不同级配沥青混合料传热性能的对比研究★

2022-09-01邵光旭章晓鹏臧金萌王子奇张海涛

山西建筑 2022年18期

邵光旭，章晓鹏，臧金萌，杨勇，王子奇，张海涛

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

1 概述

节能减排绿色环保是当今世界可持续发展的战略之一，未来的沥青路面发展趋势是以功能性沥青路面为主，功能性沥青路面不仅具有支撑荷载的力学性能而且还有相应的功能特性，多孔沥青混合料路面属于绿色路面，其孔隙率高达15%～20%，具有排水降噪传热的功能。因此，在力学性能前提下研究功能性沥青路面具有很重要的意义。

国内外对于传热性能装置的研究：在国内，中国科学院喻力弘等人通过对于德国Netzsch生产的导热系数测试仪的深入研究，设计出符合美国ASTM标准的专门用于测试聚氨酯塑料硬泡沫绝热材料的低温导热系数测试仪器，其测试温度范围为-255 ℃～-27 ℃[1]；华中科技大学的邓建兵等人对于传统的导热系数测试仪器进行系统的研究，并针对仪器热流损失的情况对于仪器进行重新标定，使仪器的测试精度大大提高[2]；长安大学张飞利用ANSYS热力学仿真对于稳态法导热系数测试过程进行仿真分析热量散失情况，利用模糊PID代替传统PID对于热板温度进行控制，使测试对于判温时间更加敏感[3]。在国外Joseph和Mrawira采用自制的导热系数测试仪对于沥青混合料进行大量的试验，得出沥青混合料导热系数的数值与密度及孔隙率有关的结论[4]；Dubois和Lebeau采用改进的单防护平板法测量了秸秆材料的导热系数，使得仪器能够测量试件的厚度达到了40 cm[5];Abdushafi Hassn等人对气孔含量对于沥青混合料导热系数进行研究，得到多孔沥青混合料加热和冷却速率高于密度较大的材料及空隙连通性对于导热系数没有重要作用的结论[6]。同时现行规范尚没有评价多孔沥青混合料的传热特性的试验方法，因此，研究一种评价功能性沥青路面传热特性的试验新方法很有必要。

2 试验材料与设计

2.1 试验材料

1) 沥青。试验采用SBS 改性沥青，并根据规范对沥青进行检验，技术指标如表1所示。

表1 SBS改性沥青技术指标

2)集料。试验中使用的集料的技术规格见表2。

表2 集料技术指标

3)木质纤维素。由于SMA沥青混合料中具有“三多一少”特点，因此其中需加入纤维稳定剂以提高其相应的性质。在本次实验加入0.3%的木质素纤维，测得其技术指标如表3所示。

表3 木质素纤维技术指标

2.2 配合比设计

本试验采用3种沥青混合料，分别为OGFC-16，AC-16，SMA-16。3种沥青混合料中石料的筛分记录如表4所示。

表4 3种级配石料的各筛孔通过率 %

3 不同级配沥青混合料热阻性能的对比研究

3.1 试件制备

在实验之前，需提前一天将套筒加试模的组合放进烘箱加热，加热时间不少于6 h。试模拌合之前提前将拌合机开机预热至拌合温度10 ℃左右，以便拌合时混合料外表面的温度不至于过低，尽量获得最佳的拌合质量。在等待拌合机温度提升至指定拌合温度时，可以利用间歇时间对沥青加热、对要使用的模具侧壁进行涂凡士林处理，以便在脱模的时候方便操作，不影响试件成型结构状态。同时，需要对模具底托涂凡士林并放上事先准备好的圆纸片。待拌合机温度升高至拌合温度时，将烘箱中盛的骨料的金属容器取出，趁热加入到搅拌机中。加入后趁热将粗细集料混合均匀，以便沥青与集料充分裹覆。利用温度枪隔3 min对加热沥青表面进行检测，当沥青加热到170 ℃±10 ℃时关闭电炉开关，停止加热。加入沥青的方法运用差值法，即沥青碗带勺一起称量一个初始重量，然后利用表2中已经算好的沥青用量加入沥青，加入沥青的原则秉持“均匀撒布，覆盖整体”。加入沥青过程的尾段，需要减慢加入速度，并减少加入的沥青量，增加称量次数，直到差值逼近表2中的用量。减慢加入沥青的速度的原因是让加入沥青的量尽量准确，使得量不要与理论计算值偏差太大。

加入沥青之后，开机搅拌，按照规范要求，设定的单层搅拌时间为90 s。这时将模具从烘箱中拿出，加上底托和圆纸片做好准备。拌合完毕后并不能马上用铁铲将混合料从搅拌锅中取出，需要将搅拌舌上粘上的混合料趁热剥离，而后用铲子将混合料均匀搅拌30 s左右，使得在搅拌锅中未拌合均匀的石料与沥青再一次混合均匀。做完以上步骤后才能出锅。众所周知，沥青混合料的压实效果随着温度的升高先增加后降低。所以在装模完毕后需要趁热压实。同时试件需要在阴凉干燥处放置24 h再脱模。

3.2 试验方法

该装置的基本原理是：通过温度传感器记录沥青混合料车辙板试件上表面与下表面的温度，通过观察模拟昼夜光照条件下两个温度的变化情况来判断沥青混合料的热阻性能(如图1所示)。

该装置设计主要考虑以下几个关键问题：

1)光照来源采用紫外线灯持续照射，覆盖整个试件表面。

2)试验表明2 h的温度变化已经能反映基本规律，考虑到试验所需的时间与测量难度采用紫外线照射2 h。

3)模拟路面工作情况。在实验中采用车辙板试件模拟道路面层，在其下放置同等尺寸的水泥板作为基层以便于温度的变化更加接近正常路面工作情况下的状况。

4)为了防止在试验过程中其他温度变化因素的干扰，紫外线灯与试件放置在烘箱中，使得温度变化只受到紫外线灯照射的影响。另外每次试验过后应隔一段时间等待水泥板与烘箱内温度降至室温。

5)为了绘出温度变化曲线，使用温度传感器每5 min进行一次计数。

6)用于进行沥青混凝土温度测量的设备和实验装置，我们在测试过程中构造了一个同样尺寸的模拟地基板。箱子的底部和所有四个边缘都使用25 mm聚异氰脲酸酯板进行绝缘处理，以减少热量损失或收益。紫外灯被用作热源，安装在沥青板表面上方覆盖整个沥青区域。

即本试验按以下步骤进行：

1)按图1安放试件与装置。注意温度传感器的测针应与试件表面贴紧，确保在之后的试验过程中不会发生位置变化。

2)开启紫外线灯，紧闭烘箱门，在试验过程中不得随意开启烘箱以免热量散失。

3)每隔5 min读取温度记录仪的数据并进行记录，期间若温度变化异常应及时确认。

4)2 h后关闭紫外线灯打开烘箱，取出试件与水泥板。待烘箱内温度以及水泥板温度冷却后测试下一块试件。

5)测量完毕后进行数据处理，绘出温度变化曲线图。

3.3 试验结果与分析

测量沥青混合料表面和底部温度。温度分布在恒定的25 ℃环境温度下每5 min计数一次。在12 h加热和12 h冷却期间测量试样的温度演变，以在真实条件下模拟昼夜。

试验结果如图2所示。

结合图2试验结果分析，可以得到以下结论：

1)对于AC-16与SMA-16，虽然在20 min～80 min时，下表面温度基本平衡甚至略微有所下降，但温度整体呈加速上升趋势，在80 min后温度迅速上升。

2)OGFC沥青混合料温度整体来说虽有波动但保持稳定，一开始下表面温度有所上升之后在30 min～40 min开始就明显的下降，在80 min～90 min后温度虽然上升，但在120 min时与初始温度相差不大。

3)上表面温度在紫外线照射下逐渐上升，而下表面温度在传热作用下温度整体呈上升趋势，但在约20 min开始会有所下降，OGFC沥青混合料在80 min～90 min左右温度达到最低值之后逐渐上升。而AC与SMA下降幅度较小，在80 min后迅速上升。20 min左右温度之所以会下降，是因为沥青混合料在高温作用下发生了沥青固体溶化为液体，吸收了一部分热量造成暂时的温度下降。