CN109001251A - 一种用于降低沥青混合料表层温度的物理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于降低沥青混合料表层温度的物理方法，根据热流传感试验法制备全厚式车辙试件，在试件内埋设温度传感器、热流传感器和迂回式布置的无缝钢管，温度传感器分别距20mm、40mm、60mm、80mm，热流传感器埋设在中间段钢管外壁，钢管距试件表面80mm；集热时采用2×275W的红外灯作为辐照光源，红外灯中心间距56.5cm，红外灯中心距离试件表面30cm；首先模拟路面升温后冷却过程，并测量相应各测点的温度和热流密度的变化；其次模拟路面升温与通水冷却同时进行的过程，并测量相应各测点的温度和热流密度的变化，利用折线图比较先辐射后通水和辐射通水同时进行这两种降温方法的温度和热流变化趋势，得到两种工况降温的较佳方法。
Description
技术领域
本发明属于道路工程材料技术领域，具体涉及一种用于降低沥青混合料表层温度的物理方法。
背景技术
由于沥青混合料具有平整度高、连续性好、行车跳动小、工期短和养护维修方便等优点，所以其被广泛应用。近年来，沥青路面的应用更是持续增长，特别是高等级沥青路面的增长。但是，随着全球气候变暖，全球气温不断升高，沥青路面温度也随之不断升高，再加上交通量不断增加，就造成严重的车辙等病害，严重影响道路的使用性能。目前，道路工作者专注于如何降低沥青路面的温度，怎样提高路面的高温稳定性等方面的研究。因为沥青混合料是粘弹性材料，所以，它对温度等比较敏感。随着全球气候变暖的趋势，很多地区夏季温度高达75℃。气温的升高直接导致沥青路面温度的升高，热量在沥青路面结构中不断积累，甚至可能高于路表面的温度，这将会造成严重的车辙等病害，影响沥青路面的舒适度及安全度，严重降低了沥青路面的使用年限。
沥青混合料高温稳定性是混合料在荷载作用下抵抗永久变形的能力，是评价混合料性能的重要指标。沥青路面需要保持良好的高温稳定性，即在高温时节具有良好的抗车辙能力和抗行车水平荷载推挤的能力，不至于产生车辙、拥包、波浪、推移等病害。沥青路面早期损害的病害中车辙变形就是其突出的表现,为此高温性能的试验研究是混合料设计的关键技术之一。无论沥青路面产生车辙的潜在原因如何，沥青路面产生车辙肯定是少不了环境温度的作用。全球气候变暖，气温不断升高，沥青路面温度也不断升高，当温度达到沥青混合料软化点的时候，沥青路面自然就会产生车辙。目前，温度的不断升高是道路工作者一直在致力于解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可用于降低沥青混合料表层温度的物理方法，基于自行开发的热流传感试验法，比较先辐射后通水和辐射通水同时进行这两种工况下温度、热流密度的变化趋势，确定路面最佳的降温方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种用于降低沥青混合料表层温度的物理方法，包括以下步骤：
步骤一：制备全厚式沥青混合料车辙试件(300mm×300mm×150mm)；
步骤二：在试件内埋设4个温度传感器、1个热流传感器和1根S型无缝钢管，S型无缝钢管由两个弯头和3个平行直管组成，温度传感器埋设在试件中间，分别距试件上表面20mm、40mm、60mm和80mm；S型无缝钢管平行设置在距上表面80mm处；热流传感器埋设在S型无缝钢管的中间直管的外壁，并与距上表面80mm处设置的温度传感器紧邻，采用JXJ-Ⅰ型高精度温度热流巡检仪测量温度、热流密度数据，该巡检仪具有12通道的温度测量模块和6通道的热流密度测量模块，可实时采集和存储温度、热流密度数据，数据采集间隔可自行设置；
步骤三：待试件冷却24h后，采用辐射光源对所述试件进行加热，采用2×275W的红外灯作为辐照光源，红外灯中心间距56.5cm，红外灯中心距离试件表面30cm；
步骤四：首先模拟路面升温后冷却过程，即加热待温度稳定后通水冷却，并每间隔2min测量相应各测点的温度和热流密度；
步骤五：其次模拟路面升温与通水冷却同时进行的过程，即辐射和通水同时进行，并每间隔2min测量相应各测点的温度和热流密度；
步骤六：将采集的温度和热流密度的数据利用EXCEL画成折线图，比较这两种工况下各测点的温度、热流密度的变化趋势，确定两种工况较佳的降温方法及最佳的通水时间，即得到降低沥青混合料表层温度的最佳方案。
与现有技术相比，本发明具有以下有优点：
本发明采用自行开发的热流传感试验法，为提高沥青混合料的高温稳定性、延长道路使用寿命提供了新的解决思路。
附图说明
图1为本发明所述的热流传感试验法示意图。
图2为本发明所述的换热管道(无缝钢管)埋设示意图。
图3为本发明所述沥青混合料采用AC-5的级配曲线图。
图4为本发明所述沥青混合料采用AC-10的级配曲线图。
图5为本发明所述沥青混合料采用AC-20的级配曲线图。
图6为先辐射后通水AC-5级配试件温度变化情况。
图7为辐照通水同时进行AC-5级配试件温度变化情况。
图8为先辐照后通水各试件热流密度变化情况。
图9为辐照通水同时进行各试件热流密度变化情况。
具体实施方式
本发明拟在国内外研究基础上，研究出一种用来降低夏季路面表面温度及提高路面高温稳定性的方法，降低环境温度对路面的影响，减少及拒绝路面车辙的产生，提高路面的抗车辙能力和抗行车水平荷载，最终达到提高路面的行车安全及使用年限的目的。
通过在车辙试件内埋设温度传感器、热流传感器和换热管道，设计出热流传感试验法，利用JXJ-Ⅰ型高精度温度热流巡检仪测量每2min间隔时间内温度、热流密度的数据，分析温度和热流密度的变化趋势。
本发明为保证辐射光源的逼真性，采用2×275W的红外灯作为辐照光源，红外灯中心间距56.5cm，红外灯中心距离试件表面30cm。用红外热像仪测量某工况下试件接受辐射后的表面温度分布，最高温度100℃左右，平均温度84℃。
本发明试件制备是根据以下指标设计的：
(1)原材料
原材料主要包括粗集料、细集料、矿粉、SBS改性沥青以及导热相填料石墨(用于改善沥青混合料的导热性能)。粗集料和细集料均为镇江茅迪石灰岩，矿粉为石灰岩矿粉，石墨为天津市登科化学试剂有限公司生产的石墨粉。各原材料的性能指标如表1～表5所示。
表1 SBS改性沥青性能指标
表2粗集料性能试验结果
表3细集料性能指标
表4石灰岩矿粉性能测试结果
表5石墨的主要性质
(2)试件制备所用级配
为评价不同级配沥青混合料对沥青混合料表层温度的影响，本发明采用了AC-5、AC-10、AC-20三种具有不同最大公称粒径的级配，其结果如分别如图3～5所示。
实施例：
1、制备全厚式车辙板试件(300mm×300mm×150mm)需要三个5cm车辙板模具和两个3cm车辙板模具，且模具四周钻孔以便传感器从孔内穿出(防止车辙仪压实时热流传感器和温度传感器被切断)。整个试件由第一试件、第二试件、第三试件和第四试件组成，第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器的埋设位置分别为整个试件距上表面2cm、4cm、6cm、8cm处。
首先制备8cm高的第一试件，并下挖1cm在第一试件内部埋设S型无缝钢管，其中，S型无缝钢管由两个弯头和3个平行直管组成，三个平行直管的间距为100mm，布置图如图2所示。在第一试件中间段直管外壁埋设热流传感器和第四温度传感器，车辙仪正面压实3下，反面压实13下(击实时需固定好传感器和换热管道的位置，避免移位下沉)，随后静置24h；24h后按照同种方法制备2cm高的第二试件，在第二试件中间位置埋设第三温度传感器，车辙仪正面压实3下，反面压实13下；然后制备3cm高的第三试件，在第三试件中间位置埋设第二温度传感器，车辙仪正面击实3下，反面击实13下；最后制备2cm高的第四试件，在第四试件中间位置埋设第一温度传感器，车辙仪正面击实3下，反面击实13下；至此全厚式车辙板试件制备完成，正视图如图1所示，静置24h待温度恒定后开始进行测量试验。
2、采用2×275W的红外灯作为辐照光源；采用自制的试验台架，是用来安装辐射光源的专用灯架，可通过调整灯架支撑的高度来使得辐照尽量均匀。首先模拟路面升温后冷却过程，即加热待温度稳定后通水冷却，仪器调至每2min时间间隔测量相应各测点的温度和热流密度的变化，通水待温度稳定后结束试验；其次模拟路面升温与通水冷却同时进行的过程，即辐射和通水同时进行，待温度稳定后结束试验，每隔2min取各测点的温度和热流密度。试验过程中控制室温为21±0.5℃，换热介质(自来水)的温度为19±0.5℃。
3、至此已经得到了两种工况下试件每2min间隔时间内各测点的温度和热流密度的变化情况，从巡检仪中导出数据，利用EXCEL画出温度和热流密度变化的折线图(如附图6、附图7、附图8和附图9所示)，根据折线图比较先辐射后通水和辐射通水同时进行时温度和热流密度的变化趋势，确定通水的最佳时间，以及确定采用何种降温方法。
根据图6-图9的试验数据分析可知：
(1)无论是先辐射后通水还是辐射通水同时进行，试件温度都会趋于一个稳定值。先辐射后通水工况下，试件表层温度在通水的瞬间下降较快，随后下降就较为缓慢；辐射通水同时进行工况下，试件表层温度没有突然下降的情况，温度一直都是平缓上升。在测量开始7h后，辐射通水同时进行的试件表层温度小于先辐射后通水的试件表层温度，所以，辐射通水同时进行这种降温方法优于先辐射后通水这种降温方法。
(2)无论是先辐射后通水还是辐射通水同时进行，试件热流密度都会趋于一个稳定值。先辐射后通水工况下，在通水瞬间，由于换热管道内部温度突然降低而混凝土温度较高，两者会形成一个较大温度差，热流会突然上升，通水过程持续进行，热流密度逐渐下降，这是由于混凝土温度下降，与钢管内部的温度相差越来越小，因此热流密度也持续下降直至趋于稳定；辐射与通水同时进行时，三种级配试件的热流密度随时间而逐渐增大，由于管道温度与混凝土温度相差不大，两者的温度梯度较小，所以热流密度并没有突变的现象，而是随着时间缓慢增加，最后趋于稳定。
Claims (7)
1.一种用于降低沥青混合料表层温度的物理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：制备全厚式沥青混合料车辙试件，在试件内埋设4个温度传感器、1个热流传感器和3根S型无缝钢管，其中，S型无缝钢管由两个弯头和3个平行直管组成，温度传感器埋设在试件中间，分别距试件上表面20mm、40mm、60mm和80mm；热流传感器埋设在S型无缝钢管的中间直管的外壁，并与距上表面80mm处设置的温度传感器紧邻；S型无缝钢管平行设置在距上表面80mm处；
步骤二：待试件冷却24h后，采用辐射光源对所述试件进行加热，采用2×275W的红外灯作为辐照光源，红外灯中心间距56.5cm，红外灯中心距离试件表面30cm；
步骤三：测定两种工况下各测点的温度、热流密度的变化趋势，其中，一种工况为模拟路面升温后冷却过程，即辐射加热待温度稳定后再通入换热介质冷却，另一种工况为模拟路面升温与通换热介质冷却同时进行的过程，即辐射加热和通入换热介质冷却同时进行，每间隔2min测量相应各测点的温度和热流密度；
步骤四：将采集的温度和热流密度的数据画成折线图，比较这两种工况下各测点的温度、热流密度的变化趋势，确定两种工况下较佳的降温方法及最佳的通水时间。
2.如权利要求书1所述的方法，其特征在于，车辙试件的规格为300mm×300mm×150mm。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，S型无缝钢管的3个平行直管之间的间距为100mm。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，无缝钢管的外径20mm，内径16mm。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，红外灯单个功率为275W，尺寸为h174mm×φ125m。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用水泵驱动换热介质，所述水泵额定最大流量为3.2L/min，最大压力0.1MPa，计量精度±1.0%。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用AC-5、AC-10、AC-20三种级配。
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