CN107794821B

CN107794821B - 一种具有传热方向性的沥青路面及其热导效应测试方法

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Publication number: CN107794821B
Application number: CN201710905102.1A
Authority: CN
Inventors: 陈俊; 张文明; 姚成; 周政; 马谢
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2020-09-29
Anticipated expiration: 2037-09-29
Also published as: CN107794821A

Abstract

本发明公开了一种具有传热方向性的沥青路面及其热导效应测试方法，所述路面包括3层，且自上而下结构层比热容逐渐增大；所述路面的上面层为普通沥青混合料，中面层为添加相变颗粒的沥青混合料，下面层为聚氨酯混合料。本发明通过路面各结构层所用材料比热容的梯度，实现了路面内热量从上至下的传递，有助于降低路面温度，减缓路面高温引起车辙等永久变形；本发明所述方法能够同步测量并分析照射到路表的太阳辐射强度、从路表反射出去的辐射强度、路面内部温度、近路面温度等；本发明的复合试件成型模具、保温夹具和热导效应的测试方法，具有制作方便、操作简便的优势，能够对路面混合料热导效应进行综合、全面的评价。

Description

一种具有传热方向性的沥青路面及其热导效应测试方法

技术领域

本发明属于工程技术领域，涉及一种功能性沥青路面，具体为一种具有传热方向性的沥青路面及其热导效应测试方法。

背景技术

随着城市规模的不断扩大和基础设施建设的快速发展，城市热导效应已成为危害人体健康，影响人们正常生活和工作的重要因素。一般认为，城市高楼密度大、空气流通慢、排放热量多、铺装道路广等是造成城市热导效应的主要原因。其中城市铺装的水泥路面和沥青路面等被认为是城市热导的首要原因，一方面由于人工铺装道路不透水，导致城市地表含水量小，难以通过水分蒸发形式降低城市温度，另一方面城市道路沥青路面吸收了大量的太阳辐射，而辐射的反射量较小，从而引起很高的路表温度。可见，从城市道路角度来看，雨水的不可渗透和太阳辐射的低反射率是造成城市热导的本质原因。

近年来，针对城市道路中雨水不可渗透的问题，我国在“海绵城市”建设中倡导铺设渗水路面、排水路面，期望雨水能够通过道路渗透到城市地表以下的土壤中或补充城市地下水，在高温季节通过水分的蒸发间接缓解城市热导效应。针对路面吸收太阳辐射多、反射太阳辐射少的问题，道路研究人员在一些路段尝试采用了浅色的太阳热反射涂层，有效地降低了路表温度，但这类涂刷在路表的涂层，往往因其与路面之间的粘结性不足，在涂刷之后不久就出现了各种类型的破坏。除了路表涂层之外，研究人员还从理论上提出了一些新的路面结构形式或传热方式，比如在路面结构层采用导热系数“上小下大”的材料，即上、下面层采用添加漂珠、石墨粉的沥青混合料，使导热系数在路面厚度上具有梯度，当路表吸收太阳辐射后能快速的向下导出热量；再比如通过在路面结构内埋设钢棒，通过钢材快速导热的特性，调节路面结构内部温度。但是，受制于石墨粉成本高、钢棒对路面结构受力影响不明确和施工的难度，这些措施都没有得到应用。因此，除了排水和渗水路面之外，目前还没有一种成熟的路面结构能有效缓解热导效应。

在路面热导效应的测试方面，目前主要采用红外温度计直接测试路表温度，通过对比不同形式路面的表面温度，说明降低热导效应的效果。而热导效应的核心内容：照射到路表的太阳辐射强度、从路表反射出去的辐射强度、路面内部温度、近路面温度等都没有采用合适的方法加以同步测试与分析。

发明内容

解决的技术问题：为了克服现有技术的缺陷，获得一种能够缓解上层路面的温度，即降低路表温度和热导效应的路面结构；另外，获得一种能够同步测量并分析照射到路表的太阳辐射强度、从路表反射出去的辐射强度、路面内部温度、近路面温度等的方法，本发明提供了一种具有传热方向性的沥青路面及其热导效应测试方法。

技术方案：一种具有传热方向性的沥青路面，所述路面包括3层，且自上而下结构层比热容逐渐增大；所述路面的上面层为普通沥青混合料，中面层为添加相变颗粒的沥青混合料，下面层为聚氨酯混合料。

优选的，所述上面层的普通沥青混合料为普通密级配沥青混合料AC-13，比热容为1.652MJ/m³K。

优选的，所述中面层的添加相变颗粒的沥青混合料为采用0.6～1.18mm的聚乙二醇和硅溶胶相变材料等体积替代沥青混合料中同粒径矿料。具体制备方法为：按温度凝胶法把分子量4000的聚乙二醇和硅溶胶，按质量比7:10制成相变颗粒，其粒径为0.6～1.18mm，并且等体积替换AC-20混合料中相同粒径范围的细集料，制成相变AC-20，测试得到其比热容在35℃以下为1.625MJ/m³K，在35℃以下发生相变后为1.940MJ/m³K，把相变AC-20作为路面中面层材料。

优选的，所述下面层的聚氨酯混合料是以双组分聚氨酯等体积替代沥青混合料中的沥青结合料制成，其中聚氨酯以异氰酸酯为A组分，以聚醚多元醇和季戊四醇为B组分，两组分混合获得。具体为：将密级配沥青混合料AC-25中沥青结合料完全替换成等体积的双组份聚氨酯结合料，制成聚氨酯混合料PC-25，测试得到PC-25的体积比热容为2.217MJ/m³K，把PC-13作为路面下面层。

以上述方案制备的沥青路面是一种从路表向下比热容逐渐增大的路面结构，在太阳辐射热量作用下，路面结构的温度是自上向下传递的；传递过程中比热容越大的结构层，温度上升得越慢，温度越低；由温度高处的结构上层传递下来的热量就越多，缓解了结构上层的温度，起到了降低路表温度和热导效应的作用。

一种具有传热方向性的沥青路面热导效应的测试方法，所述方法包括以下步骤：

第1步、采用逐层铺设逐层碾压的方法，按普通沥青混合料上面层、相变沥青混合料中面层和聚氨酯混合料下面层成型长方体状的三层复合试件，并在成型过程中在每层混合料的竖向中间位置预埋针式温度计。具体为：

为了测试比热容递增的上述路面结构的热导效应，需要完成对路面各结构层的成型，且为后续路面结构内温度的测试提供平台，为此设计了三层复合试件成型模具。该模具为顶部开口的箱形钢制模具，它由底板和侧板组成。底板边长为40cm，厚度为2cm；侧板分为三层，每层侧板由5块组成，其中3块为长度33cm、厚度3cm的长侧板，另2块为长度分别为15cm和18cm，厚度均3cm，且边部有半圆缺口的短侧板，2块短侧板拼成中间有通孔的长侧板，以供针式温度计的插入。与底板接触的5块底层侧板高度为8cm，其上为5块高度为6cm的中层侧板，上层为5块高度为4cm的侧板。底层侧板与底板之间通过螺栓连接，相邻两层侧板也通过螺栓连接。

复合试件的成型方法为：按照图1所示的结构，首先在底板上安装下层侧板，并采用轮碾法成型厚度为8cm的聚氨酯混合料PC-25，在轮碾结束后，立即采用针式温度计水平插入侧板的圆孔内15±1cm；待聚氨酯完全固化后，至少24h，在下层侧板上安装中层侧板，在PC-25之上轮碾压实成型厚度6cm的相变AC-20，并在中层侧板内水平插入针式温度计，插入深度为15±1cm；12h后安装上层侧板，成型上层的沥青混合料AC-13，在上层插入15cm水平深度的温度计后，再轮碾5次AC-13，使其表面平整后，得到包含上中下三层结构的复合试件。

第2步、对长方体复合试件的四个侧面和底面粘贴铝箔保温材料，并由网状格栅夹紧，在网状格栅上的拉钩上安装试件表面温度计和两个太阳辐射感应器。具体为：

在测试混合料三层复合试件的热导效应时，为了避免空气温度从侧面传导至混合料内部，或者太阳光照射到试件侧面，而导致测试结果不准确，设计了复合试件的保温夹具，它包括：上述成型模具的底板、4片钢制网状格栅、4个中间穿孔的螺栓和铝箔保温卷材。

采用上述保温夹具，按照以下方法完成对复合试件的保温裹覆处理：首先，对成型后的复合试件脱去侧板，并在底板上铺设一层铝箔保温卷材后，再放置复合试件；第二，把中间穿孔的4个螺栓分别拧入底板的4边，每条边拧入一个螺栓；第三，在复合试件的每个侧面，分别贴上铝箔保温卷材，确保银色铝箔面朝外侧，且试件侧面的温度计完好；第四，把网状格栅，插入拧入螺栓的孔中，并把格栅的固定栓，插入底板的孔中；第五，采用拉钩从复合试件的上表面上勾住相互平行的两片格栅，确保格栅稳定，且铝箔保温材料紧密包裹住复合试件侧面。

第3步、通过双通道太阳辐射强度计、试件表面温度计和预埋的温度计，测试照射到试件上表面的强度、从试件表面反射出去的强度、试件内各层混合料内部温度和试件表面温度，并以反射强度与入射强度的比值作为反射率。具体为：

把底面和侧面包裹保温材料的三层混合料复合试件水平放置在户外阳光照射到的位置，在拉钩下方焊接的双孔内插入温度计用于测试近试件温度。在拉钩内放置两个太阳辐射感应器，一个感应器凸面朝上，用于测试太阳入射到复合试件表面的强度，另一个感应器凸面朝下，用于测试由试件表面反射出去的辐射强度。

连接感应器与太阳辐射测量仪，读取太阳辐射的入射值I和反射值R，以a＝R/I作为试件的太阳辐射反射率，读取埋设在试件内部3个温度计的温度，以及近试件表面的温度，作为一组热导效应数据。为了保证数据的有效性，每组数据应在30s内读取记录完毕，数据读取频率为5～10min。

有益效果：(1)本发明通过路面各结构层所用材料比热容的梯度，实现了路面内热量从上至下的传递，有助于降低路面温度，减缓路面高温引起车辙等永久变形；(2)本发明所述方法能够同步测量并分析照射到路表的太阳辐射强度、从路表反射出去的辐射强度、路面内部温度、近路面温度等；(3)本发明的复合试件成型模具、保温夹具和热导效应的测试方法，具有制作方便、操作简便的优势，能够对路面混合料热导效应进行综合、全面的评价。

附图说明

图1为三层复合试件的成型装置的俯视图(a)和侧视图(b)；

图2为复合试件的保温材料夹具的俯视图(a)和侧视图(b)；

图3为固定复合试件侧面保温材料的网状格栅示意图；

图4为复合试件热导效应测试的俯视图(a)和侧视图(b)；

1-底板；2-长侧板；3-短侧板；4-针式温度计；5-螺栓；6-三层复合试件；7-铝箔保温卷材；8-穿孔螺栓；9-网状格栅；10-固定栓；11-拉钩；12-温度计；13-太阳辐射强度感应器；14-反射强度感应器。

具体实施方式

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例1

(1)具有传热方向性的沥青路面结构

热量在不同材料之间的传递速度，除了取决于材料之间的温差之外，还受到材料的导热系数和比热容等因素的影响。对于沥青混合料这一类型的路面材料，由于矿料所占的体积含量较大，一般占混合料总体积的70％，传统的密级配沥青混合料甚至占到了90％以上，因此矿料的导热系数基本决定了混合料的热导系数，或者说很难通过添加剂在较大幅度上改变混合料的导热系数。

与导热系数不同，路面材料的比热容可以通过采用新型的结合料加以改变。本发明设计了聚乙二醇/硅溶胶复合的相变颗粒材料，其粒径范围为0.6mm～1.18mm，用它等体积替代沥青混合料中相同粒径的细集料，能够制成相变沥青混合料。这种混合料在高温条件下会发生相变，从而使其比热容有一定幅度的提高，试验测试表明添加相变颗粒的AC-20在35℃以下比热容为1.625MJ/m³K，在35℃以下发生相变后为1.940MJ/m³K。

此外，本发明还设计了双组份聚氨酯结合料，并用它等体积替代传统沥青混合料AC-25中的沥青结合料，制备出聚氨酯混合料PC-25。PC-25不仅解决了AC-25高温拌合过程中能源消耗大、污染气体多等难题，而且其比热容从AC-25的1.734MJ/m³K大幅提高到2.217MJ/m³K。

以上述发明的两种高比热容的新型路面材料为基础，结合传统低比热容的沥青混合料AC-13，本发明提出了各结构层自上而下比热容逐渐增大的路面结构(4cm厚度AC-13+6cm厚度相变AC-20+8cm厚度聚氨酯PC-25)，这种路面结构的优点在于：在太阳辐射的照射下，表层AC-13首先出现温度升高，此时由于AC-13与下层的温差，热量将从AC-13层向下传递，但由于相变AC-20较大的比热容，导致AC-20层温度上升得较慢，即AC-13层与相变AC-20的层间温差将大于AC-13层与无相变AC-20的层间温差，而温差越大，热量传递越快，有利于上层AC-13的散热，有利于缓解热导效应。

(2)待测热导效应的复合试件成型装置及方法

为了测试路面结构的热导效应，需要成型与路面实际结构相同的三层复合试件6，不仅如此，复合试件在成型过程中需要为后续热导效应的测试提供条件。为此，设计了复合试件的成型装置，它由底板1和三层侧板组成，每层侧板的高度与对应着复合试件中混合料的层厚相同，即上中下层侧板分别高4cm、6cm和8cm。每层侧板均有5块板组成，其中3块为长侧板2，其长度为33cm、宽度为3cm，另外2块为短侧板3，长度分别是15cm和18cm，短侧板3拼装成中间有通孔的侧板，用于复合试件成型过程中插入针式温度计4。下层侧板与底板1之间，相邻侧板之间均采用螺栓5连接。

采用上述装置的复合试件(4cm厚度AC-13+6cm厚度相变AC-20+8cm厚度聚氨酯PC-25)成型方法是：

步骤一，按图1所示用螺栓5装配连接下层侧板与底板1，把拌合均匀的常温聚氨酯混合料PC-25倒入模具内，采用轮碾法压实混合料之后，立即从2块短侧板中间的通孔内向混合料内部水平插入针式温度计4，插入深度为15±1cm，再采用轮碾法压实两次混合料，使其表面不因为温度计的插入而隆起，制成8cm厚度聚氨酯PC-25的单层试件。

步骤二，在室温下放置PC-25至少24h，用螺栓5在下层侧板上加装中层侧板，并且倒入相变AC-20，并在轮碾法压实成型完成前，从中层侧板通孔内水平插入温度计，制成6cm厚度相变AC-20+8cm厚度聚氨酯PC-25的双层试件。

步骤三，室温下至少静置12h，加装上层侧板，并采用与步骤二相同的方法，制成4cm厚度AC-13+6cm厚度相变AC-20+8cm厚度聚氨酯PC-25的三层复合试件6。

(3)复合试件的保温夹具及方法

考虑到复合试件热导效应测试的是试件上表面被太阳照射、辐射在上表面反射及其引起的温度效应，需要剔除试件底面受底板1影响和侧面受太阳辐射影响。为此，本发明对成型后的复合试件去除侧板，在底板1和复合试件之间加铺铝箔保温卷材7，用于阻隔从底板1传递到试件的热量，如图2所示。在试件的4个侧面粘贴铝箔保温卷材7，并使银色铝箔朝外，尽可能的减少太阳辐射，增加反射。此外，为了使保温材料紧密裹覆在试件侧面，在底板1的每条边上，分别拧入一个中间有孔的螺栓8，并采用图3所示的网状格栅9穿过螺栓的通孔，配合固定栓10和格栅顶端的两个拉钩11紧密裹覆试件侧面的保温材料，由此复合试件的底面和4个侧面均紧密裹覆铝箔保温材料，只有试件上表面可以受到太阳辐射作用。

(4)热导效应的测试

把裹覆保温材料的复合试件水平放置到阳光照射到的户外，在拉钩11下方的孔内，插入温度计12，用于测试近试件表面的温度。在拉钩11中间位置的方洞内，放入2个太阳辐射感应器，其中一个为太阳辐射强度感应器13，它的感应凸面朝上，另一个为反射强度感应器14，它的感应凸面朝下。连接感应器和太阳辐射强度计，可以采用一个双通道强度计连接上述两个感应器，也可采用两个强度计分别与两个感应器连接。

以太阳辐射强度感应器13和反射强度感应器14的辐射强度、温度计12和侧面3个针式温度计4的温度等6个数据为一组，每隔5min读取一组，且为了便于分析，各组内6个数据必须在30s内读取完毕。

实施例2

通过试验说明基于比热容差异的方向传热沥青路面结构及其热导效应测试方法：

表1实施例2采用的AC-13、相变AC-20和聚氨酯PC-25

1.不同比热容混合料的制备

(1)下面层聚氨酯混合料PC-25

以异氰酸酯为A组分，以聚醚多元醇和季戊四醇的混合物为B组分，两组分按32:68质量比例混合后，制成PC-25所用的聚氨酯结合料。PC-25的矿料采用石灰岩，填料为石灰岩磨细的矿粉，采用表1中的级配。把聚氨酯结合料与矿料在室温下按4.2:100质量比拌合均匀，制备得到聚氨酯混合料PC-25。测试得到其毛体积密度为2.431g/cm³。

(2)中面层相变AC-20

把分子量为4000的白色片状固体聚乙二醇PEG-4000与无色透明的硅溶胶液体，按质量比为7:10在常温条件下混合，使片状聚乙二醇溶解1h，在60℃水浴内手动搅拌聚乙二醇与硅溶胶混合物5min，得到粘稠凝胶，放入60℃烘箱中24h，取出室温下静置4h后，把相变材料研磨后，采用方孔筛筛分后得到不同粒径的相变颗粒PEG/SiO₂。

为了使添加相变颗粒之后，混合料的级配和结构不会出现变化，把上述相变颗粒统一磨细到0.6～1.18mm粒径范围，并等体积替代表1中AC-20中0.6～1.18mm石灰岩细集料，在沥青用量不变时，制成相变AC-20，其他矿料的性质和来源与PC-25一致。测试得到其毛体积密度为2.383g/cm³。

2.三层复合试件的成型

按图1装配好底板1与下层侧板，下层侧板由5块构成，其中3块为长度为33cm的长侧板2，2块为短侧板3，2块短侧板3拼装后得到中间有孔的1块长侧板2。倒入拌合好的(2.431×30×30×8＝17.5kg)常温聚氨酯混合料PC-25，采用轮碾法压实，在压实完毕前，从侧板通孔内水平插入针式温度计4，插入深度为15±1cm，再通过轮碾法压平PC-25上表面，得到厚度为8cm的PC-25。

在室温下，静置PC-25至少24h后，在下层侧板上安装中层侧板，再固化成型后的PC-25上表面倒入热拌相变沥青混合料AC-20共12.868kg(2.383×30×30×6＝12.868kg)，采用与PC-25相同的碾压方法，得到中间插有针式温度计4的厚度为6cm的AC-20，由此成型完毕双层复合试件(6cm厚度相变AC-20+8cm厚度聚氨酯PC-25)。

室温下静置12h后，再安装上层侧板，并在AC-20的上表面倒入传统的热拌沥青混合料AC-13，经碾压后获得三层复合试件6(4cm厚度AC-13+6cm厚度相变AC-20+8cm厚度聚氨酯PC-25)。

3.热导效应的测试

把三层复合试件6脱模，并裁剪出边长为31cm的正方形铝箔保温卷材7，用于隔开底板1和复合试件。在复合试件的侧面，采用铝箔保温卷材7裹覆，并使银色铝箔朝外，发挥反射光线作用。在底板1上安装4个中间有通孔的穿孔螺栓8，底板每边拧入一个。在每个螺栓内插入网状格栅9，并把固定栓10插入到底板1每边的另一个孔内。把用格栅从侧面夹住裹有保温材料的复合试件，并通过顶部的2个拉钩11，把相互平行的两片格栅夹紧。

把复合试件连同底板1和网状格栅9水平放置到户外，在拉钩11下安装好温度计12和太阳辐射强度感应器13、反射强度感应器14，并采用双通道的辐射强度计连接两个感应器，在30s内读取一组试件外温度计12、太阳辐射强度感应器13、反射强度感应器14的强度、3个试件内针式温度计4，每隔5min读取一次，表2给出了测试结果。

表2热导效应测试结果

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种具有传热方向性的沥青路面，其特征在于，所述路面包括3层，且自上而下结构层比热容逐渐增大；所述路面的上面层为普通沥青混合料，中面层为添加相变颗粒的沥青混合料，下面层为聚氨酯混合料；所述上面层的普通沥青混合料为普通密级配沥青混合料AC-13，比热容为1.652MJ/m³K；所述中面层的添加相变颗粒的沥青混合料为采用0.6~1.18mm的聚乙二醇和硅溶胶相变材料等体积替代沥青混合料中同粒径矿料；所述下面层的聚氨酯混合料是以双组分聚氨酯等体积替代沥青混合料中的沥青结合料制成，其中聚氨酯以异氰酸酯为A组分，以聚醚多元醇和季戊四醇为B组分，两组分混合获得。

2.一种具有传热方向性的沥青路面热导效应的测试方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

第1步、采用逐层铺设逐层碾压的方法，按普通沥青混合料上面层、相变沥青混合料中面层和聚氨酯混合料下面层成型长方体状的三层复合试件，并在成型过程中在每层混合料的竖向中间位置预埋针式温度计；

第2步、对长方体复合试件的四个侧面和底面粘贴铝箔保温材料，并由网状格栅夹紧，在网状格栅上的拉钩上安装试件表面温度计和两个太阳辐射感应器；

第3步、通过双通道太阳辐射强度计、试件表面温度计和预埋的温度计，测试照射到试件上表面的强度、从试件表面反射出去的强度、试件内各层混合料内部温度和试件表面温度，并以反射强度与入射强度的比值作为反射率；

所述长方体状的三层复合试件通过模具轮碾成型，模具包括了底板和三层侧板，每层侧板由3块长侧板和2块短侧板组成，短侧板的一边有半圆形缺口，2块短侧板拼装成一块中间有通孔的长侧板；

所述两个太阳辐射感应器，其中一个感应凸面向上，测试太阳辐射的入射强度；另一个感应凸面向下，测试反射强度；

所述第3步中的测试频率为5～10min一组，每组在30s内测试完成。