CN106770447B - 一种沥青混合料不同温度下导热系数的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种沥青混合料不同温度下导热系数的测量装置及测量方法，所述测量装置包括：热源装置、数据采集装置和控制器，热源装置正对被测沥青混合料试件设置，给被测沥青混合料试件提供辐射热源；数据采集装置设置在被测沥青混合料试件表面，用于采集被测沥青混合料试件的上表面温度数据，下表面温度数据和上表面的热流密度数据；控制器与数据采集装置电连接，用于根据上表面温度数据、下表面温度数据和热流密度数据确定被测沥青混合料试件在不同温度下的导热系数。通过本发明提供的测量装置及测量方法，可方便准确地测量沥青混合料不同温度的导热系数，测量结果真实可靠。

Description

一种沥青混合料不同温度下导热系数的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及沥青材料测试领域，特别是涉及一种沥青混合料不同温度下导热系数的测量。

背景技术

沥青混合料是一种感温材料，其物理化学性质会随着温度的变化而变化。在实际应用中，沥青路面高温易车辙，低温易开裂的特性使得沥青路面设计难以满足环境的要求。造成沥青路面温度变化的主要原因是大气中的热量辐射，同时沥青路面在不同温度下对热辐射的反应有很大的区别。因此研究沥青混合料在不同温度下的热物理特性显得极为重要，其中热物理特性最为重要的就是导热系数。

由于沥青混合料是由石料、矿粉、沥青组成的不均匀混合物，而且混合料中含有空隙。要测定沥青混合料导热系数，必须要对完整的沥青混合料进行检测，而不宜将混合料的各组分分开检测。

通过稳态测量法测量沥青混合料导热系数的方法，因为需要保证沥青混合料上下底面的温度的稳定性，需要较长的测量时间，且一次测量中只能测定一个温度下的沥青混合料的导热系数，如果要测定其它温度下的导热系数则需要大幅度增加实验时间。

通过瞬态测量法中的热线法也可以测量沥青混合料的导热系数，但是热线法试验中所用的电炉丝是一种发热材料，由于电炉丝在处于很高的温度下(炽热状态)工作，有可能会烧断；而且，在测定导热系数的试件成型时由于试件碾压状态而很难保证电炉丝处于直线状态，通电时弯曲的电炉丝会产生感抗效应，甚至碾断，影响测试精度。再有，电炉丝被预置在沥青混合料中无法取出再次利用。

通过瞬态测量法中的平板法也可以测量沥青混合料的导热系数，但是试验所用的加热平板其是由内置的加热线阻进行加热的，通过平板传导出来的并不是均匀热流密度；而且，加热平板直接与沥青混合料接触，此时需要考虑固体接触传热的模型，与实际路面工作时所受的热量辐射形式有很大的区别。

因此，如何提供一种能够方便准确的测量沥青混合料不同温度的导热系数的装置及方法，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种沥青混合料不同温度下导热系数的测量装置，可方便准确地测量沥青混合料不同温度的导热系数。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种沥青混合料不同温度下导热系数的测量装置，用于测量被测沥青混合料试件，所述测量装置包括：热源装置、数据采集装置和控制器，其中，

所述热源装置，正对所述被测沥青混合料试件设置，用于给所述被测沥青混合料试件提供辐射热源；

所述数据采集装置，设置在所述被测沥青混合料试件表面，用于采集所述被测沥青混合料试件上表面的上表面温度数据，所述被测沥青混合料试件下表面的下表面温度数据和所述被测沥青混合料试件上表面的热流密度数据；

所述控制器，与所述数据采集装置电连接，用于根据所述上表面温度数据、所述下表面温度数据和所述热流密度数据确定所述被测沥青混合料试件在不同温度下的导热系数。

可选的，所述测量装置还包括保温装置，所述被测沥青混合料试件设置在所述保温装置内，所述热源装置正对所述保温装置的顶面设置。

可选的，所述测量装置还包括环境温度采集装置，其中，

所述环境温度采集装置设置在所述保温装置内，用于采集所述保温装置内的环境温度数据。

可选的，所述热源装置为功率可调的红外加热灯。

可选的，所述测量装置还包括显示器，所述显示器与所述控制器连接，用于实时显示上表面温度值、下表面温度值、热流密度值及所述被测沥青混合料试件在不同温度下的导热系数。

可选的，所述被测沥青混合料试件为标准一次成型的车辙板试件。

可选的，所述控制器包括传热学计算模块与数据离散程度弃差模块，其中，

所述数据采集装置同时采集至少两个不同位置的上表面温度数据及至少两个不同位置的热流密度数据，

所述数据离散程度弃差模块，用于当所述不同位置的上表面温度数据的差大于第一设定阈值，或所述不同位置的热流密度数据的差大于第二设定阈值时，将所述不同位置的上表面温度数据或所述不同位置的热流密度数据去除，并发出报警信息提示工作人员调整所述热源装置的位置；否则，输出所述上表面温度数据、下表面温度数据及热流密度数据；

所述传热学计算模块，与所述数据离散程度弃差模块连接，用于根据所述数据离散程度弃差模块输出的所述上表面温度数据、所述下表面温度数据和所述热流密度数据确定所述被测沥青混合料试件在不同温度下的导热系数。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明采用辐射热源作为热源装置，可真实模拟沥青混合料在实际工作状态中受到的真实热辐射状态。数据采集装置以设定的时间间隔定时采集温度数据和表面热流密度数据，由控制器根据所述温度数据和表面热流密度数据计算出沥青混合料在不同温度下的导热系数。因此，通过本发明提供的测量装置，可方便准确地测量沥青混合料不同温度的导热系数，测量结果真实可靠。

本发明的目的还在于提供一种沥青混合料不同温度下导热系数的测量方法，可方便准确地测量沥青混合料不同温度的导热系数。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种沥青混合料不同温度下导热系数的测量方法，所述测量方法用于根据上述的沥青混合料不同温度下导热系数的测量装置，所述测量方法包括：

给被测沥青混合料试件提供辐射热源；

获取被测沥青混合料试件的上表面温度数据、下表面温度数据和上表面的热流密度数据；

用于根据所述上表面温度数据、所述下表面温度数据和所述热流密度数据确定所述被测沥青混合料试件在不同温度下的导热系数。

可选的，所述计算所述被测沥青混合料试件在不同温度下的导热系数包括：

同时获取所述被测沥青混合料试件至少两个不同位置的上表面温度数据及至少两个不同位置的热流密度数据；

判断所述不同位置的上表面温度数据的差是否大于第一设定阈值，或所述不同位置的热流密度数据的差是否大于第二设定阈值；

若是，将所述不同位置的上表面温度数据或所述不同位置的热流密度数据去除，并发出报警信息提示工作人员调整所述热源装置的位置；

若否，输出所述上表面温度数据、下表面温度数据及热流密度数据；

根据所述上表面温度数据、下表面温度数据及热流密度数据确定所述被测沥青混合料试件在不同温度下的导热系数。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明通过辐射热源给被测沥青混合料试件加热，然后获取由辐射热源引起的被测沥青混合料试件的温度数据和表面热流密度数据，根据所述温度数据和表面热流密度数据即可计算出沥青混合料在不同温度下的导热系数。因此，通过本发明提供的测量方法，可方便准确地测量沥青混合料不同温度的导热系数，测量结果真实可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1四分法测点布设图；

图3为本发明实施例1九分法测点布设图；

图4为本发明实施例1保温装置结构图；

图5为本发明实施例2导热系数测量方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种沥青混合料不同温度下导热系数的测量装置，可方便准确地测量沥青混合料不同温度的导热系数。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：如图1所示，沥青混合料不同温度下导热系数的测量装置包括：热源装置1、数据采集装置、环境温度采集装置、保温装置7，控制器8。

其中，数据采集装置包括：温度量测装置2、热流密度量测装置3和读数装置4；环境温度采集装置包括：环境温度采集装置5与环境温度读数装置6。

被测沥青混合料试件9设置在保温装置7内，热源装置1正对所述保温装置7的顶面设置，热源装置1用于给被测沥青混合料试件9提供稳定的热辐射，使得被测沥青混合料试件9的上表面均匀升温。具体地，实施例1中的热源装置1为功率可调的红外加热灯。

温度量测装置2设置在被测沥青混合料试件9的表面，用于测量被测试件9的上表面与下表面的温度；热流密度量测装置3设置在被测沥青混合料试件9的上表面，用于测量被测沥青混合料试件9的上表面所受到的热流密度。具体地，本实施例中的温度量测装置2为热电偶传感器，精度要求达到0.1℃；本实施例中的热流密度量测装置3为表面热流密度传感器，准确度要求达到±2％；本实施例中的被测沥青混合料试件9采用标准一次成型的车辙板试件。

读数装置4分别与所述温度量测装置2、热流密度量测装置3连接，用于显示被测沥青混合料试件上表面与下表面的温度值以及被测沥青混合料试件上表面所受到的热流密度值。具体地，本实施例中的读数装置4为多通道热流计。

控制器8与读数装置4电连接，控制器8根据不同温度下被测沥青混合料试件9的上表面温度值、下表面温度值和热流密度值，确定被测沥青混合料试件9在不同温度下的导热系数。具体地，本实施例中的控制器8为计算机系统。

环境温度采集装置5设置在保温装置7内，用于采集所述保温装置7内的环境温度数据，环境温度读数装置6用于显示保温装置7内的温度。具体地，本实施例中的环境温度采集装置5为热电偶传感器，环境温度读数装置6为数字温度显示仪。

本实施例中，热电偶传感器与表面热流密度传感器在被测沥青混合料试件9的表面的布设应考虑沥青混合料的类型，如果为密实型则应采用四分法,如图2所示；如果为大粒径高空隙率则需采用九分法，如图3所示。由图2和图3可见，四分法测点布设和九分法测点布设都要求上、下底面的热电偶传感器在顶面的同一垂直线上，偏差误差不能超过3mm。

具体地，如图4中的(a)部分和(b)部分所示，所述保温装置7具体包括：外壳71，反光保温层72和试件保温层73，将保温装置的外壳71套在被测沥青混合料试件9周围，使被测沥青混合料试件9在外壳71的中心位置，再将反光保温层71，试件保温层73分别设置在被测沥青混合料试件9与外壳71之间，从而形成对被测沥青混合料试件9侧面的保温隔热作用，其中反光保温层72和试件保温层73的材质为保温隔热材料。热源装置1设置在保温装置7顶面中心垂直方向上。

本发明通过控制保温装置7内的温度，模拟接近路面工作状态时被测沥青混合料试件所受的真实热辐射状态，读数装置4以设定时间间隔定时记录温度数值与表面热流密度值，控制器计算出沥青混合料在不同温度下的导热系数，同时实时显示测试数据以及计算结果。

利用本实施例的测试装置进行测试的过程具体包括以下步骤：

步骤1：将八个K型热电偶传感器分别用沥青混合料中的沥青粘附在测试件上下表面，平面位置为图3中的b、e、g和i，要求上、下底面的热电偶传感器须在顶面的同一垂直线上。将两个KR2热流密度传感器放置于被测沥青混合料试件的上表面，位置如图2。保温装置7内的热电偶传感器布设如图4所示。

步骤2：将被测沥青混合料试件置于与其相同的车辙板试件上。

步骤3：将保温装置的外壳套在测试件周围，使测试件在外壳的中心位置，再将保温隔热材料分别放置在测试件与外壳之间，从而形成对测试件侧面的保温隔热作用。将功率可调的红外加热灯置于保温装置顶面中心垂直方向上，距离测试件上表面1m，其中所述红外加热灯的最大功率为500W。

步骤4：用HFM-215N热流计读取上、下表面热电偶所感应的温度值，取其平均值作为初始温度。

步骤5：同时打开红外加热灯开关(功率调为400W)与HFM-215N热流计记录功能，使测试件表面均匀升温。其中HFM-215N热流计记录时间间隔为30s，实验时间为30min。

步骤6：通过计算机系统将所测得数据代入计算公式得出沥青混合料导热系数。

步骤7：关闭红外加热灯，待测试件温度下降到室温，打开保温装置，取出试件，结束实验。

本实施例中，通过控制保温装置内的温度，模拟接近路面工作状态时所受的真实热辐射状态。读数装置定时记录温度数值与表面热流密度，计算机系统计算出沥青混合料在不同温度下的导热系数，并通过计算机系统实时显示数据变化与输出结果。

本发明使用红外加热灯作为热源装置，与沥青混合料在实际工作状态中所受到的热干扰相似，同时经过保温装置的反光保温作用，可在测试件表面形成均匀热流密度，从而可更为准确真实的测定沥青混合料的导热系数。本发明使用标准车辙板试件作为被测沥青混合料试件，简化了测试件的制作，而且对被测沥青混合料试件不会形成损伤，当导热系数测试完成后，试件可用于其它实验操作，实现重复利用。利用本发明提供的测量装置可一次性快速准确地测定沥青混合料在不同温度下的导热系数。

实施例2：如图5所示，根据上述的沥青混合料不同温度下导热系数的测量装置，测量沥青混合料不同温度下导热系数的测量方法包括：

步骤501：给被测沥青混合料试件提供辐射热源；

步骤502：获取被测沥青混合料试件下表面温度数据，同时获取所述被测沥青混合料试件至少两个不同位置的上表面温度数据及至少两个不同位置的热流密度数据；

步骤503：判断所述不同位置的上表面温度数据的差是否大于第一设定阈值，或所述不同位置的热流密度数据的差是否大于第二设定阈值；

步骤504：若是，将所述不同位置的上表面温度数据或所述不同位置的热流密度数据去除，并发出报警信息提示工作人员调整所述热源装置的位置；

步骤505：若否，输出所述上表面温度数据、下表面温度数据及热流密度数据；

步骤506：根据所述上表面温度数据、下表面温度数据及热流密度数据确定所述被测沥青混合料试件在不同温度下的导热系数。

具体地，利用上述方法测量沥青混合料不同温度下导热系数的操作步骤如下：

步骤21：将一组热电偶传感器粘附于被测沥青混合料试件上、下表面，一组热电偶传感器悬置于保温装置内，一组热流密度传感器放置于被测沥青混合料试件上表面；

步骤22：将被测沥青混合料试件置于一块与其相同的车辙板试件上；

步骤23：将保温装置和热源装置安置完成；

步骤24：用读数装置读取温度量测装置所感应的温度；

步骤25：同时打开热源装置与读数装置，记录被测沥青混合料试件表面的温度数据和热流量密度数据；

步骤26：检查保温装置内的温度、被测试件表面的温度和热流密度是否符合沥青路面实际工作状况的要求，不符合要求则调整加热装置位置与加热装置的功率，重新开始实验。

步骤27：通过控制器计算得出不同温度下的导热系数值。

步骤28：关闭测试装置，待被测沥青混合料试件温度下降到室温，打开保温装置取出测试件，结束实验。

其中，步骤22中在被测沥青混合料试件下部叠加一块与被测沥青混合料试件相同的车辙板试件，能够延长传热路径，增加半无限大物体一维导热状态的时间。

其中，所述步骤24中读数装置读取所述被测沥青混合料试件上的温度量测装置的温度数值，取其平均值作为初始温度。

其中，所述步骤25中读数装置记录数据的时间间隔应根据被测沥青混合料试件的升温速度来确定，实验时间则须按下面两条准则来判断：第一，根据半无限大物体一维导热状态的渗透厚度公式：估算可加热时长，其中τ表示时间，单位为s；δ表示试件厚度，单位为m；α表示沥青混合料热扩散系数，单位为m²/s。实验时间不可超过所述估算可加热时长，以确保半无限大物体一维导热状态的成立；第二，当被测沥青混合料试件温度已达到规定值，即沥青路面实际工作状况时，停止实验。

所述步骤26中保温装置中的温度应控制在规定值，即沥青路面实际工作的温度以下，否则应调整加热装置的功率，重新开始实验。当被测沥青混合料试件上表面不同位置的四个热电偶所测得的温度的差大于第一设定阈值，或者两块热流密度传感器所感应的热流密度值的差大于第二设定阈值，则应调整加热装置的位置，重新开始实验。

其中，所述步骤27中的控制器可实时显示实验数据，并实时输出测试结果。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的测量方法而言，由于其与实施例公开的测量装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见测量装置部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种沥青混合料不同温度下导热系数的测量装置，用于测量被测沥青混合料试件，其特征在于，所述测量装置包括：热源装置、数据采集装置和控制器，其中，

所述热源装置，正对所述被测沥青混合料试件设置，用于给所述被测沥青混合料试件提供辐射热源；

所述数据采集装置，设置在所述被测沥青混合料试件表面，用于采集所述被测沥青混合料试件上表面的上表面温度数据，所述被测沥青混合料试件下表面的下表面温度数据和所述被测沥青混合料试件上表面的热流密度数据；

所述控制器，与所述数据采集装置电连接，用于根据所述上表面温度数据、所述下表面温度数据和所述热流密度数据确定所述被测沥青混合料试件在不同温度下的导热系数；所述控制器包括传热学计算模块与数据离散程度弃差模块，其中，

所述数据采集装置同时采集至少两个不同位置的上表面温度数据及至少两个不同位置的热流密度数据，

所述数据离散程度弃差模块，用于当所述不同位置的上表面温度数据的差大于第一设定阈值，或所述不同位置的热流密度数据的差大于第二设定阈值时，将所述不同位置的上表面温度数据或所述不同位置的热流密度数据去除，并发出报警信息提示工作人员调整所述热源装置的位置；否则，输出所述上表面温度数据、下表面温度数据及热流密度数据；

所述传热学计算模块，与所述数据离散程度弃差模块连接，用于根据所述数据离散程度弃差模块输出的所述上表面温度数据、所述下表面温度数据和所述热流密度数据确定所述被测沥青混合料试件在不同温度下的导热系数。

2.根据权利要求1所述的沥青混合料不同温度下导热系数的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括保温装置，所述被测沥青混合料试件设置在所述保温装置内，所述热源装置正对所述保温装置的顶面设置。

3.根据权利要求2所述的沥青混合料不同温度下导热系数的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括环境温度采集装置，其中，

所述环境温度采集装置设置在所述保温装置内，用于采集所述保温装置内的环境温度数据。

4.根据权利要求1所述的沥青混合料不同温度下导热系数的测量装置，其特征在于，所述热源装置为功率可调的红外加热灯。

5.根据权利要求1所述的沥青混合料不同温度下导热系数的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括显示器，所述显示器与所述控制器连接，用于实时显示上表面温度值、下表面温度值、热流密度值及所述被测沥青混合料试件在不同温度下的导热系数。

6.根据权利要求1所述的沥青混合料不同温度下导热系数的测量装置，其特征在于，所述被测沥青混合料试件为标准一次成型的车辙板试件。

7.一种沥青混合料不同温度下导热系数的测量方法，其特征在于，所述测量方法用于根据权利要求1-6中任一项所述的沥青混合料不同温度下导热系数的测量装置，其特征在于，所述测量方法包括：

给被测沥青混合料试件提供辐射热源；

获取被测沥青混合料试件的上表面温度数据、下表面温度数据和上表面的热流密度数据；

用于根据所述上表面温度数据、所述下表面温度数据和所述热流密度数据确定所述被测沥青混合料试件在不同温度下的导热系数。

8.根据权利要求7所述的沥青混合料不同温度下导热系数的测量方法，其特征在于，所述确定所述被测沥青混合料试件在不同温度下的导热系数包括：

同时获取所述被测沥青混合料试件至少两个不同位置的上表面温度数据及至少两个不同位置的热流密度数据；

判断所述不同位置的上表面温度数据的差是否大于第一设定阈值，或所述不同位置的热流密度数据的差是否大于第二设定阈值；

若是，将所述不同位置的上表面温度数据或所述不同位置的热流密度数据去除，并发出报警信息提示工作人员调整所述热源装置的位置；

若否，输出所述上表面温度数据、下表面温度数据及热流密度数据；

根据所述上表面温度数据、下表面温度数据及热流密度数据确定所述被测沥青混合料试件在不同温度下的导热系数。