基于热传导理论下的沥青混凝土路面控温结构

王志磊 王露露 张晓静

摘要：基于热传导的原理，对传统的路面结构之间的热量传导进行分析，得出热量难以持续向下传导的主要原因是由于传统结构中下面层与基层的热传导系数和比热容等热力学参数不合理。利用石墨、陶瓷等热力学参数较大的材料对传统结构进行改性，使得各结构层之间形成导热系数梯度，达到路面热量由路面与土基交换的目的。

关键词：沥青混凝土路；控温结构；热传导原理

0 引言

道路環境场的诸多因素之中，对道路结构影响最大的是温度和湿度，而就不同的区域而言，影响最广的是温度，因此本文针对现有几种路面结构随温度变化幅度较大、温度梯度较大的问题，采用不同改性材料改进结构层热传导系数及比热容等性质，促进路面结构与路基的热量交换，以减缓路面温度变化幅度，具体主要达到以下目标：降低路面结构由环境温度变化引起的温度变化幅度；减小路面结构内部温度梯度；提高土基与路面结构的热交换程度[1，2]。

1 沥青路面中的热传导原理

对于沥青路面结构而言，沥青路面面层结构温度变化受外界影响最大，当外界气温过大且太阳辐射较大时，沥青路面面层温度将高于基层温度，此时温度由面层传递到基层再传递到土基；当外界温度较低且太阳辐射非常微弱时，温度由土基上传到基层，再由基层传至面层。

因为级配碎石导热系数小， 具有隔热保温的作用， 所以引起沥青面层的温度较典型半刚性基层路面结构高约0.1℃～0.7℃， 温度梯度较典型半刚性基层路面结构低， 故设置级配碎石上基层可以减小面层温度梯度， 改善其应力情况， 同时由于级配碎石的"温度迟钝性"， 可减少基层温度波动性， 改善基层的温度环境， 减少其温缩的可能性；

2组成设计研究

2.1 石墨掺量对路面导热能力的影响

在沥青混凝土中掺入过多的石墨，易削弱其力学性能。本课题选用碳纤维作为导热沥青混凝土的增强剂。碳纤维是是一种是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合碳，具有一般碳素材料耐高温、耐摩擦、耐腐蚀、化学稳定以及导热、导电等特性，而且碳纤维对沥青混凝土和半刚性基层既具有良好的加筋增强作用，本文选用的碳纤维，其性能指标如表所示。石墨掺量对不同深度处温度场分布的影响如图所示，在相同石墨掺量下，路面的最高温度随深度的增加而降低。以不加石墨的沥青混凝土为例，表面的最高气温为68.7℃，而在8cm处，最高温度下降到了53.3℃此外，随着石墨掺量的增加，路表的温度稍稍有所下降，这是由于热量从路表消散的速率增大的缘故。但是，路面内部温度的变化幅度比路表要大得多；石墨掺量越大，路面内部的最高温度越高；路面越深，其最高温度的增幅越大。例如，当石墨掺量从0%增加了20%时，3cm处的最高温度从62.1℃上升到63.9℃，增加了1.8℃但10cm处的最高温度增加了3.4℃。

图1 路面温度随石墨掺量变化

根据以上的数据变化，可以看出在混合料中添加石墨纤维可以实现沥青面层温度的加速传导，而在热传导之后沥青的中、下面层的温度升高明显，说明面层温度大量的加速向下传导是可以通过在路面结构中添加石墨来实现的。

2.2 路面结构的确定

由于掺入过多的石墨会导致混合料力学性能的削弱，所以在混合料中加入0.2%的碳纤维，防止力学性能的衰减。结果表明：当石墨掺量由0%增加至22%时，沥青混凝土的导热系数增大了37%，导温系数增大了63%，表明石墨能大大加快热量及温度在沥青混凝土中的传递速率，从而有利于提高沥青路面太阳能集热技术的集热效率。

本文拟采用上面层为SMA-13，中面层为AC-20，下面层为ATB-30的路面结构，对应的石墨掺量分别为0%、12%、22%（沥青的百分比），从上到下依次增加各层的导热系数，形成层位间的温度梯度，基层采用水泥稳定碎石，掺入10%（水泥掺量的百分比）的石墨，和0.2%的碳纤维，通过以上数据可知：在沥青混合料中适量的添加石墨能够增强混合料的热力学性能，因此本文拟在沥青混合料路面的各个面层添加适量的石墨使其温度能够一直向下传递，达到沥青混凝土路面温度下降的效果，对沥青混凝土面层的高温稳定性进行一定改善。

参考文献：

[1]肖长发.活性碳纤维及其应用[J].高科技纤维与应用，2001，26（4）：27～31.

[2]王善元，张汝光.纤维增强复合材料[M].上海：中国纺织大学出版社，1998.