液体导热通道式沥青路面结构的试验研究

杜力

东南大学 交通学院，江苏 南京 211189

0 引言

路面积累热量过多带来车辙病害、城市热岛效应加剧以及冻土路基病害等诸多问题[1]。现有的路面改良技术，如导电除冰沥青路面技术、自愈沥青路面技术、能量收集路面技术等，多采取技术措施提升路面结构某一层位的热导率，没有从上向下形成完整的传热系统，处理不当极易造成路面结构局部过热，引发新的关联病害[2-7]。因此，需要在路面结构内部设置诱导性传热通道，使积滞的热量沿着某一路径进行取向性流动[8-9]。

本文以液体为传热介质设计路面内部的导热通道结构，根据设计制备相关试件并完成室内照射试验，分析液体导热通道结构的传热特点并评价其降温效果。

1 沥青路面内液体导热通道

1.1 液体导热通道模型

沥青路面内部极易发生热量积聚，原因主要有3点：一是路面颜色，沥青路面一般呈黑色，对太阳辐射有较强的吸收作用，路面对周围环境热量的吸收大幅增加；二是沥青路面材料的导热系数，沥青属于有机胶结料，热导率相对较低，无法高效地完成热量交换；三是路面3层结构的热导率分布，由于3层结构均由沥青混合料构成，材料组成相似，热导率差别不大，路面内部热量无法进行梯度传导[10-11]。积聚的热量使路面温度大幅升高，热量向下传递也会提高路基内部的温度，加剧路基土膨胀，导致一系列路基路面病害。研究人员在路面各结构层添加不同种类、不同比例的粉体或金属棒，基于粉体热导率差设计路面单向传热结构如图1所示[12-13]。杜银飞等[14-15]在沥青路面结构中植入导热性能更好的高导热棒(钢棒)，取得了良好的试验效果。本文在沥青混合料内部加注竖直分布的柱状液体，构建液体导热通道模型，如图2所示。

a)常规路面热导率结构 b)热导率梯度结构图1 多种粉体梯度热导率结构 图2 液体导热通道结构模型

1.2 液体导热通道的基本传热原理

液体导热通道结构中由加注的液柱进行热传导。液体的热导率低于粉体，但在导热方式上有优势。由图1可知，路面单向传热结构依靠粉体热导率的递增或递减(即构造导热梯度)实现热传导[16]，即一种热导率梯度结构只能完成一种方向的热量诱导，因此该结构被称为“单向导热结构”。液体导热通道不仅可进行热传导，还可以实现对流换热。

对流换热是指流体各部分之间发生相对位移、冷热流体相互掺混引起的热量传递过程。在流体中，若一部分流体温度较高，另一部分流体温度较低，温度不同，密度不同，流体发生相互掺混，热量随流体运动进行传递[17]。根据换热形式的不同，对流换热可以分为自然对流和强制对流2类。流体各部分因密度差形成的运动称为自然对流，由风机、泵或其他压差作用所驱动的流体运动称为强制对流[18]。

在液体导热通道结构中，液体可以依据内部密度差自发地向任意方向传递热量，中部液柱的任意一端受热，热量即可通过液柱传递到另一端，不受热导率梯度限制。

1.3 导热通道内液体材料的选择

以沥青路面传热特性和散热需求为依据，导热通道内液体材料应具有较高的热导率，以达到迅速传热的目的；液体的倾点、沸点和闪点均应位于路面温度高低限范围之外(倾点低于低限，沸点和闪点高于高限)，避免液体在工作温度内发生凝固、汽化和燃烧，造成工作性能下降，危及路面行车安全；所选液体应具有较强的抗氧化能力和低挥发性，与大气直接接触也能正常工作，稳定、耐久；液体应无毒无害、无腐蚀性，以防对沥青路面材料和周围环境造成损害；最后还应考虑材料的经济性因素，价格不宜过高，且较易购得。

根据实际测量结果可知，沥青路面的温度为-30～70 ℃。导热油具有较好的流动性、耐久性、稳定性、导热性和经济性，工作温度满足使用要求。经过综合考虑和反复比选，本文选用烷基苯合成导热油(WD340)作为导热通道内的液体材料[19]，其技术参数如表1所示[20]。

表1 合成导热油的技术参数

2 试验模型

2.1 沥青混合料车辙板

结合实际工程特性，本试验采用AC-13C级配的沥青混合料车辙板模拟沥青路面。选用70#基质沥青和石灰石矿粉，粗集料和细集料选用玄武岩石料。

根据文献[21]和集料、矿粉的筛分结果，确定矿质混合料的设计级配范围，拟定初试配合比，进行沥青混合料马歇尔试验，确定马歇尔试件的物理力学指标，通过绘图和计算确定沥青最佳用量，并计算混合料的最大理论相对密度[22]。AC-13C沥青混合料最终配合比设计如表2所示，其中矿粉的质量分数为4.0%。混合料级配设计完成后，制备300 mm×300 mm×50 mm的沥青混凝土车辙板，将其切割成150 mm×150 mm×50 mm的车辙板原始试件备用。

表2 AC-13C目标配合比马歇尔试验结果

2.2 测试样本

1)确定液体导热通道的分布间距和直径。综合考虑试验操作的可行性和实际降温效果，确定钻孔的分布间距为75.0 mm，钻孔直径为8.0 mm，如图3所示(图中单位为mm)。

图3 液体导热通道分布示意图

2)在车辙板原始试件上建立液体通道。为了保证沥青混合料内液体通道的完整性，避免液体材料泄漏，对液体通道进行密封处理，保证腔体密封性，避免密封材料对液体通道传热性能和沥青混合料路用及力学性能的干扰。经过反复测试，采用试件厚度为50 mm，钻孔深45 mm，用沥青抹封通道内壁，充分利用底部的部分沥青混合料改善密封性，如图4a)所示(图中单位为mm)。

3)制作温度场测试试件。为了研究液体导热通道对沥青混合料传热性质的影响，设置对照组和试验组2组测试试件，试件内部结构如图4所示(图中单位为mm)。采用AC-13C级配的沥青混凝土车辙板模拟沥青路面，选用上面层(50 mm)+中面层(50 mm)+下面层(50 mm)组合的路面结构形式。将3块150 mm×150 mm×50 mm的车辙板原始试件直接叠加形成对照组测试试件,如图4b)所示(图中单位为mm)；在灌装好液体的矩形试件的上、下两侧各加置一块未钻孔的原始试件，叠加成50 mm+50 mm+50 mm的试验组测试试件。

a)试验组 b)对照组图4 测试试件内部结构示意图

3 温度场试验

室内照射试验采用温度巡检仪、手持式红外测温仪和照明设备等。温度巡检仪可在同一时间测量试件不同深度的温度，即时性强，延迟短，测量精度较高[23]；采用手持式红外测温仪测量试件的表面温度[24]；等效光源可模拟太阳光照射沥青路面的情形。

3.1 光源从下向上照射

为了测量试件内部温度，预先在试件侧面按一定间距钻数个浅孔。将温度巡检仪的金属探头编号1#～8#，不同编号的探头测量试件不同位置的温度。两组试件的测量位置如图5所示(图中单位为mm)。

a)试验组 b)对照组图5 从下向上照射试件时探头测量位置示意图

若将表面光滑的测温金属探头直接塞入预钻的浅孔中，探头有可能脱落，从而降低试件的整体稳定性。试验过程中需要用适量矿粉对浅孔进行灌缝处理。一方面，矿粉分散性较强，可较好地封填探头与孔壁间的空隙，有效增大金属探头与孔壁之间的摩阻力，探头与所测位置充分接触，不易滑脱；另一方面，使用矿粉可以减少其他材料的热物参数对试验结果的影响[25]，提高测量结果的稳定性。

为了确保测量结果的准确性，对试件外围进行隔热处理。在试验过程中，除了下表面接受直接照射外，其余各面均需采用5 cm厚的泡沫板进行绝热保护，避免测试试件与外界直接接触而造成热量散失。光源自下向上照射时，试件位于灯泡上方，灯泡位于2组试件中心下方的位置，保证试件受热均匀。灯泡上缘距试件受热表面约60 cm。待温度巡检仪数据趋于稳定，记录初始温度，开始照射试验。定期使用红外测温仪测量试件的表面温度，每次每组试件测5组数据；使用巡检仪温度探头测量试件的内部温度，每次记录2轮读数。试验开始2 h，每15 min记录1次；2 h以后，每30 min记录1次，共记录8 h。

3.2 光源从上向下照射

光源从上向下照射时，温度巡检仪金属探头的布置方式及相关注意事项与光源从下向上照射类似，对照组和试验组试件各个测量位置如图6所示。

a)试验组 b)对照组图6 从上向下照射试件时探头测量位置示意图

光源从上向下照射时，试件置于地面，灯泡悬于上方，灯泡下端与试件受热表面的距离约为40 cm。灯泡悬挂时，将其置于2组试件中心上方的位置，以保证试件受热均匀。接通电源后，2组测试试件同时开始受热，按3.1节所述方法定时记录数据。

4 试验结果分析

4.1 从下向上照射

根据汇总数据绘制不同深度的温度-时间曲线以及最高温度随深度变化折线，2组试件在距上表面7.5、12.5、15.0 cm处温度随时间的变化曲线几乎重合。距上表面0、2.5 cm处温度随时间的变化曲线如图7所示。

a)0 cm b) 2.5 cm图7 2组试件距上表面0、2.5 cm处的温度随时间的变化曲线(从下向上照射)

由图7可知：在105 min内，距上表面0、2.5 cm处的温度大致趋于平稳，试验组和对照组的温度并无明显差距。超过105 min，两处的温度均随时间延长呈近似线性增长，且增长幅度均有较为明显的提升。2组试件相比，试验组的温度增幅略小于对照组，随着时间的推移，温差逐渐拉大。

2组试件最高温度随测点距上表面距离的变化趋势如图8所示。由图8可以看出：2组试件在距上表面12.5、15.0 cm处的最高温度几乎相同，但是从12.5 cm处到7.5 cm处，2组试件的温度均有大幅下降，且试验组的下降幅度更大，可见置于该段的液柱对热量诱导起到了一定辅助作用。而且，随着试件与光源之间距离的增加，试验组的温度低于对照组，且降温效果随着测温位置与光源距离的增大而愈发明显。实测结果表明，降温可以达到1 ℃左右。

图8 2组试件最高温度随探头位置的变化曲线

4.2 从上向下照射

根据实测数据绘制不同深度的温度-时间曲线以及最高温度随深度变化折线，2组试件在7.5、12.5、15.0 cm处温度随时间的变化曲线几乎重合。0、2.5 cm处温度随时间的变化如图9所示。

a)0 cm b)2.5 cm图9 两组试件距上表面0、2.5 cm处的温度随时间的变化曲线(从上向下照射)

由图9可知：照射光源接通电源后，试件上表面温度开始激增，约30 min后增长幅度趋缓；距上表面2.5 cm处的升温趋势与前者相似，只是开始的增幅略小。试验组在距上表面0、2.5 cm处的温度均低于对照组，降温幅度达2～3 ℃。

2组试件最高温度随测点距上表面距离的变化趋势如图10所示。由图10可知：在距上表面2.5～7.5 cm材料段，2组试件内部温度均呈现明显的下降趋势；而从整体来看，试验组的结构温差相对较小，说明液体导热通道确实起到了诱导热量传递的作用。

图10 2组试件最高温度随探头位置变化折线图

5 结论

1)沥青混合料液体导热通道结构同时存在对流和传导作用，可引导路面内部热量的定向传输。在从下向上照射试验中，随着测温位置与光源距离的增加，2组试件在相同位置处的最高温差不断增大；在从上向下照射试验中，试验组试件的结构温差较小，其上部结构的温度整体低于对照组。

2)不同照射模式下，光源与试件受热表面的距离差异对试验结果影响较大。在从下向上照射试验中，灯泡上端距试件受热表面的距离约为60 cm，此时2组试件内部较为明显的温差出现在距离光源较远的0、2.5 cm深度处；在从上向下照射试验中，灯泡下端与试件受热表面的距离约为40 cm，2组试件内部较为明显的温差出现在距离光源较近的0、2.5 cm深度处。

3)液体导热通道有较好的降温效果。由室内照射试验的数据分析可知，照射时间较短时，2组试件温度均有明显上升，但照射时间较长时，试验组的温度明显低于对照组。