.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[M].上海：中國(guó)紡織大學(xué)出版社，1998.