基于有限元温致变色沥青路面路表热特性研究

吴 渝 玲

(重庆水利电力职业技术学院，重庆 402160)



基于有限元温致变色沥青路面路表热特性研究

吴 渝 玲

(重庆水利电力职业技术学院，重庆 402160)

为了研究温致变色材料对路面表面温度特性的影响，通过将道路石油沥青与温致变色材料拌合制备温致变色沥青，采用有限单元法(FEM)建立模型对温致变色沥青及常规道路石油沥青的路面温度响应进行研究。研究结果表明：掺入温致变色材料的沥青路面的表面温度与常规沥青路面相比大幅度降低；常规沥青路面与温致变色沥青路面相比，表面温度变化幅度较大：温致变色路面降低了路表温度且具有较低的热流，这均有利于提高沥青路面的使用性能。

道路工程；沥青路面；有限单元法；温致变色材料；热特性

0 引 言

沥青路面具有平整、美观、行车的舒适性及易于修补等优良特性已在公路建设中广为使用，但黑色的沥青会吸收大量的太阳能，这将导致沥青路面的表面温度较高，夏季时可能高达48～67℃[1-3]，某些路面失效(如车辙、推移、老化、疲劳损害、泛油等)均与路表温度有关[4-7]。路表温度增加容易影响沥青路面的耐久性。

温致变色材料是一种能够根据温度变化改变自身颜色的路用材料。在变色阀值(这边是不是阀值温度我不太确定)以上，路面反射太阳能(主要是红外辐射)；在变色阀值温度以下，路面主要吸收太阳能。根据温度变化的可逆性，温致变色材料中与温度相关的分子也具有可变性，例如化合物中的相变；配位体几何形状的改变；晶体场中溶剂分子的数量变化，其颜色来自于晶体场的作用，而且在复杂的混合物中具有更多的可逆因素[8]。温致变色材料具有夏天反射大量太阳能、冬天吸收大量太阳能的特性，这种特性常用于建筑材料的保温功能[9-10]。Y．P．Ma等[11]通过将温致变色材料与水泥结合来制备温致变色水泥进行试验，研究表明：温致变色材料具有在冬季能够给建筑物提供热量，同时避免了建筑物在夏季过热。

笔者将道路石油沥青与温致变色材料拌和制备温致变色沥青，采用有限单元法(FEM,Finite Element Method)建立模型对温致变色沥青及常规道路石油沥青的路面温度响应进行研究。

1 温致变色沥青的制备

笔者采用海力实业有限公司提供的有机温致变色颜料来制备温致变色沥青。选择红、蓝、黑色温致变色粉(图1)。三种变色材料的阀值温度为31℃，颜料均采用微胶囊化，平均粒径约为3～10 μm。

图1 温致变色粉Fig.1 Thermochromic powders

通过将温致变色粉与道路石油沥青按照一定比例拌和来制备温致变色沥青进行试验研究，在阀值温度以上，温致变色沥青反射太阳能(主要是红外辐射)，在阀值温度以下，其主要吸收太阳能(图2)。温致变色沥青的反射能量和吸收能量的特性有利于保持路面在一个合适的温度范围内，从而提高了沥青路面结构耐久性能。

图2 温致变色沥青的原理示意Fig.2 Schematic of the principle of thermochromic asphalt

2 数值模拟

沥青路面的宽度和长度远大于其厚度，路面温度主要受其表面太阳能交换和热流控制。因此，选择一维热传递模型来预测在路面层中温度随深度的分布。路面响应的计算模型是基于路面瞬态的能量平衡，包括对流，热传导和太阳能和红外辐射，如图3。

图3 沥青路面与其周围环境之间热传递模型Fig.3 Heat transfer mode between asphalt pavement and its surroundings

3 一维热传递模型

路面一维瞬态热传导方程可表示为

(1)

式中：k为路面的导热系数，W/(m·K)；ρ为路面密度，kg/m3；c为路面热容， J/(kg·K)；T为路面温度，K。

4 路表的热流

路表有两种太阳能热辐射传递模型，即太阳能辐射的吸收模型与红外辐射模型。有效入射路表的太阳能辐射可以采用式(2)表示[12]：

Qsun=(1-γ)I

(2)

式中：Qsun为太阳能辐射短波吸收强度，W/m2；γ为太阳能反射率；I为太阳能辐射强度，W/m2。

太阳能辐射很大程度上取决于大气条件、白天时间的长短、太阳射线的入射角。在夜间，太阳辐射可以忽略不计；而在白天，太阳能辐射强度随日照时间的改变可近似为正弦函数，日出和日落时均为0，正午时达到峰值[13-15]。另根据M．Saeli等[10]的研究，晴天太阳能辐射峰值约为1 000 W/m2，阴天约为300 W/m2，介于二者之间的天气约为700 W/m2。笔者假设达到峰值的时间为中午12:00。太阳能辐射强度的表达式如式(3)：

(3)

式中：t为时间，h。

红外辐射Qrad为自然地面和大气之间的长波热流，总的红外辐射强度遵循Stefan-Boltzmann法则：

Qrad=εσ(Ts4-Tsky4)

(4)

式中：Qrad为发散的辐射强度，W/m2；ε为路面表面的辐射系数；σ为Stefan-Boltzemann常数(约为5.669×10-8)，W/(m2·K4)；Ts为路表温度，K；Tsky为有效大气温度，K。

根据R．Tang等[13]的研究，Tsky可以通过式(5)计算：

Tsky=(0.754+0.004 4Tdp)0.25T∞

(5)

式中：T∞为环境温度，K；Tdp为露点，K。

在舒适的环境中，Tdp通常取值262.59～264.26 K；该模拟中，露点温度假设为289.15 K。根据记录的温度数据，环境空气温度随着时间呈余弦函数变化。

5 对流热传递

在路表，通过对流热传递与大气热量的交换公式如式(6)：

Qconv=h∞(Ts-T∞)

(6)

式中：Qconv为对流热流，W/m2；h∞为对流系数(基于气象数据库中的风速确定对流系数)，W/(m·K)。

在FEMMASSE有限元软件中[12]使用以下方程：

h∞=5.6+4.0vwind，当vwind≤5 m/s

(7)

(8)

在该模拟中，vwind=3.5m/s，因此，h∞=19.6W/(m2·K)。

因此，在路面表面纵的热流可以表示为：

Qtotal=Qsun-Qrad-Qconv

(9)

6 模拟参数

在建模中输入的沥青路面热物理特性参数包括：密度=2 300kg/m3、比热=1 800J/(kg·K)和导热系数=1.8W/(m·K)。以上参数均假定为与温度无关的常量，路面厚度为20cm。黑色、蓝色和红色温致变色沥青及道路石油沥青的路面的辐射系数和太阳能反射率委托中国建筑科学研究院测量，变色前后测得的结果如表1。路面初始温度假定为25℃。

表1 模拟中使用的太阳能发射和反射率

7 计算模拟的结果

采用FEM模拟在太阳能辐射作用下路面的温度响应，在FEM模型中考虑太阳能吸收、太阳能反射、辐射系数和对流的温度交换的机理。目的是在不同环境温度下，评估温致变色沥青对沥青路面表面温度和热对流影响。夏季环境温度T∞(℃)认为是T∞=30+10cos[2π/24(t-12)]；冬季环境温度认为是T∞=10+10cos[2π/24(t-12)]。对夏季条件，模拟的结果如图4；对冬季条件如图5。

图4 夏季不同类型的路面(温致变色与常规沥青)对太阳能辐射的响应Fig.4 Responses of different types of pavement (thermochromic versus conventional asphalt) to typical solar radiation in summer

图5 冬季不同类型的路面(温致变色与常规沥青)对太阳能辐射的响应Fig.5 Responses of different types of pavement (thermochromic versus conventional asphalt) to typical solar radiation in winter

图4模拟了在典型夏季(较高的环境温度)某天的路表温度。图4(a)给出了温致变色材料对沥青路表温度的影响。常规的沥青路面具有最高的表面温度响应，峰值表面温度达68 ℃。而温致变色沥青路面的表面温度与常规沥青路面相比得到大幅度降低。对黑色、蓝色和红色温致变色沥青路面的峰值表面温度与常规沥青路面相比分别降低10，12，15 ℃，路表温度峰值出现在13:00左右。

从图4(b)可以看出，在沥青路表温致变色材料对热对流的影响，与温致变色沥青路面相比，常规沥青路面经历更高的热量损失和热量获得的循环。在夜间，常规沥青路面经历较少的热量损失。总的热对流峰值出现在13:00左右，此后总的热对流降低。在较高的环境温度下，黑色，蓝色和红色沥青路面与常规沥青路面相比，热量损失大小分别约为59.5，74.8，93.1 W/m2。路面表面热对流的减少也意味着温致变色路面的温度变化与常规路面相比更加缓和。

图5表明，在10 ℃低温环境温度典型的一天所模拟的路面表面温度。图5(a)给出了温致变色材料对沥青路面表面温度的影响。与常规沥青路面相比，黑色，蓝色和红色沥青路面表面温度的最大降幅分别为9，12，13 ℃。温度降低是由于温致变色材料反射了部分太阳光，温度降低且保持在合适的温度范围有助于提高沥青路面的长期性能。

由图5可以看出，温致变色材料对沥青路面表面热对流相应的影响，在该环境温度下，与常规沥青路面相比，黑色，蓝色和红色温致变色沥青路面热量损失的大小分别约为66.1，83和88.3 W/m2。可能的原因是，在路面表面太阳能吸收和红外辐射的差异。

8 结 论

笔者描述了一种采用温致变色沥青的可持续沥青路面。通过FEM模拟研究了温致变色材料对沥青路面热响应的影响。通过计算试验与计算模拟可以得出以下结论：

1)温致变色沥青路表温度与常规沥青路面相比大幅度得到了降低。在具有较高环境温度的夏季，采用温致变色材料路面表面温度的最大降幅可达15℃。

2)采用温致变色路面材料也可显著降低路面与空气之间的热交换。降低路面表面温度和减少热量损失和热量获得的循环的次数将有助于提高沥青路面的耐久性。

3)温致变色沥青路面作为一种新型环保的绿色路面，其现场使用的长期性能还有待观测。

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Thermal Characteristics of Thermochromic Asphalt Pavement Based on FEM

Wu Yuling

(Chongqing Water Power Vocational Technology College, Chongqing 402160, China)

In order to study the influence of thermochromic materials on the pavement surface temperature characteristic.In this paper,FEM simulation is conducted to study the influence of thermochromic materials on the surface temperature of asphalt pavement.The results show that the surface temperature of asphalt pavement doped with thermochromic materials is significantly lower compared to that of conventional asphalt pavement.In the meanwhile,conventional asphalt pavement underwent higher magnitude of temperature variations compared with thermochromic asphalt pavement.The decreased surface temperature and lower heat flux of thermochromic pavement both contribute to better pavementperformance.

road engineering; asphalt pavement; FEM; thermochromic materials; thermal properties

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.08

2014-07-14；

2014-09-10

江苏省交通科学研究计划项目(2013Y39)

吴渝玲(1982—)，女，四川遂宁人，讲师，主要从事工程项目管理及土木工程方面的研究。E-mail:zhaoweining41@163.com。

U414.3

A

1674-0696(2015)05-040-04