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    沥青路面热效应及降温技术

    放大字体  缩小字体 发布日期:2016-11-01  作者:小九  浏览次数:14
    核心提示:随着经济的发展,沥青路面已经成为中国高等级公路和城市道路的主要形式。由于沥青材料对温度较为敏感,在温度升高时易出现车辙等

    随着经济的发展,沥青路面已经成为中国高等级公路和城市道路的主要形式。由于沥青材料对温度较为敏感,在温度升高时易出现车辙等高温病害,严重影响路面的使用性能和使用寿命。由于沥青路面长期暴露在自然环境中,受各种自然因素的反复作用,其温度传导和分布无论在空间上还是时间上都存在一定的复杂性。对沥青路面热效应的研究,无论对于沥青路面的设计和施工都具有至关重要的意义。目前,国内外学者对沥青路面的热效应已经进行了许多重要的研究,并取得了一系列有益的研究成果。为降低沥青路面的温度,并使其保持在一个相对较低的范围之内,中国道路工作者提出了一些有效的降温技术,主要包括保水式路面、储热式路面和热阻式路面。

    保水式路面是在大孔隙沥青混合料中灌注保水材料,并通过自然降水或人工洒水使保水材料吸收并保持水分,当温度升高时,水分从保水材料中蒸发,带走热量,从而降低路面的温度。储热路面是在普通沥青混合料中添加相变材料,相变材料可以吸收热量,并将热量以潜热的形式储存,从而使路面在一定范围内吸收热量而温度保持不变。热阻式路面是在普通沥青混合料路面上加铺一层导热系数较小的热阻层,降低太阳对沥青面层的直接辐射量。

    该文通过对沥青路面内部以及沥青路面与自然环境之间的热传导方式进行分析,并提出了沥青路面热效应的影响因素,同时,对保水式路面、储热式路面和热阻式路面的调温特性进行了研究。

    沥青路面传热方式

    热传导

    路面结构内部及路面与路基之间的热量交换主要通过热传导实现。白天沥青路面的温度高于路基的温度,沥青层的上层温度高于下层温度,此时,温度从上部结构向下部结构传递,使上部温度出现降低的趋势而下部温度升高。夜间上部温度低于下部温度,此时,温度又从下部结构向上部结构传递。这种热传导的过程发生在路面的全周期内,并使路面结构的温度处于时刻变化的状态。

    热对流

    热对流是指热量通过流动介质,由空间的一处传播到另一处的现象。牛顿冷却定律认为,当物体表面与周围存在温度差时,单位时间从单位面积散失的热量与温度差成正比,比例系数称为热传递系数。沥青路面与周围空气之间的热传递即通过热对流实现。

    可以看出:沥青路面与空气间通过热对流所传递的热量大小与路表与空气间的温度差,以及路表与空气间的热对流系数有关,而热对流系数与流体类型、是否存在相变等因素有关。

    热辐射

    物体存在于自然界中,将会向外产生热辐射,并受到其他物体的辐射,当发出的辐射量和接收的辐射量相等时,物体的辐射换热为0。对于沥青路面,其不光受到太阳对其进行的辐射,同时还吸收大气长波辐射,和大气之间通过热辐射的形式进行着热交换。

    物体间的辐射量大小取决于物体的表面温度和辐射系数,并满足斯蒂芬-玻尔兹曼定律。

    温度效应影响因素

    大气温度

    沥青路面与大气直接接触,大气与地表构成对流换热系统,因此,沥青路面的温度受大气温度的影响最为显著。沥青路面结构的温度变化与大气温度的变化具有相似性,大气温度升高,沥青路面吸收热量,路面结构的温度也因此升高;同样,当大气温度低于路面温度时,沥青路面放热,温度降低。同时,由于沥青路面吸热和放热过程的持续性,使得沥青路面温度的变化比大气温度的变化存在滞后性。

    太阳辐射

    太阳直接辐射和散射于天空辐射的总和为太阳总辐射,这是一种短波的热辐射。太阳总辐射到达路表时,大部分被路面结构吸收并转变为热量;其余部分则通过路表的反射或散射而被射回到大气中。云层状况、路表的表面特征、降雨、降雪等因素都会对太阳总辐射被路面结构吸收和反射的比例产生影响。

    湿度和风速

    大气湿度是指大气中水气含量距离大气饱和的程度,一般用相对湿度百分比来表示。相对湿度的大小影响着路面水分的蒸发情况,相对湿度越大,路面水气蒸发越慢;相对湿度越小,路面水气蒸发越快,而水气的蒸发则伴随着热量的交换。因此,大气相对湿度影响着沥青路面与大气间的热交换,同时也影响着太阳对路面的有效辐射量。风速是影响大气与路面结构间对流热交换的重要因素,风速增大加剧对流热交换。在预估模型中引入风速和湿度参数,可以很大程度地提高温度场预估模型的精度。

    沥青路面降温技术

    原材料性能及混合料设计

    试验采用沥青为SK70#基质沥青。集料为玄武岩。

    保水路面的母体材料为OGFC-13混合料,储热路面和热阻路面采用AC-13混合料。

    不同降温技术的降温特性

    试验采用轮碾仪分别成型保水路面、储热路面、遮热路面和普通沥青混合料5cm标准车辙试件,并在成型过程中分别在试件的表面和底部置入温度传感器探头,探头的另一端可连接温度采集仪。保水路面试件通过在OGFC-13试件中填充保水材料,得到保水沥青混合料试件。试验所用的保水材料采用75%的高炉炉渣、15%消石灰和10%粉煤灰构成。试件成型方法为:①采用轮碾仪成型OGFC-13车辙试件,将配置好的保水材料用水调制成浆体备用;②用水将车辙试件表面浸湿后放置在振动台上,并在振动作用下洒布浆体,直至浆体不再下渗后取下;③将试件置于干燥清洁的地方进行养生,待水分完全挥发后清理试件表面使用。

    储热路面试件通过在SK70#基质沥青中添加产量为10%的聚乙二醇PEG2000拌和AC-13混合料获得。热阻式路面试件通过在4cm普通AC-13混合料上加铺1cm沥青蛭石热阻层获得,热阻层采用蛭石代替20%集料获得。

    在高温季节,在保水路面试件上人工洒水后,将3种车辙试件置于室外,连接并开启温度采集仪,收集温度数据,采集时间间隔为15min,采集时间从10:0016:00

    可以看出:3种降温路面都能对沥青路面起到降温作用,但降温效果不尽相同。从温度降低的幅度看,保水路面优于遮热路面,而储热路面的降温效果较差。保水路面和遮热路面可以使路面降温约10℃,而储热路面仅能使路面降温3~5℃。

    结论

    (1)沥青路面的热交换方式包括热传导、热对流和热辐射。

    (2)沥青路面温度效应的影响因素主要包括大气温度、太阳辐射、大气湿度和风速。

    (3)沥青路面的降温技术主要包括保水路面、储热路面和遮热路面,其中保水路面的降温效果最好,储热路面的降温效果最差。

     
     
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