热管对沥青混合料降温特性及高温稳定性的影响

冯振刚，马锦元，刘 昌，王 伟，邓新龙，林淞山

(长安大学公路学院，西安 710064)

0 引 言

沥青路面具有吸热迅速、放热缓慢的特点，加之受到行车荷载、温度变化等其他外界因素的影响，极易出现车辙、拥包等病害，极大降低了沥青路面的行车安全性和舒适性[1]。目前，国内外针对沥青路面的降温方法较多，如采用热反射涂层[2-3]、添加相变材料[4-5]、保水降温路面和设置重力热管等[6]。重力热管又称两相闭式热虹吸管，其工作原理为：在密闭管内充入一定量的工作介质，蒸发段内部工质受热吸热从液态转变为气态，在冷凝段壁面放热再次转变为液态，最后冷凝液依靠重力回流至蒸发段，如此形成传热循环[7-10]。针对热管在沥青混凝土温度场调节中的作用及其影响因素[11-12]，以及不同工作介质及充液率热管对沥青路面降温效果的影响[13-14]已开展了相关研究。然而，针对埋置热管后沥青混合料内部不同位置处的降温特性及温度梯度变化的研究报道相对较少；此外，为了保证沥青路面具有较好的使用性能，热管的埋置对沥青混合料路用性能的影响也需进行评价。这对于降低沥青路面的温度，减少车辙病害，提高路用性能，延长使用寿命具有重要的理论与实际意义。

鉴于此，基于重力热管降温原理，本文成型了埋置热管的沥青混合料车辙试件，通过烘箱模拟了车辙试件的升温和降温过程，利用温度传感器实时监测车辙试件不同位置处的温度；分析了埋设热管的沥青混合料车辙试件的焓变和温度梯度，评价了热管对沥青混合料降温特性的影响；同时采用车辙试验研究了热管对沥青混合料抗车辙性能的影响。

1 实 验

1.1 沥青混合料

沥青混合料，AC-16C，矿料合成级配曲线如图1所示，经马歇尔试验方法确定沥青混合料的油石比为4.2%(质量比)。

图1 沥青混合料合成级配曲线Fig.1 Curves of synthetic gradation of asphalt mixture

1.2 重力热管

重力热管采用丙酮作为工作介质，充液率为70%(体积分数)，内部真空度为1.3×10-2Pa。重力热管的技术参数如表1所示。

表1 重力热管的技术参数Table 1 Technical parameters of the gravity heat pipe

1.3 沥青混合料车辙试件成型

将重力热管的蒸发段固定在特制的车辙板模具内，冷凝段露于车辙板模具外，埋置深度为5 cm，热管位于车辙板正中间，热管与水平面的夹角为6°。根据《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中沥青混合料试件制作方法(轮碾法)，采用2倍标准碾压次数将沥青混合料碾压成30 cm×30 cm×10 cm(长×宽×高)的沥青混合料车辙试件。埋置热管的沥青混合料车辙试件与未埋置热管的沥青混合料车辙试件如图2所示。

图2 沥青混合料车辙试件Fig.2 Rutting specimens of asphalt mixture

1.4 沥青混合料车辙试件内部温度测试

将沥青混合料车辙试件放置在60 ℃的烘箱中保温1 h后取出采集温度。在沥青混合料车辙试件表面、3 cm深度和6 cm深度处分别布设16个测温点，每个深度处的温度测点布设方案如图3所示。采用16路温度传感器实时监测车辙试件不同深度处的温度，采集时间间隔为2 min，采集时长为120 min。

图3 沥青混合料车辙试件测温点布置方案Fig.3 Layout of temperature measurement point of asphalt mixture rutting specimens

1.5 沥青混合料车辙试验

根据《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中沥青混合料车辙试验方法，对沥青混合料的高温稳定性进行评价，车辙试验的测试温度为60 ℃。

2 结果与讨论

2.1 热管对沥青混合料车辙试件降温幅度的影响

将某一时刻沥青混合料车辙试件测点温度与初始温度之差定义为此时刻该测点的降温幅度。空白组和热管组的沥青混合料车辙试件降温幅度在深度方向上的变化规律如图4所示。从图4可以看出，随着时间增加，空白组和热管组的沥青混合料车辙试件在不同深度处的降温幅度均逐渐增大。在表面和3 cm深度处，热管组沥青混合料车辙试件在相同时刻的降温幅度均明显小于空白组沥青混合料车辙试件；而在6 cm深度处，热管组沥青混合料车辙试件在相同时刻的降温幅度大于空白组沥青混合料车辙试件(20 min时除外)。因此，当沥青混合料车辙试件从烘箱中取出一定时间(大于20 min)后，距离热管越近，热管对沥青混合料车辙试件温度场的影响越明显，沥青混合料车辙试件的降温幅度越显著，这是由热管内工作介质气化吸热引起周围温度下降导致的。在沥青混合料车辙试件表面和3 cm深度处，由于距离热管相对较远，在有限的时间内，热管蒸发段的降温作用尚不能完全传递到这些位置，这些层位的降温主要依靠自然散热，同时热管冷凝段里的气态工作介质由于冷凝放热会造成周围环境温度升高，从而造成沥青混合料车辙试件表面和浅层深度处的降温幅度减小。

图4 沥青混合料车辙试件降温幅度随深度的变化规律Fig.4 Variation of cooling range with depth of asphalt mixture rutting specimens

空白组和热管组的沥青混合料车辙试件降温幅度在水平方向上的变化规律如图5所示。由图5可知，随着时间增加，空白组和热管组的沥青混合料车辙试件在距热管不同位置处的降温幅度均逐渐增大。对于空白组沥青混合料车辙试件而言，在同一时刻距离车辙试件中轴线距离越远，降温幅度越明显(表面和3 cm深度处),当深度增大时(6 cm深度处)，该效应有所减弱。这是由于越靠近车辙试件表面处，车辙试件与空气的热交换作用越明显，降温速度越快，而深度增大时该作用有所减弱。对于热管组沥青混合料车辙试件而言，降温幅度在水平方向上的变化规律随深度不同也表现出了较大差异,表面处距热管4 cm时降温幅度最大，3 cm深度处距热管6 cm时降温幅度最大，6 cm深度处前100 min距热管5 cm时降温幅度最大，120 min时距热管6 cm处降温幅度最大。这表明热管组沥青混合料车辙试件水平方向上的降温幅度变化较为复杂，同时受环境温度、深度和热管的共同影响。

图5 沥青混合料车辙试件降温幅度随距车辙试件中轴线距离的变化规律Fig.5 Variation of cooling range with horizontal distance from the central axis of asphalt mixture rutting specimens

2.2 热管对沥青混合料车辙试件焓变的影响

焓变可以定量表征热管对沥青混合料车辙试件降温效果的影响。由热力学第一定律，可根据式(1)计算沥青混合料车辙试件不同时刻的焓变。

(1)

式中：ΔH为焓变，J；dm为沥青混合料车辙试件质量微分，kg；c为沥青混合料的比热容，取1×103J/(kg·K)；Ti为不同时刻dm的温度，℃；T0为初始时刻dm的温度，℃；V为沥青混合料车辙试件体积范围；x、y、z为沥青混合料车辙试件不同位置的坐标。

选取沥青混合料车辙试件测点布设范围全板厚部分的焓变作为热管降温效果的评价指标，并假设沥青混合料车辙试件密度及比热容均匀，且相邻测点之间范围内的降温幅度呈线性变化，则式(1)可作如下简化：

(2)

式中：ρ为沥青混合料密度，取2.25×103kg/m3；Vi为第i个沥青混合料小立方体的体积，m3；ΔTi为第i个沥青混合料小立方体的温度变化代表值，取八个角点上温度变化的平均值，℃；n为沥青混合料小立方体总数。

由式(2)计算可知，热管组和空白组沥青混合料车辙试件在不同时刻的焓变如表2所示。由表2可知，随着时间增加，空白组和热管组沥青混合料车辙试件在计算范围内的焓变均逐渐增大，且每个时刻空白组沥青混合料车辙试件的焓变均大于热管组沥青混合料车辙试件，表明在计算范围内，热管的加入会使沥青混合料在升温和降温过程中热量的变化减小，热管在一定程度上起到了调节沥青混合料温度变化的作用。在加热过程中，试件温度逐渐升高，埋设热管的沥青混合料车辙试件由于受热管蒸发段内部工质气化吸热的影响，试件的升温幅度较小；在降温过程中，由于冷凝段工质液化放热又会使热管周围的沥青混合料降温幅度减小。因此，热管组沥青混合料的焓变小于同一时刻空白组沥青混合料，热管的加入减小了沥青混合料在升温和降温过程中热量的变化。

表2 沥青混合料车辙试件在不同时刻的焓变Table 2 Enthalpy changes of asphalt mixture rutting specimens at different time

2.3 热管对沥青混合料车辙试件温度梯度的影响

在温度场中，温度在空间上变化的程度可用温度梯度gradT表示，代表在等温面法线方向上单位长度的温度变化量，根据式(3)可计算沥青混合料车辙试件不同时刻的温度梯度。

(3)

选取沥青混合料车辙试件表面与6 cm深度处之间的部分作为研究对象，假设表面至6 cm深度处的温度线性变化，则在深度方向上沥青混合料车辙试件的温度梯度可作如下简化：

(4)

式中：gradTV为沥青混合料车辙试件深度方向上的温度梯度，℃·cm-1；T上为沥青混合料车辙试件表面处的温度代表值，℃；T下为沥青混合料车辙试件6 cm深度处的温度代表值，℃；h为所研究区域沥青混合料的厚度，取6 cm。

热管组和空白组沥青混合料车辙试件不同时刻深度方向上的温度梯度如图6所示。由图6可知，随着时间增加，热管组和空白组沥青混合料车辙试件在深度方向上的温度梯度均逐渐增大，且相同时刻空白组沥青混合料车辙试件深度方向上的温度梯度均大于热管组沥青混合料车辙试件。这表明由于热管的埋入，沥青混合料在深度方向上的温度变化减小。对于沥青路面而言，在有约束的条件下，沥青混合料层顶和层底的温差越大，意味着该研究区域深度方向上所产生的温度应力越大。由此可知，热管的埋设可以减小沥青混合料车辙试件由于温度变化而产生的在深度方向上的温度应力，从而提高沥青混合料的温度稳定性。

图6 沥青混合料车辙试件在深度方向上 温度梯度随时间的变化规律Fig.6 Changes of grad Tv with time of asphalt mixture rutting specimens in the vertical direction

在水平方向上，选取距沥青混合料车辙试件中轴线3 cm到6 cm之间的部分作为研究对象。假设在沥青混合料车辙试件不同深度处，沥青混合料车辙试件水平方向的温度均呈线性变化，则在水平方向上沥青混合料车辙试件的温度梯度可作如下简化：

(5)

式中：gradTH为沥青混合料车辙试件水平方向上的温度梯度，℃·cm-1；T左为距沥青混合料车辙试件中线3 cm处的温度代表值，℃；T右为距沥青混合料车辙试件中线6 cm处的温度代表值，℃；w为所研究区域沥青混合料层的宽度，取3 cm。

热管组和空白组沥青混合料车辙试件不同时刻水平方向上的温度梯度如图7所示。由图7可知：在沥青混合料车辙试件表面处，相同时刻空白组沥青混合料车辙试件在水平方向上的温度梯度大于热管组沥青混合料车辙试件，随着时间的延长，二者的温度梯度逐渐趋于一致；在车辙试件3 cm深度处，相同时刻空白组沥青混合料车辙试件在水平方向上的温度梯度均大于热管组；而在车辙试件6 cm深度处，空白组沥青混合料车辙试件在水平方向上的温度梯度在40 min前小于热管组，在40 min至100 min内大于热管组，在100 min后小于热管组。此外，随着深度的逐渐增加，空白组沥青混合料车辙试件在水平方向上的温度梯度与热管组差异逐渐减小。这表明热管的埋入对沥青混合料水平方向上的温度变化也会产生显著影响，且随着深度的增加，热管对沥青混合料水平方向上的温度变化影响逐渐减弱。

图7 沥青混合料车辙试件在水平方向上温度梯度随时间的变化规律Fig.7 Changes of grad TH with time of asphalt mixture rutting specimens in the horizontal direction

2.4 热管对沥青混合料抗车辙性能的影响

空白组和热管组沥青混合料的车辙试验结果如表3所示。由表3可知，未埋设热管的沥青混合料动稳定度为1 936次/mm，埋设热管的沥青混合料动稳定度为2 740次/mm，相比于未埋设热管的沥青混合料增大了41.5%。这表明热管的埋设可以显著提高沥青混合料的动稳定度，改善沥青混合料的高温抗车辙能力。

表3 热管对沥青混合料动稳定度的影响Table 3 Effect of heat pipe on the dynamic stability of asphalt mixture

3 结 论

(1)在深度方向，距离热管越近，沥青混合料车辙试件的降温幅度越显著；在水平方向，热管对沥青混合料车辙试件降温幅度的影响较为复杂，同时受环境温度、深度和热管的共同影响。

(2)由于热管的加入，沥青混合料的焓变值有所减小，热管在一定程度上可以起到调节沥青混合料温度变化的作用，减小了沥青混合料受温度变化的影响。

(3)热管的埋入对沥青混合料深度方向和水平方向的温度变化均会产生显著影响，随着深度的增加，热管对沥青混合料水平方向上的温度变化影响逐渐减弱。

(4)热管的埋设可以显著提高沥青混合料的动稳定度，改善沥青混合料的高温抗车辙能力。