热线法测沥青混合料导热系数试验的改进

季亚萍，刘林松

（1.苏州市吴江区交通工程质量监督站，江苏 苏州 215200；2.东南大学交通学院，江苏 南京 210000）

1 导热系数的基本概念

在稳定均匀传热的条件下，1m厚的材料其两侧表面的温差为1K或1℃时，在1h内单位面积所传递的热量值，就是该材料的导热系数，单位为W／（m·K）或者W／（m·℃）。 并且，导热系数与物体导热性呈正相关[1]。

ASTM（美国材料与试验协会）把在稳定传热的条件下，通过非均质材料单位面积热流时间变化率与垂直于面积方向的单位温度梯度比值定义为表观导热系数，用λ来表示。

2 导热系数的测试方法简介

对于导热系数的测试方法一般可分为：稳态法和非稳态法两大类[2]。在用稳态测试方法时，试样内的温度分布不随时间而变化，因而形成稳态的温度场，当试样温度达到热平衡后，利用稳态导热微分方程，通过测量计算就可得到试样的导热系数。而用非稳态测试方法时，试样内的温度分布是随着时间变化的，形成非稳态温度场，利用非稳态瞬态导热微分方程，同样能够得到其材料的导热系数。

在对固体导热系数测定时，不同的试验温度范围和不同导热系数数值范围的各类材料，需要用不同的测试方法进行测试。表1所示为现有导热系数的测试方法总结。

表1 现有导热系数测试方法

热线法是非稳态法中测量热导系数的一种标准方法，尽管国家制定了《非金属固体材料导热系数的测定标准——热线法》，但是用热线法测沥青混合料导热系数的相关经验较少，因此仍需要进一步的研究。

3 热线法测导热系数原理

热线法测量导热系数的原理是在进行试验时，用电炉丝作为热线，在测试试件成型的时候，把电炉丝和热电偶预埋在测试试件中相应的位置。经过一定时间稳定后，根据热电效应将电炉丝通电让其发热，通过测量热电偶温度就能够得到测试试件内温度与时间的关系[3]。根据热传导理论，由边界条件根据热传导方程可间接地得到试件的导热系数，如式（1）所示：

式中：λ——表观导热系数；

L——有效加热长度，m；

t1，t2——加热开始到测量时刻的时间，s；

θrt2，θrt1——加热时间t1，t2时距离热线r处的温升，℃。

试验原理如图1所示[3]。

图1 热线法测量导热系数原理图

4 热线法测沥青混合料导热系数试验的缺点

在试验室没有专门测试导热系数仪器的条件下，热线法测量导热系数是一种比较方便、简单、迅速的导热系数测定方法。但利用热线法测量沥青混合料的导热系数时，用轮碾法成型试验试件，需要提前埋置电炉丝和热电偶，因此导致此方法有一定的不足。

首先，热线法试件中所埋置的电炉丝是一种用途比较广泛、用量比较大的发热材料，但是它具有以下几方面的缺点：

a）由于电炉丝在工作时处于很高的温度下（炽热状态），导致其在空气中容易发生氧化反应而烧断；

b）从电热能量转换方面来分析，由于电炉丝发热变红而产生部分可见光，使能量损耗过多；

c）在试件成型时由于沥青混合料一直处于碾压状态而很难保证电炉丝处于直线状态，也即可能在曲线状态甚至在螺旋状态下使用，通电时会使电炉丝产生感抗效应，影响试验；

d）电炉丝在试件中埋置时，由于电炉丝的丝径是根据其功率大小选择的，不能够保证在碾压时电炉丝会不被挤压而遭到破坏；

e）在普通沥青混合料的成型温度范围内，对于电炉丝能否处在稳定状态以及在冷却之后是否会变脆，均不能确定。

其次，在试验完成后，电炉丝在通电使用后就会固定在试件中而不能回收再利用，或者其在回收后性能方面会有所下降而不能够再次使用，从而导致试验材料的浪费。同时在试件制作时埋置电炉丝的步骤比较繁琐。

最后，与电炉丝一起埋置在试件中间的热电偶，在试件成型的时候，由于其位置恰处于试件的中间，操作很难保证其位置的准确性，并且在轮碾的时候不能够保证热电偶处于良好的工作状态；或者热电偶因挤压而被破坏掉，也可能导致试验的不成功；再者由于碾压而导致热电偶的位置改变过大而使得测量偏差过大，从而导致试验不必要的失败。

虽然热线法测量非金属固体材料的导热系数是一种比较标准的方法，但是在用于测量沥青混合料导热系数方面，由于沥青混合料自身特殊的性质，导致用热线法测量其导热系数存在不可避免的缺点。因而在热线法基础上进行改进，并且使改进后的试验方法能够操作简单、应用方便、测量准确、经济合理。

5 热线法测沥青混合料导热系数试验的改进及优点

在热线法的基础上，针对其在测量沥青混合料导热系数时所出现的缺点，对热线法进行了一定的设计改进。

首先，针对电炉丝在很高的温度下容易发生氧化反应而烧断，在试件成型时由于沥青混合料一直处于碾压状态而很难保证电炉丝处于直线状态，以及在试验完成后电炉丝在通电使用后就会固定在试件中不能在回收利用而造成材料的浪费等缺点，以硬质红外线灯产生的热量为热源来代替电炉丝发热产生的热源，这样既能解决电炉丝高温下容易发生氧化造成试验失败的问题，也能克服在试件成型时容易造成电炉丝弯曲的缺点。

其次，移动与电炉丝一起埋置在试件中间的热电偶的位置，使热电偶在沥青混凝土试件成型时能够处于良好的工作状态。其改进方法是将热电偶的位置由原来的试件中间移动到试件的表面中心。

总之，改进后的试验方法克服了热线法测量导热系数存在的缺点和不足，并且能够简单、方便、迅速地测得沥青混合料的导热系数。其改进后的试验原理如图2所示。

图2 改进后的试验方法原理图

6 自行设计改进试验的可行性

自行设计改进试验后与原热线法测量沥青混合料的导热系数的不同之处有：

a）用硬质红外线灯所产生的热源代替电炉丝所产生的热源；

b）硬质红外线灯所产生的热源位于试件的外部，电炉丝所产生的热源位于试件的内部，用于与电炉丝一起埋置在试件中间的热电偶的位置；

c）热线法中与电炉丝的一起埋置在试件中间位置的热电偶移动到试件的底部，其余试验的条件以及边界条件等都保持不变，其测量的基本原理仍然属于非稳态的方法，在外加热源条件下试样的温度将会升高，通过测量热电偶的温度，就可以得到温度随时间的变化，随之就可确定所测试样的导热系数。

自行改进试验在理想的情况下：假设硬质红外线灯所产生的光线全部呈圆柱形均匀散射到沥青混凝土试件的表面，并且硬质红外线灯自身所产生的热量随光线全部到达试件表面均匀、均质、均温地向试件下方传导，此时所处状态和电炉丝通电呈圆柱型发热传热下半部分基本相同。于是，根据热传导理论，以及热线法推算的导热系数的公式，将热线法单位时间、单位长度上所产生的热量变为自行设计改进试验后的单位时间硬质红外线灯所产生的热量到达试件表面的热量，也可以间接地推算出沥青混合料导热系数的公式：

式中：W——硬质红外线灯的功率，W；

L——试件表面传热长度，m；

θ——转化热量系数，%。

其余参数的含义同式（1）。

7 结语

本文分析了热线法测量导热系数的基本原理，总结了热线法在测量沥青混合料导热系数中的缺陷和不足，在此基础上提出了热线法测沥青混合料的改进方法，并对其进行了可行性研究及推导出了改进后热线法测量沥青混合料的计算公式。

[1]田喆.城市热岛效应分析及其对建筑空调采暖能耗影响的研究[D].天津：天津大学，2005.

[2]胡芃，陈则韶.量热技术和热物性测定[M].安徽：中国科学技术大学出版社，2009.

[3]GB/T 10297—1998，非金属固体材料导热系数的测定方法 热线法[S].