CN111678943B - 一种沥青混凝土热学性能参数的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种沥青混凝土热学性能参数的测试装置及测试方法，包括试样槽、加热组件、冷却系统和温度控制系统；试样槽两侧均安装有冷却系统，冷却系统均包括冷却板、进水管和出水管，冷却板安装于试样槽槽壁，冷却板的两端依次与进水管和出水管连通；所述加热组件安装于试样槽内，加热组件包括主加热板、保护加热板和铜板，铜板设置于试样槽，铜板表面附有主加热板，且铜板四周设有保护加热板；试样槽内放置沥青混凝土试样。本发明首先提供一种考虑了瞬态热量交换的热学性能参数的测试装置，其次基于试验装置提出一种相关热力学性能参数的计算方法，对于了解材料的热力学性能参数以及考虑热量交换的温度分布模型的建立具有十分重要的意义。

Description

一种沥青混凝土热学性能参数的测试方法

技术领域

本发明涉及一种材料测试技术，具体涉及一种沥青混凝土热学性能参数的测试方法。

背景技术

沥青作为一种胶凝材料在路面混凝土中得到了广泛的应用。沥青混凝土路面在实际使用中表现出粘弹性，其中一个重要原因是组成沥青分子的弱化学键容易受到温度的影响，沥青混凝土路面温度的变化对其在荷载以及热应力作用下的性能和使用寿命具有重要的影响。我国地域面积广，大部分区域四季温度变化明显，了解沥青混凝土路面的温度分布有利于路面的养护，对于冬季路面的除冰与防冰工作也具有十分重要的意义。因此，为建立科学合理的路面温度分布预测模型，有必要对沥青混凝土的热学特性进行研究。

目前，大部分的研究是针对稳态温度分布下的路面开展的，但稳态温度下路面的的温度分布模型难以在实际工程中得到应用。路面处在暴露的条件下，其所处的环境往往会随机变化，与此同时路面也会不断的进行温度交换。

因此，对沥青混凝土在温度场中的瞬态模拟对于导热系数、热扩散系数等热学参数的测量具有十分重要的实际应用价值。基于此，一种科学有效的沥青混凝土热学性能参数的测试装置和方法亟待开发。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种沥青混凝土热学性能参数的测试装置及测试方法。

技术方案：本发明的一种沥青混凝土热学性能参数的测试装置，包括试样槽、加热组件、冷却系统和温度控制系统；所述试样槽两侧均安装有冷却系统，冷却系统均包括冷却板、进水管和出水管，冷却板安装于试样槽槽壁，冷却板的两端依次与进水管和出水管连通；所述加热组件安装于试样槽内，加热组件包括主加热板、保护加热板和铜板，铜板设置于试样槽，铜板表面附有(例如采用焊接方式)主加热板，且铜板四周设有保护加热板；试样槽内放置沥青混凝土试样。

为提高测试效率，所述铜板将试样槽隔成两个子空间，两个子空间内均可以放置沥青混凝土试样，每个子空间内的沥青混凝土试样均与对应的主加热板、保护加热板以及冷却板接触，且在放置沥青混凝土试样时，沥青混凝土试样与加热板、冷却板对齐；主加热板上连接有温度控制系统，通过温度控制系统调整主加热板的温度。

为消除试样边缘的热损失，保护加热板的宽度为25mm，主加热区域为50×50mm的正方形区域(考虑测试过程试件整体受热的均匀性，试件尺寸不宜过大，主加热区域的选择为认为试件受热均匀没有热量损失区域，因此采用50×50mm的正方形区域最优；主加热区域为主加热板减去保护加热板部分的面积；)；为进一步减少沿加热板的热流，铜板上主加热区域四周开设有2×3mm的凹槽。

为减少热损失提高测试精度，所述试样槽内的沥青混凝土试样的下上两侧均设有隔热层(采用耐高温隔热材料制成即可)。

进一步的，所述冷却板整体呈板状且由铜制成，冷却板的一侧与冷却水直接接触，冷却板的一侧与被加热试件直接接触；铜板的使用是为了与两侧试件均能均匀良好的接触，并且其材质具有良好的导热性；主加热板整体通电发热。

本发明还公开一种沥青混凝土热学性能参数的测试装置的测试方法：包括以下步骤：

(1)获得原始相应参数：

沥青混凝土的比热容C由下式计算获得：

式中，λ为导热系数，α为热扩散系数，ρ为密度；

其中导热系数通过下式计算获得：

其中I为主加热板的电流，V为主加热板的电压，d为沥青混凝土试件的厚度，T_s为加热板稳定时的温度值，T_c为冷却板温度值，A为主加热区域面积；

根据固体材料中瞬态势流的傅立叶方程，热扩散系数与其他相关参数具有如下关系：

式中，x为深度；

根据能量平衡准则，主加热板的温度与时间的关系表示为：

式中，m_h为主加热板质量，C_h为主加热板比热容，T_h为t时刻主加热板的温度值，q为主加热板释放的能量，A为主加热区域面积；

(2)将沥青混凝土试样放置试样槽内试验：

在试验开始前，保持沥青混凝土试样、主加热板以及冷却板三者温度一致，记为T_c；随着试验的进行，在达到设定的温度值T_s前，主加热板与沥青混凝土试样温度T_h逐渐升高；在整个试验过程中，冷却板的温度值保持不变为Tc；由此可得式(3)与式(4)的解为：

式中η为系数，其值为：

特征值

为以下方程的根：

将式(7)代入式(5)中可得：

(3)绘制试验温度-时间散点图：

从试验开始时，每隔20s记录一次温度差T_h-T_c，绘制温差-时间散点图；选取一个特征值

代入式(8)中，得到温差-时间变化的理论结果；不断调整特征值/>

直至理论结果与试验结果相吻合；

当特征值

确定时，热扩散系数通过下式计算获得：

有益效果：本发明首先提供一种考虑了瞬态热量交换的热学性能参数的测试装置，而非传统意义上的在某一稳定温度下进行测试的方法；其次基于试验装置提出了一种相关热力学性能参数的计算方法，测得的参数更加贴合实际，可以准确评估材料在实际使用过程的相关性能；对于了解材料的热力学性能参数以及考虑热量交换的温度分布模型的建立具有十分重要的意义。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中加热组件示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，本实施例的一种沥青混凝土热学性能参数的测试装置包括沥青混凝土试样1、加热组件2、冷却系统3、隔热层4以及温度控制系统5。沥青混凝土试样1放置于试验装置的试样槽中，两个试样槽子空间中间为加热板2，两侧均为冷却板3-1，放置时两个沥青混凝土试样均与主加热板2、冷却板3-1对齐；沥青混凝土试样上下均设有隔热层4；冷却板3-1为冷却系统3的一部分，其两端分别与冷却系统3的进水管3-2以及出水管3-3相连；冷却系统3通过水冷降温，与实验室水管相连。

本实施例中，试验所用沥青混凝土试样1通过切割压实的高性能沥青混凝土路面板获得，试样尺寸为100×100×20mm。试验前，在沥青混凝土试样表面均匀的涂上一层薄薄的导电膏，确保沥青混凝土试样与加热组件2、冷却板3-1良好接触。

如图2所示，本实施例的加热组件2包括主加热板2-1、保护加热板2-2以及铜板2-3。加热板组件2的主加热板2-1和保护加热板2-2附于铜板2-3上，保护加热板2-2位于主加热板2-1四周，用于消除试样边缘的热损失；保护加热板2-2的宽度为25mm，在加热组件2上留出50×50mm的正方形主加热区域；为减少沿加热板的热流，铜板2-3的主加热区域四周制有凹槽，截面尺寸为2×3mm。

上述沥青混凝土热学性能参数的测试装置中沥青混凝土试样的热学性能参数的测试方法为：

已知比热容C与导热系数λ、热扩散系数α以及密度ρ之间有：

式中，λ为导热系数，α为热扩散系数，ρ为密度。其中导热系数通过下式计算获得：

其中I为主加热板的电流，V为主加热板的电压，d为沥青混凝土试件的厚度，T_s为加热板稳定时的温度值，T_c为冷却板温度值，A为主加热区域面积。

又由固体材料中瞬态势流的傅立叶方程，可知：

式中，x为深度。

根据能量平衡准则，加热板的温度与时间的关系可以表示为：

式中，m_h为加热板质量，C_h为加热板比热容，T_h为t时刻加热板的温度值，q为加热板释放的能量，A为主加热区域面积。

在试验开始前，保持沥青混凝土试样、加热板以及冷却板三者温度一致，记为T_c。随着试验的进行，在达到设定的温度值T_s前，加热板与沥青混凝土试样温度T_h逐渐升高。在整个试验过程中，冷却板的温度值保持不变为Tc。由此可得式(3)与式(4)的解为：

式中η为系数，其值为：

特征值

为以下方程的根：

将式(7)代入式(5)中可得：

从试验开始时，每隔20s记录一次温度差T_h-T_c，绘制温差-时间散点图。选取一个特征值

代入式(8)中，得到温差-时间变化的理论结果。不断调整特征值/>

直至理论结果与试验结果相吻合。

当特征值确定时，热扩散系数可以通过下式计算获得：

本发明的一种沥青混凝土热学性能参数的测试装置和方法结合了瞬态理论与稳态理论，测量了沥青混凝土试样的导热系数、热扩散系数以及比热容等，有利于温度分布预测模型的建立。

实施例：

通过上述实施例可以看出，本发明能够研究在不同温度下研究沥青混凝土热学特性，避免流体与试样之间的物理接触，降低了其他因素对沥青混凝土热学性能的影响。

Claims (1)

1.一种沥青混凝土热学性能参数的测试方法，其特征在于：采用沥青混凝土热学性能参数的测试装置进行测试，所述沥青混凝土热学性能参数的测试装置包括试样槽、加热组件、冷却系统和温度控制系统；所述试样槽两侧均安装有冷却系统，冷却系统均包括冷却板、进水管和出水管，冷却板安装于试样槽槽壁，冷却板的两端依次与进水管和出水管连通；所述加热组件安装于试样槽内，加热组件包括主加热板、保护加热板和铜板，铜板设置于试样槽，铜板表面附有主加热板，且铜板四周设有保护加热板；试样槽内放置沥青混凝土试样；

所述铜板将试样槽隔成两个子空间，两个子空间内均可以放置沥青混凝土试样，每个子空间内的沥青混凝土试样均与对应的主加热板、保护加热板以及冷却板接触，且在放置沥青混凝土试样时，沥青混凝土试样与加热板、冷却板对齐；主加热板上连接有温度控制系统，通过温度控制系统调整主加热板的温度；

所述保护加热板的宽度为22-25mm，主加热区域为50×50mm的正方形区域；所述铜板上主加热区域四周开设有2×3mm的凹槽；

所述试样槽内的沥青混凝土试样的下上两侧均设有隔热层；

所述冷却板整体呈板状且由铜制成，冷却板的一侧与冷却水直接接触，冷却板的一侧与被加热试件直接接触；

所述的沥青混凝土热学性能参数的测试装置的测试方法：包括以下步骤：

(1)获得原始相应参数：

沥青混凝土的比热容C由下式计算获得：

式中，λ为导热系数，α为热扩散系数，ρ为密度；

其中导热系数通过下式计算获得：

其中I为主加热板的电流，V为主加热板的电压，d为沥青混凝土试件的厚度，Ts为主加热板稳定时的温度值，Tc为冷却板温度值，A为主加热区域面积；

根据固体材料中瞬态势流的傅立叶方程，热扩散系数与其他相关参数具有如下关系：

式中，x为深度；

根据能量平衡准则，主加热板的温度与时间的关系表示为：

式中，m_h为主加热板质量，C_h为主加热板比热容，T_h为t时刻主加热板的温度值，q为主加热板释放的能量，A为主加热区域面积；

(2)将沥青混凝土试样放置试样槽内试验：

在试验开始前，保持沥青混凝土试样、主加热板以及冷却板三者温度一致，记为Tc；随着试验的进行，在达到设定的温度值Ts前，主加热板与沥青混凝土试样温度Th逐渐升高；在整个试验过程中，冷却板的温度值保持不变为Tc；由此得式(3)与式(4)的解为：

式中η为系数，其值为：

特征值为以下方程的根：

将式(7)代入式(5)中可得：

(3)绘制试验温度-时间散点图：

从试验开始时，每隔20s记录一次温度差Th-Tc，绘制温差-时间散点图；选取一个特征值代入式(8)中，得到温差-时间变化的理论结果；不断调整特征值直至理论结果与试验结果相吻合；

当特征值确定时，热扩散系数通过下式计算获得：

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