基于混合相变材料的沥青路面降温效果研究

摘 要：为进一步研究相变材料（PCM）对沥青路面的冷却效果，本文建立某高速公路基层耦合传热过程的数值模型。将3种石蜡材料（OP55E、OP52E、OP47E）按4∶3∶3的体积比混合，以5%、10%、15%和20%的体积比掺入沥青上面层和整体沥青层中，模拟分析不同相变材料掺入方案的降温效果，并测定沥青路面高温运行状态的频率和持续时间。结果表明：在沥青层中掺入相变材料能有效降低路面高温车辙损坏的频率。路面高温的时间和日均持续时间均有所减少；降温效果与相变材料体积混合比呈正相关。

关键词：相变材料；公路路面；沥青；降温效果

中图分类号：U 41" " 文献标志码：A

某公路路段在典型的高温太阳辐射区，日照时间长（夏季平均日照9.9h），太阳辐射强（夏季平均日照强度703W/m2），且沥青路面吸热性强（吸热率为0.85～0.95），高温季节路面温度可超过70℃[1]。在重交通荷载和高温的作用下，路面容易发生车辙破坏，从而严重影响路面的稳定性和耐久性[2]。因此，路面高温问题亟待解决。

在夏季恶劣的高温气候条件下，高速公路巴里坤至梧桐大泉段沥青路面临严重的高温车辙破坏问题[3]。现有研究已经证明了沥青面层掺加相变材料的路面降温技术的可行性，但对相变材料的添加位置以及路面在整体温度控制效果的研究还相对缺乏。基于此，本研究针对G7高速公路整体式路基路段建立了包括上层空气环境的地-大气耦合传热数值模型，并将该区域的气温、风速和太阳辐射等气象数据作为外部输入条件。本研究对比分析了不同掺入比例和位置的沥青路面的降温效果，并测量高温范围的频率和持续时间。该研究成果可为戈壁地区应用相变材料调节沥青路面温度提供一定参考。

1 试验方法与试验目的

1.1 试验目的

某高速公路车辙损坏现象频繁且严重。车辙损坏的诱因可分为内部因素和外部因素。内部因素通常与路面结构和沥青材料质量有关，而外部因素主要是气候和交通条件。某高速公路地区的气候条件通常包括高温和高太阳辐射，这些因素会迅速导致路面温度升高，进而引发不同程度的车辙损坏风险。

已有研究表明，在沥青混合料中添加相变材料（PCM）可以提高其环境适应性。然而，这些研究都只是短期的试验或数值模拟研究，关于添加相变材料（PCM）的沥青路面在高温气候长期影响下的高温车辙风险的报道比较少。本文的研究目标是考察相变材料（PCM）对沥青路面温度的长期调节作用，获得路面高温频率和持续时间的具体数据。数值结果可为高温戈壁地区路面破损的预防和养护提供依据，同时也具有重要的工程意义和学术价值。

1.2 相变材料

为沥青路面选择合适的相变材料需要考虑高温气候下沥青路面的温度范围和铺设沥青路面的材料等因素[4]。本文使用的相变材料主要由十四烷、二氧化硅、乙醇和乙基纤维素组成。相变材料由聚乙二醇、丙烯酰胺和过硫酸钾制备。以过硫酸钾为引发剂，将丙烯酰胺制备成聚丙烯酰胺（PAM）。将聚乙二醇和聚丙烯酰胺以6∶4的质量比混合以制备相变材料。在相变材料中，聚乙二醇通过相变过程吸收和释放热量，并且聚乙二醇的材料分散在由聚丙烯酰胺形成的骨架结构中，通过-OH连接这两种材料。沥青路面车辙损坏的临界温度一般为55°C～60°C。因此，相变材料的相变点必须低于60°C。目前，在道路相变材料的筛选中，石蜡（相变区间为47°C～64°C，密度为0.9g/cm³）因其价格低、潜热高、使用方便等优点而被广泛使用。因此，本研究也选择石蜡作为沥青面层的相变材料。此外，为了达到更好的冷却效果，沥青面层中混合相变材料的相变温度范围应该尽可能大。通过比较不同类型石蜡材料的相变区间，发现单一类型相变材料的相变区间相对较小[5]。因此，为了扩大相变温度区间，使用OP55E、OP52E和OP47E这3种相变材料进行混合，相变温度区间分别为51℃～57℃、49℃～53℃和41℃～48℃。3种相变材料的热物理参数详见表1。将3种相变材料的体积混合比设定为4∶3∶3。相变材料混合物的比热为11810J/（kg‧K），复合相变材料的相变温度区间为47℃～56℃。

1.3 相变材料的掺入方案

高速公路黑色沥青面层的吸热性很强，导致路面在夏季持续高温并出现车辙损坏。对路面与环境之间整体传热过程进行分析表明，沥青面层高温的位置和数值与复合相变材料的添加比例和位置有关[6]。为研究相变材料添加位置的降温效果，设定以下两种方案。1）仅在沥青混凝土上部5cm处添加。2）在沥青混凝土层的12cm处整体添加。由于相变材料的掺入比例与路面的降温有必然联系，因此不同比例的相变材料与路面降温幅度之间的关系也是本文的研究目标[7]。每个掺入位置的相变材料混合比均以5%为梯度进行配置，分别为5%、10%、15%和20%。以不添加为方案0，掺入方案见表2。

1.4 计算参数设定

将路基和自然地表上方的空气环境视为自由流体，空气视为密度恒定的不可压缩气体。控制方程如公式（1）所示。

（1）

式中：P是空气密度；ui是各方向的速度分量。动量方程如公式（2）所示。

（2）

式中：ρ是气压；η是空气的动态黏度。能量方程如公式（3）所示。

（3）

式中：T为空气温度；λ为空气导热系数；cp为恒压下的空气比热容；ST为自然地表和路面的耦合源项[8-9]。在计算中，将流体区域空气的物理特性设定为固定值。根据区域气候的实际测量结果，空气的热参数设定：p=1.225kg/m³，比热=1006J/（kg‧K），导热系数λ=0.0242W/（m‧K）；空气黏度μ=1.789×10-5kg/（m‧s）。

通过建立土～气耦合传热计算模型，研究不同相变材料掺入方案下沥青路面的温度分布。路基物理模型选自G7高速公路的一个典型整体路段。其底土层为厚0.7m的粉土层、厚5m的砾石层和下层未钻孔的砂层。假设深土层对路面传热过程影响不大，为计算方便，地下总深度取30m。路基路面宽27m，高3m，坡比1∶1.5，由路基填料、53cm水稳碎石层和12cm沥青层（5cmAC-16CSBS改性沥青混凝土和7cmAC-25C道路石油沥青混凝土）组成，从下到上依次为路基填料、53cm水稳碎石层和12cm沥青层。道路左右两侧各有0.75m的土路肩，土质与路基填料相同。自然地表高度取路基高度的20倍，即左右各60m，以避免入口效应。为减少上边界条件的影响，空气区总高度取30m，以减少上边界条件的影响。

1.5 计算方法

采用GAMBIT 2.4软件对网格进行离散化处理，网格为剖面四边形结构。对流场变化剧烈的区域和研究的路基区域等关键耦合传热区域进行加密，网格长宽比小于1∶2，非关键区域的网格比不大于1∶10。本研究采用地球-大气耦合数值模型。在ANSYS Fluent 软件包中求解地球-大气传热过程的控制方程。数值计算采用了二维、非稳态和隐式求解器，湍流模型采用了标准模型。模型用于空气区域的湍流模拟。利用Fluent UDF程序将空气温度、风速和表面源项等复杂边界条件导入计算模型。此外，将计算过程中的收敛条件设定为10～5。为了更好地反映实时温度，将计算时间步长选择为20min，总计算时间定义为153d。

2 结果与讨论

2.1 物理性质

热拌摊铺技术是制备沥青混合料的常用技术，主要是黏结剂与集料之间具有相对较好的界面黏附性。热拌沥青混合料的施工温度通常在160℃～185℃，在此温度下，相变材料沥青路面材料应保持固态而不明显泄漏，以避免泄漏的PCM对沥青路面的综合性能产生不利影响。图1为相变材料沥青样品分别在60°C和200°C环境下暴露2h后的照片。从图中可以看出，滤纸上几乎看不到液体痕迹，这不仅验证了固-固相变材料的成功合成，进一步证明了相变材料在沥青路面高温施工过程中可以保持固态。且本研究中制备的相变材料沥青路面的特点是硬度较高，从而使相变材料在200°C呈固态。

2.2 沥青路面与相变材料混合料的冷却效率

表3为不同温度范围内路面日最高温度的持续时间，可以看出，从5月1日—9月30日，所有温度范围的时间和日持续时间都明显缩短。在掺入相变材料后，45℃～55℃、55℃～60℃、60℃～70℃和70℃以上的高温时间分别缩短9d、4d、2d和3d，日平均持续时间分别缩短0.3h、0.4h、0.4h和0.6h。由此可以得出结论：在沥青层中添加相变材料可以有效降低路面高温车辙损坏的频率。

2.3 不同相变材料混合比的冷却效率

相变材料的体积混合比决定了沥青路面的热性能。7月15日沥青层的温度分布和不同相变材料混合比路面的温降（基于方案0）见表4。从表中可以看出，随着相变材料混合比增加，时间和日平均持续时间都有所缩短。此外，在高温范围内，添加相变材料的降温效果更为明显。随着相变材料混合比从5%增至20%，在温度大于70°C的范围内，温度持续时间和日平均持续时间分别缩短至4d和3.3h。这也表明，在较低温度范围内，当相变材料比率超过10%时，冷却效果变化不大。当使用相变材料时应注意，虽然增加相变材料的混合比有助于增强冷却效果，但确定相变材料混合量时还应考虑工程成本和结构强度等因素。因此在沥青路面实际施工过程中，要控制相变材料的掺入量，建议在公路路面沥青中加入15%的沥青相变材料，同时施工时要注意施工技术创新，严格控制相变材料掺量，进一步推动混合相变材料在沥青路面建设中的应用。

2.4 不同相变材料混合位置的冷却效率

表5为不同相变材料混合位置（沥青层相变材料混合和沥青上面层相变材料混合）和不同相变材料混合比（5%和20%）下路面日最高温度的持续时间。可以看出，当相变材料体积混合比为5%时，沥青上面层相变材料混合方案的性能优于整体沥青层相变材料混合方案。对方案1来说，45°C～55°C、55°C～60°C、60°C～70°C、70°C以上的高温时间分别缩短9d、4d、7d和14d，日平均持续时间分别缩短0.6h、0.4h、0.4h和0.6h，其值大于方案5。可以说明，相变材料的冷却效果与其体积混合比呈正相关。随着混合比从5%增至20%，路面温度从72.94℃降至70.34℃。此外，温度降幅也随着相变材料混合比的增加而变大，尤其是在路面温度较高的情况下。当路面初始温度达到75℃时，随着相变材料混合比从5%增至20%，温降从1.49℃升至4.66℃。

相比之下，当相变材料体积混合比为20%时，沥青层相变材料混合方案的性能优于沥青上面层相变材料混合方案，尤其是在高温范围内（＞70°C）。方案8在45°C～55℃、55°C～60℃、60°C～70℃和70℃以上的时间分别缩短10d、10d、12d和23d，日平均持续时间分别缩短0.3h、0.4h、0.7h和2.0h。在相变材料混合比较小的情况下，高温路面附近掺入相变材料可更好地改善冷却效果，而在混合比较大的情况下，通过增加系统的等效热容量，可有效改善整个沥青层掺入相变材料后的性能。当上表面进行相变材料施工时，可以通过相变材料有效调节沥青路面和上表面的温度。相变材料的温度调节特性减少了温度变化对沥青混合料温度敏感性的不利影响。从理论上讲，相变材料越多，沥青路面防止温度开裂的可能性就越高。然而，当相变材料含量超过其临界值时，沥青混合料的强度和弹性模量可能会下降。当上、中、下面层均采用相变材料施工时，相变材料可以较好地调节中、下表面层的温度。

3 结论

本研究建立某地区G7高速公路基层耦合传热过程的数值模型。将3种石蜡材料（OP55E、OP52E、OP47E）按4∶3∶3的体积比混合，以5%、10%、15%、20%的体积比掺入沥青上面层和整体沥青层中。并模拟分析不同相变材料掺入方案的降温效果，并测量了沥青路面高温运行状态的频率和持续时间，得出以下结论。1）在沥青层中添加相变材料可以有效降低路面高温的发生频率。2）冷却效果与相变材料体积配合比呈正相关，路面的温降也随着相变材料配合比增加而增加。当相变材料混合比从5%增至20%时，75°C路面可冷却1.49°C和4.66°C，路面温度超过70°C的时间和日持续时间分别减至4d和3.3h。

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