馬錦元 鄧新龍

（長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064）

瀝青路面由于優(yōu)良的路用性能在我國(guó)道路建設(shè)中具有廣泛的應(yīng)用，但是瀝青為一種粘彈性材料，因此在高溫環(huán)境下瀝青路面極易產(chǎn)生車轍等病害[1-2]。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了一系列提高瀝青路面高溫穩(wěn)定性的研究，主要的瀝青路面降溫方法有蒸發(fā)降溫、使用改性瀝青、添加相變材料、添加重力熱管、設(shè)置隔熱層、改善瀝青混合料級(jí)配等[3-4]。重力熱管由于構(gòu)造簡(jiǎn)單和傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)在各種領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[5-7]，目前，其對(duì)瀝青路面降溫效果的影響已經(jīng)在學(xué)界引起了一定的關(guān)注。王家主在2011 年研究了熱管在瀝青混合料溫度場(chǎng)調(diào)節(jié)中的作用，并在2015 年研究了瀝青混合料和熱管的一些參數(shù)對(duì)瀝青混合料傳熱效率的影響[8-9]；馮振剛在2018 年研究了熱管工質(zhì)對(duì)瀝青混合料降溫特性的影響[10]；凡俊濤在2019 年研究了熱管充液率對(duì)瀝青混合料降溫特性的影響[11]。

然而，以上研究大多著眼于單根熱管對(duì)瀝青混合料溫度場(chǎng)的影響，目前鮮有關(guān)于雙根熱管對(duì)瀝青混合料熱特性影響的研究報(bào)道，此外，熱管的埋置對(duì)瀝青混合料路用性能的影響亦需進(jìn)行評(píng)價(jià)。鑒于此，本文基于重力熱管降溫原理，使用溫度傳感器對(duì)一定工況下瀝青混合料內(nèi)部的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而分析了雙根熱管對(duì)瀝青混合料的降溫幅度及熱應(yīng)力的影響，最后通過(guò)車轍試驗(yàn)對(duì)含雙根熱管瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 材料與試驗(yàn)

1.1 瀝青混合料車轍試件。采用AC-16C 瀝青混合料，使用特制的車轍板模具成型長(zhǎng)、寬、高分別為30cm、30cm 和10cm 的車轍試件，如圖1 所示。

1.2 重力熱管。重力熱管采用丙酮作為工作介質(zhì)，技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 重力熱管技術(shù)參數(shù)

1.3 溫度監(jiān)測(cè)。經(jīng)60℃烘箱保溫1h 后取出車轍試件，在含雙根熱管的瀝青混合料車轍試件表面、3cm 深度和6cm 深度處分別布設(shè)16 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，在不含熱管的瀝青混合料車轍試件表面、3cm 深度和6cm 深度處分別布設(shè)20 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，同一深度傳感器的布設(shè)方案如圖2 所示。采用自行組裝的多路溫度巡檢儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車轍板試件不同深度處的溫度，采集時(shí)間間隔為2min，采集時(shí)長(zhǎng)120min。

1.4 車轍試驗(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）中瀝青混合料車轍試驗(yàn)方法，對(duì)瀝青混合料的抗車轍性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，車轍試驗(yàn)的測(cè)試溫度為60℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 雙根熱管對(duì)瀝青混合料降溫幅度的影響。將某時(shí)刻瀝青混合料車轍試件測(cè)點(diǎn)溫度與初始時(shí)刻溫度之差定義為此時(shí)刻該測(cè)點(diǎn)的降溫幅度。取某時(shí)刻同一深度處所有測(cè)點(diǎn)降溫幅度的均值作為此時(shí)刻該深度的降溫幅度，則空白組、12cm 管距組（簡(jiǎn)稱雙管Ⅰ組）和18cm 管距組（簡(jiǎn)稱雙管Ⅱ組）瀝青混合料車轍試件降溫幅度隨深度的變化規(guī)律如圖3 所示。從圖3 中可以看出，隨著時(shí)間增加，各組車轍試件在同一深度處的降溫幅度均逐漸增大。且同一深度處，含熱管組車轍試件在相同時(shí)刻的降溫幅度大于空白組車轍試件（雙管II 組100min 和120min 的表面處、20min 的3cm 深度處除外），且隨著深度的增加，含熱管組的降溫優(yōu)勢(shì)更加突出；雙管II 組車轍試件在相同時(shí)刻的降溫幅度均小于雙管I 組車轍試件，且隨著深度增加，雙管I 組的降溫優(yōu)勢(shì)更加明顯。這表明，熱管的加入可以顯著提高瀝青混合料車轍試件的降溫幅度，并且12cm 熱管間距比18cm 熱管間距的降溫效果更為突出，這一效應(yīng)隨著深度的增加而更加明顯。這是由于熱管內(nèi)的工作介質(zhì)氣化吸熱引起瀝青混合料內(nèi)部溫度下降，并且距離熱管越近的層位熱管的降溫效應(yīng)越明顯；當(dāng)管距較小時(shí)，熱管的降溫效應(yīng)被充分利用，當(dāng)管距較大時(shí)，在有限時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)段的降溫作用未能傳遞到兩熱管中間部分的瀝青混合料，導(dǎo)致降溫效果較差。

圖3 瀝青混合料降溫幅度隨深度變化規(guī)律

2.2 雙根熱管對(duì)瀝青混合料熱應(yīng)力的影響。瀝青混合料沿深度方向的溫度差會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生翹曲應(yīng)力。選取車轍試件表面處與6cm 深度處之間的部分作為研究對(duì)象，將某時(shí)刻表面處所有測(cè)點(diǎn)溫度的平均值作為此時(shí)刻表面處溫度的代表值，將某時(shí)刻6cm 深度處所有測(cè)點(diǎn)溫度的平均值作為6cm 深度處溫度的代表值，假設(shè)計(jì)算范圍內(nèi)沿深度方向的溫度呈線性變化，則各組瀝青混合料深度方向上溫度梯度隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖4 所示。從圖4 可以看出，含熱管組瀝青混合料的溫度梯度在監(jiān)測(cè)開(kāi)始一定時(shí)間后逐漸增大且均為正值，同一時(shí)刻雙管I 組的溫度梯度大于雙管II 組；空白組瀝青混合料的溫度梯度在監(jiān)測(cè)開(kāi)始一定時(shí)間后均為負(fù)值且波動(dòng)較大。這是由于瀝青混合料剛?cè)〕鰰r(shí)熱管出露段管壁溫度較高而埋入段管壁溫度較低，因此熱管對(duì)瀝青混合料起到再加熱的作用，此時(shí)瀝青混合料降溫主要依靠自然散熱，因此在20min 前含熱管組表面溫度低于內(nèi)部溫度，溫度梯度值為負(fù)；20min 后熱管啟動(dòng)，此時(shí)瀝青混合料內(nèi)部溫度低于表面溫度，并且隨著時(shí)間增加溫度差逐漸增大，因此溫度梯度值為正。對(duì)于含熱管組而言，較密的熱管密度會(huì)在瀝青混合料內(nèi)部產(chǎn)生較大的降溫幅度，因此同一時(shí)刻雙管I 組的溫度梯度大于雙管II 組?？瞻捉M瀝青混合料的溫度場(chǎng)和周圍環(huán)境的溫度場(chǎng)存在耦合效應(yīng)，因此在監(jiān)測(cè)初期溫度梯度出現(xiàn)正值，并且整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程溫度梯度波動(dòng)較大；監(jiān)測(cè)后期由于瀝青混合料表面和空氣的對(duì)流換熱導(dǎo)致表面溫度低于內(nèi)部溫度，故此時(shí)溫度梯度值為正。這表明，熱管的加入會(huì)使瀝青混合料在深度方向上產(chǎn)生一定的翹曲應(yīng)力，并且12cm 熱管間距會(huì)比18cm 熱管間距產(chǎn)生更大的翹曲應(yīng)力。

圖4 瀝青混合料深度方向上溫度梯度變化規(guī)律

瀝青混合料的溫度變化速率過(guò)快會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生較大的溫縮應(yīng)力。將某時(shí)刻瀝青混合料同一深度處所有測(cè)點(diǎn)溫度的平均值作為此時(shí)刻該深度溫度的代表值，則各組瀝青混合料溫度變化速率隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖5 所示。從圖5 可以看出，在表面處，空白組瀝青混合料由于和環(huán)境溫度場(chǎng)的耦合效應(yīng)導(dǎo)致其溫度變化速率波動(dòng)較大，含熱管組瀝青混合料由于內(nèi)部熱管穩(wěn)定的換熱效率受環(huán)境影響較小，溫度變化速率未出現(xiàn)較大波動(dòng)且大部分時(shí)間小于空白組。在3cm 深度處，空白組瀝青混合料由于受空氣溫度的影響明顯減弱，任一時(shí)刻溫度變化速率小于含熱管組，溫度變化速率曲線比同時(shí)刻表面處空白組更加平緩，并且平均溫度變化速率相較于同時(shí)刻表面處有所下降；含熱管組瀝青混合料在監(jiān)測(cè)初期的溫度變化速率小于同時(shí)刻表面處的溫度變化速率，隨著熱管啟動(dòng)，熱管的降溫效應(yīng)逐漸凸顯，含熱管組瀝青混合料3cm 深度處的溫度變化速率開(kāi)始大于同時(shí)刻表面處的含熱管組。在6cm 深度處，同一時(shí)刻瀝青混合料溫度變化速率從大到小排序?yàn)椋弘p管I 組，雙管II 組，空白組（120min 除外），空白組瀝青混合料的溫度變化速率大于同時(shí)刻3cm 深度處空白組的溫度變化速率（10min 除外），含熱管組瀝青混合料任一時(shí)刻的溫度變化速率均高于同時(shí)刻含熱管組的溫度變化速率。這表明，空白組瀝青混合料的溫度變化速率受深度和環(huán)境的綜合影響，含熱管組瀝青混合料的溫度變化速率和深度呈正相關(guān)，且隨著深度增加，12cm 熱管間距對(duì)瀝青混合料溫度變化速率的提高作用比18cm 熱管間距更為明顯，即熱管的加入會(huì)使瀝青混合料在深度方向上產(chǎn)生一定的溫縮應(yīng)力，并且12cm 熱管間距會(huì)比18cm 熱管間距產(chǎn)生更大的溫縮應(yīng)力。

圖5 溫度變化速率隨時(shí)間變化規(guī)律

2.3 雙根熱管對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響。各組瀝青混合料車轍試驗(yàn)的結(jié)果如表2 所示。從表2 可知，雙管I 組瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度相較空白組提高了20.82%，雙管II 組瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度相較空白組提高了13.46%，這表明熱管的埋設(shè)可以顯著提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。這是由于熱管的埋設(shè)可以對(duì)瀝青混合料車轍試件起到加筋的作用，并且12cm 的熱管間距比18cm 的熱管間距加筋作用更為明顯。

表2 瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度

3 結(jié)論

3.1 熱管的加入可以顯著提高瀝青混合料車轍試件的降溫幅度，并且12cm 熱管間距比18cm 熱管間距的降溫效果更為突出。

3.2 熱管的埋設(shè)會(huì)使瀝青混合料在深度方向上產(chǎn)生一定的翹曲應(yīng)力和溫縮應(yīng)力，且12cm 熱管間距會(huì)比18cm 熱管間距使瀝青混合料產(chǎn)生更大的翹曲應(yīng)力和溫縮應(yīng)力。

3.3 熱管的埋設(shè)可以對(duì)瀝青混合料起到加筋作用從而顯著提高其動(dòng)穩(wěn)定度，且12cm 熱管間距比18cm 熱管間距更能提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。