浅谈排水性沥青路面降温机理

张运会

(河北省高速公路石黄管理处)

1 热辐射

热辐射作为热传递的一种方式，是由于某物体存在温差，该物体向外发射射线进行热量传递。这种射线有不可见的和可见的两种情况，又称为光子或电磁波。所以热辐射是一种电磁辐射，这种电磁辐射消耗物体内能，除了发射源和波长不同外，它的本质和紫外线、无线电波和X 射线等并无差别。

习惯上，电磁波的发射经常被用“辐射”二词来概括，辐射能是一种能量，辐射能是由物体向外辐射的能量和电磁波所承载运送的能量和形成的。受热物体温度超过绝对零度是热辐射的前提条件。一旦物体温度超过绝对零度热辐射将不断向外辐射;周围向外热辐射的物体辐射的热量也被该物体也吸收。由于吸收和向外辐射的联合作用效果，导致了物体之间的热量以热辐射的方式进行着，这也称之为热辐射交换的过程。若物体间的温度有差异，则相互辐射的能量也有差异，低温的物体辐射小于高温的辐射能量，最终的结果是物体间的热量由高温向低温传递。如果物体之间的温度差为零，那么辐射热量的交换也为零，随之发生的是相互辐射的能量相等，但是辐射和吸收仍然在物体之间不断的进行。

2 热传导

热传导(亦称导热)是指相互接触的两个物体之间，热量从高温物体传向低温物体;或者同一个物体中高温部分向低温部分传递热量的过程。比如将金属棒的一头放进热火炉中加热，热量迅速从加热的部分传递到未加热的末端，导致另一头的温度得以提高。这是因为铁棒导热性能非常良好。

热传导可以在固、液和气体中产生，但是由于地球磁场的吸引力作用，静止的流体和密实的固体是单纯的热传导存在的前提条件。

以上是从宏观的角度进行的阐述。下面从微观角度出发探讨热传导现象。热传导是由于物质的微观的粒子(如原子)等的热运动而进行热量的传递。固、液、气的导热机理各不相同。在气体之间热传导是由于不规则热运动的气体分子的相互碰撞从而产生了导热。高、低温区气体分子的平均动能各不相同，高温区大于低温区，而热量由高温部分传向低温部分是由于能量水平不同的分子之间互相碰撞所导致。热量在非金属晶体之内的传递是凭借晶格的热振动波来实现，亦即传递热量依靠弹性波实现，这种弹性波是由分子、原子在各自平衡的位置附近振动产生的。热量传递在固体金属当中依靠这种晶格的振动波的作用很小，自由电子的迁移起主要传递作用。至今对于液体的导热机理还没有完全研究明白。但是，有人研究结果显示，导热的机理非金属晶体与液体的相似，也即热量的传递主要是依靠晶格结构的振动进行。

最早在1882年，法国的数理学家傅立叶通过实践经验总结并提出了适用于固体导热的平壁中的导热公式

式中:Q 为单位时间通过面积A 的导热数量，称之为导热热流量，W;λ 为物体材料的导热系数，W/ (m·K);A 为垂直于导热方向的截面积，m2;ΔT 为平壁两边的温度差，K;δ 为平壁厚度，m。

从公式(1)得知，在其他条件保持不变的前提下，单位时间内的导热量与截面积成正比例关系;单位时间内的导热量与温度差成正比例关系，在单位时间内的导热量和导热系数成正比例关系;在单位时间内的导热量与导热距离成反比例关系。

3 热对流

热对流是通过相对位移把热量转移的现象，这种相对位移是流体不同部分的相对位移。比如在北方冬季室内采暖供热以后，循环流动的空气是由于供暖的暖气管片上方的空气受热后从下而上飘浮，上浮前空气部位由冷空气所补充，如此循环往复，热量被流动着的空气充满于室内的各个角落，从而达到室内加热的效果。这便是热对流的实例。热对流存在的前提条件是流体中存在温差。热对流存在于流体当中是热对流的独特特性，并且流体的流动密度越大热量的传递的速度越快。

单纯的热对流的在工程中很少见，当物体表面有流体经过的时候，热量传递是热对流与热传导的共同作用过程，这种现象被称之为放热(亦称热量传递)过程。

牛顿在1701年提出对流换热的基本计算公式，也被称为牛顿冷却公式

式中:α 为比例系数，称之为对流换热系数;A 为与流体直接接触的壁面面积，m2;Q 为对流换热量(对流换热热流量)，W;Δt 为壁面与流体间的温度差，℃。

热辐射、传导和对流三种方式的差异之处在于传递能量时对流和传导需要借助于材料的介质，而辐射的传递却不需要。事实上在真空中热辐射的热量传递最能产生效果。比如，依靠热辐射太阳把热量传递到地球。热辐射与其它两种热传递的另外一方面区别是，有效的能量形式的转换过程在能量传播的过程当中相伴而生。亦即内能和辐射能的相互转换过程。

综上得知由于太阳光照射在沥青路面上，路面表层温度发生了变化，这是由于太阳光在内能与辐射能之间发生了相互转化，最终热量储存在了路面表面，进而再通过导热的方式逐渐把热量从表层向下层传递。

排水性沥青路面的温度规律研究，认为热辐射与导热过程的综合作用，导致已建成的沥青路面温度发生变化，沥青路面的中面层是主要研究的对象，亦即在条件相同的情况下中面层在排水性沥青路面与非排水性沥青路面的温度对比，故从这个角度看，作用效果在热辐射过程中是一样的，仅需要考虑导热过程就行。

沥青路面的独特结构决定了沥青路面中面层温度在排水性沥青路面和非排水性之间有差异。最主要的特点是排水性沥青路面排水层的空隙率较大，排水性沥青路面与SMA 路面相比较，如果把两者的排水层进行有限次数的分层，空隙率在20%左右的层和层之间的接触面积，前者接触面积较后者小大约20%。而根据公式(1)可知，热传导的效果将直接受到接触面积的影响，亦即接触面积与传导的效果成反比。传热面积和材料的导热系数与排水性沥青路面排水层的空隙有关。依此类推依据公式(1)，导热系数与传导热量的效果成正比。经过试验研究表明，对于沥青路面导热系数，排水性的沥青路面是普通密级配的67%。因此非排水性较排水性沥青路面的温度传导性能好，也可以说成是非排水性比排水性的沥青路面的温度变化大。

［1］宋宪发.排水性沥青路面降温性能及衰变规律研究［D］.同济大学，2008.

［2］陈旭东.固态继电器的造型设计与热分析研究［D］.河北工业大学，2003.