CN114460132B - 一种沥青混合料相变调温评价系统以及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及沥青混合料调温评价系统和评价方法，设备简单、成本低，装配容易，并且方法简便、无需复杂运算，能直接反应出温度变化时，沥青路面材料即时的调温性能；以及考虑到沥青混合料在路面中的实际应用状态，本发明测评系统和方法完全将车辙对沥青路面的影响这一因素考虑在评价系统和方法中，能够全面地、真实地反映沥青混合料在服役应用中的相变调温功能。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，具体涉及一种沥青混合料相变调温评价系统以及方法。
背景技术
目前国内外路用材料主要以沥青材料铺设路面为主，用到的沥青混合料由于会掺杂一些添加剂，因此具有一定的调温功能。而近几年，为了克服极端天气的影响，目前很多的沥青混合物都加入了相变材料来改善路面的相变调温性能。相变材料是一种随温度变化而改变形态并提供潜热，在相变过程中以潜热形式储存或释放热量的物质。当达到材料自身的相变温度即可触发储能放热过程，通过储能放热可以显著减小材料的温度变化幅度，具有节能减排和改善路面结构温度分布的功能，从而提高结构强度和耐久性。
例如CN101029216A一种复合相变降温沥青路面材料本发明为一种自调温公路相变材料及生产方法，主要应用于公路、城市道路等领域。它采用复合新工艺，生成一种新物质。该物质利用具有两元相变调温机理，具有较大潜热值，通过蓄能介质相变对太阳能储释，调控路面温度，避免路面冬季霜冻安全隐患和冰冻产生裂缝，提高道路行使安全性；夏季路面温度过高，削减热应力及雨水爆击对路面损害，有效延长道路寿命。
另外CN106517894A公开了一种交通路面用相变调温沥青复合材料及其制备方法,该复合材料由集料、基础沥青、复合相变材料、沥青改性料、稳定剂、抗氧化剂制成，沥青改性料由聚乙烯或聚丙烯废料、废旧轮胎粉和介质粉组成，复合相变材料由金属粉和陶瓷基相变材料组成，金属粉由镍粉和铜粉混合而成；所述的陶瓷基相变材料由支撑材料和癸酸制成，支撑材料由高岭土、蒙脱石粘土、锆英石、堇青石细粉、氧化镁微粉和改性纳米二氧化钛、碳化硅细粉、碳酸氢钠和碳酸钙烧结而成。本发明的陶瓷基相变材料可以在其表面包裹一层EVA树脂，进一步减小相变材料固-液转化过程中泄漏问题，提高陶瓷基相变材料的稳定性，进而提高沥青复合材料的相变调温的稳定性。
目前现有技术存在不少在路用材料所用的沥青混合料中加入相变调温材料来改善路面的调温性能，但是关于如何界定沥青混合料相变调温功能的效果并没有相关的国家标准，其相应的检测方法和检测装置也不完备，无法完全体现和评价这种特定条件下的沥青混合料调温的这一功能性。
发明内容
本发明旨在提供一种简便可行、直观的沥青混合料相变调温评价系统和方法，解决现有技术中存在的无法体现和评价调温性能的问题。
目前现有技术没有针对沥青混合料相变调温评价方法，仅有的评价方法一般仅存在对相变材料本身的调温性能的研究中，而且上述方法中比较通用的方法是差示扫描量热法(DSC)，然而把该方法直接用于掺入沥青混合料(大体积)的调温效果测试中并不适用，无法直观地体现出沥青混合物对于相变调温功能的评价功能的好坏。同时上述测试和评价所使用的测试方法比较复杂以及设备成本也高。最重要的是，上述方法完全是静态的，仅能体现相变材料在理想、孤立的状态下的自身的相变性能，但是无法体现沥青混合料这一路面实际应用材料在温度变化；同时沥青混合物经受车辙后，其结构会发生变化(例如开裂，析出有机结晶相等等)，现有技术是无法反映在这种状态下的沥青混合物的相变调温功能。
发明人从评价方法的成本以及简便性出发，考虑到沥青混合料在路面中的实际应用状态，提出一种简便、直观的沥青混合料相变调温评价方法，能直接反应出温度变化时，沥青即时的调温性能；以及完全将车辙对沥青路面的影响这一因素考虑在评价体系中，能够全面地、真实地反映沥青混合料在服役应用中的相变调温功能。
具体的，本发明第一方面提供一种沥青混合料相变调温评价系统，包括如下部件：
保温保压的腔室，所述腔室上方连接流体入口，底端连接流体出口；
所述腔室里内壁顶端安装温度控制器，调控腔室的环境温度；所述腔室悬挂安装测温探针II，监测腔室环境温度；
所述腔室底端设置载物台，所述载物台上表面固定安装测试样品；测温探针I与所述测试样品接触；同时，腔室靠底端固定安装标准样品，测温探针III与所述标准样品接触；
所述测试样品上方设置车辙轮，所述车辙轮由升降装置以及转动装置控制；
所述测温探针I、测温探针II、测温探针III连接腔室外的温度集成测试装置，进行数据收集、处理。
在一些优选的实施例中，进一步的，还包括超临界流体单元，所述超临界流体单元通入流体入口与腔室连通。
在一些优选的实施例中，进一步的，所述超临界流体单元包括流体瓶、流体开关阀、泵、压缩机。
设置超临界流体单元的意义在于，用来处理测试时样品表面的开裂或磨损时裸露的粘结剂、添加剂或析出结晶物的干扰。在车辙试验中或完成后，在测试之前，需要观察测试表面形貌，如果存在上述明显的异物需要先通过超临界流体样品表面的异物进行清洗、萃取或整理，使测温探针接触时，排除这些异物对测试的精度干扰，更能反映沥青混合料的本征特征。
在一些优选的实施例中，所述测温探针I、测温探针II、测温探针III连接通过通信实现远程连接。
在一些优选的实施例中，所述测温探针II个数为2个以上，所述测温探针I、测温探针III根据具体需要，每组探针的数量为1-2个。
在一些优选的实施例中，在测试试样的两端的对称处设置数量相同所述测温探针II。
在一些优选的实施例中，所述腔室的壁是由绝热保温、抗压的玻璃陶瓷组成。
本发明第二方面提供一种沥青混合料相变调温评价方法，该方法包括以下步骤：
1)检查所有单元，固定安装沥青试样，测温探针安放至设定位置，开启所有测试装置的开关；
2)首先温度控制器设定终点温度，控制升温或降温速率为1.0℃/min，腔室内环境温度开始升温或降温；
3)升温过程中，两个测温探针II每隔1min分别测定一次腔室内环境温度，当两个测温探针II得到温度数据没有温差为0时，温度集成测试装置记录该温度数据，得到即时环境温度Tii；
4)测温探针I以及测温探针III开始测温，测温探针I得到的数据记作Ti，测温探针III得到的数据记作Tiii，温度集成测试装置记录上述数据的温差ΔTn，n为1，2，3…；
5)每升温1℃，循环重复运行步骤3)和4)，得到ΔT1，ΔT2，ΔT3，ΔT4，ΔT5，ΔT6，……；直至ΔTn为0，终止测温；
6)温度集成测试装置导出数据，生成表格和/或图表。
在一些优选的实施例中，当模拟车辙试验时，将车辙轮降至接触测试试样上表面，设置压力值，开启压力装置；同时设置转动装置，车辙轮在测试试样表面做循环反复地碾压平移。
在一些优选的实施例中，进一步地包含，使用超临界流体处理所述测试试样。
相比现有技术，本发明具有如下的技术效果：
本发明的沥青混合料调温评价系统和评价方法，设备简单、成本低，装配容易，并且方法简便、无需复杂运算，能直接反应出温度变化时，沥青路面材料即时的调温性能；以及考虑到沥青混合料在路面中的实际应用状态，本发明测评系统和方法完全将车辙对沥青路面的影响这一因素考虑在评价系统中，能够全面地、真实地反映沥青混合料在服役应用中的相变调温功能。
附图说明
附图1为本发明沥青混合料相变调温评价系统的组成部件示意图。
附图2为本发明包含超临界流体单元的沥青混合料相变调温评价系统的组成部件示意图。
附图3为本发明超临界流体引入后沥青混合料相变调温评价系统腔室内的组成部件示意图。
附图4为本发明沥青混合料相变调温评价系统的模拟车辙实验时的组成部件示意图。
图5为沥青混合料样品升温过程生成的温度以及温差曲线。
图6为沥青混合料样品车辙实施后升温过程生成的温度以及温差曲线。
其中上述附件中的部件标示如下：
流体瓶 202
流体开关阀 204
泵 206
压缩机 208
流体入口 210
流体出口 212
温度控制器 214
车辙轮 216
测试试样 218
载物台 220
测温探针I 222
温度集成测试装置 224
测试探针II 226
标准试样 228
测温探针III 230
具体实施方式
在下文中更详细地描述了本发明以有助于对本发明的理解。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“另一个实施例”等的描述意指结合该实施例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
本发明沥青混合料相变调温评价方法所用的装置系统的组成部件示意图如图1所示，所示部件和连接关系仅为示意，同时有些部件未示出。典型的，评价测试系统包括：
一保温保压的腔室，所述腔室上方设置流体入口210，底端设置流体出口220，该多功能腔室是实现本发明沥青混合料相变调温评价系统功能的核心组件，其壁由绝热保温、具有一定抗压强度的材料组成，优化陶瓷玻璃，同时具有一定的化学稳定性，例如氧化铝基、氧化锌基的陶瓷玻璃。
一温度控制器214，用作调控腔室的环境温度，安装所述腔室里的内壁顶端。该温度控制器用作控制腔到内温度，提供测试时的所需温度，温度控制范围为-30-50℃，其内部含温度传感、通信等模块。
一测试样品218以及载物台220，用作测试样品的固定。载物台220安装在腔室底部，优选选择水泥砌成，载物台上表面安装几个限位块及夹具(未示出)用来固定测试样品218。测试样品218优选为长方形、片状的沥青混合料试样。
一标准试样228，用作测试样品218的对比参照物。该标准试样228也为沥青混合料制成，但作为参照标准，不掺入相变材料。该标准试样228采用直接固定，例如用螺钉或铰链的方式放置在腔室内。
一车辙轮216，用作施加模拟测试样品218表面所受的压强以及作用力。该车辙轮216闲置时设置在所述测试样品218的正上方50cm处。该车辙轮216由压力装置以及转动装置传动控制(未示出)，因此其可以沿垂直方向施加压力作用于测试样品218的表面，以及同时其可以沿水平作滚动。
若干测温探针。三组不同功能的测温探针。测温探针I用作测试测试样品的温度，测温探针III用作测试标准样品的温度。上述两组探针为针头长度超过10cm的固相测温探针，测试时需要将其针头插入沥青样品内部。测温探针II为气相测温探针，用来测试腔室的环境温度，并且测温探针II是悬挂安装在腔室内，是能够在腔室内移动的，动态地测试腔室内不同坐标处的环境温度，保证测试的准确性。三组探针都具有抗干扰能力强，测试结果准确率高的特点。上述三组测温探针I、测温探针II、测温探针III都连接，优选远程通信连接腔室外的温度集成测试装置，进行数据收集、处理。该温度集成测试装置，具有数据接收、数据处理、运算、优化、输入的功能。
另外根据具体需要，设置一超临界流体单元，用来处理测试时样品表面的开裂或磨损时裸露的粘结剂等添加剂的干扰。本发明包含超临界流体单元的沥青混合料相变调温评价系统实施例的组成部件示意图，如附图2所示。除了图1实施例1的腔室各部件外，本实施例还包括超临界流体单元，该超临界流体单元，包括流体瓶202，流体开关阀204，泵206，压缩机208，其中阀控制流体的引入或关闭，泵提供流体进入管道的动力，压缩机用作控制流体的临界状态压力。本发明中，优先选择二氧化碳超临界流体，利于其对沥青试样裸露表面出现的粘结剂或表面活性剂等有机物进行清洗(萃取)，排除测温探针的测温干扰，更真实地反映沥青样品的温度。该超临界流体单元通过流体入口210将超临界流体引入腔室。
本发明超临界流体引入后，沥青混合料相变调温评价系统腔室内的组成部件如附图3所示。根据沥青表面裸露的具体情况，从流体入口210通入超临界流体，设置好温度和压力，保温保压5-10min，打开流体出口212进行放气泄压，再进行后续的测试，数据收集。
本发明沥青混合料相变调温评价系统的模拟车辙实验时的实施例，组成部件如图4所示。通过传动装置，垂直方向上将车辙轮216下移至接触试样表面，然后通过压力装置，设置具体的压力值，一般为0.5-1.0MPa，轮开始向下向测试样品施加压力；然后再开启转动装置，车辙轮216开始在水平方向来回滚动，模拟车辙试验。
上述本发明的沥青混合料相变调温评价系统的装置，无需复杂的装置，例如DSC；简单地利用热电偶探针获得温度相关的数据，可以直观地体现沥青混合料的调温功能。
上述本发明的沥青混合料相变调温评价的测试系统也能够在本领域技术人员理解内进行常规的功能替换或改进。
下面对沥青混合料相变调温的评价方法，用下面具体的试样测试来作介绍。选取的沥青混合物样品为掺入了CaCl2·6H2O水合盐相变材料的沥青混合物。CaCl2·6H2O是沥青混合料用作沥青路面的常见的相变材料。路用沥青混合料试样制作过程如下：
将粗集料、细集料、填料、以及复合相变材料CaCl2·6H2O(粉煤灰为其载体)、沥青按一定质量比例热拌而成，各原材料所占质量百分数为：粗集料80份，细集料20份，填料10份，相变材料10份，沥青7份，加热温度155℃，搅拌得沥青路面材料，在模具内进行浇注后，得到片状的测试试样。标准沥青混合物试样由除了未含复合相变材料，其它成分以及工艺相同；也可以直接通过购买获得标准沥青混合物样品。
具体的沥青混合料相变调温功能的评价方法包括如下步骤：
1)检查所有单元，固定安装沥青试样，测温探针安放至设定位置，开启所有测试装置的开关；
2)首先温度控制器214设定终点温度，控制升温或降温速率为1.0℃/min，腔室内环境温度开始升温或降温；
3)升温过程中，两个测温探针II每隔1min分别测定一次腔室内环境温度，当两个测温探针II得到温度数据没有温差为0时，温度集成测试装置224记录该温度数据，即时环境温度Tii；
4)测温探针I以及测温探针III开始测温，测温探针I得到的数据记作Ti，测温探针III得到的数据记作Tiii，温度集成测试装置224记录上述数据的温差ΔTn，n为1，2，3…；
5)每升温1℃，循环重复运行步骤3)和4)，得到ΔT1，ΔT2，ΔT3，ΔT4，ΔT5，ΔT6，……；直至ΔTn为0，终止测温；
6)温度集成测试装置224导出数据，生成表格和/或图表。
同样地，当模拟车辙试验时，将车辙轮216降至接触测试试样上表面，设置压力为0.7MPa，开启压力装置；同时设置转动装置，车辙轮会在测试试样表面做循环反复的平移。设定平移次数分别为5000，10000，15000，20000后，按照之前的测试评价方法，测试车辙实验后的数据。
在车辙试验中或完成后，在测试之前，需要观察测试表面形貌，如果存在明显的异物，例如添加剂、粘结剂或析出物，这时需要先通过超临界流体样品表面的有机添加剂进行清洗、萃取、整理，使测温探针接触时，排除这些异物对测试的精度干扰。
具体操作的实施例时，接入超临界流体单元：打开流体瓶202和流体开关阀204，流体由泵206引入腔室内。在进入腔室前，根据具体需要，对超临界流体的压力，通过压缩机208进行调整。配合温度和压力调整，使经过流体入口210的超临界流体具有足够的动能，快速到达试样表面进行清洗。该实施例选择超临界二氧化碳，作为流体。处理时间选择5min即可。
对于本发明实施例沥青混合料相变调温(在高温升温状态下)评价，得到数据以及生成的图表如下。
表1
生成的温度以及温差曲线如图5所示。
同样重要的，本发明还能够对测试试样进行车辙模拟实验(标准试样样为经受过同样车辙实验的样品)，车辙次数达到10000次后，(根据需要，可以灵活选择先引入超临界流体进行处理样品)，执行上述的评价方法，得到的数据为表2。
表2
经受过车辙压力的样品，生成的温度以及温差曲线如图6所示。
可以看出，本发明对沥青混合料相变调温评价系统和方法，对比标准试样的温度，得到的表格和图表能直观地表示出在高温天气或地区，相变沥青混合料的调温性能的表现，例如调温的起始温度、拐点及终止温度，同时也能直观地反映出相对标准空白试样，相变沥青混合料能获得的具体温差；更重要的是，该评价系统和方法能够对车辙试验疲劳后的沥青混合料进行评价，这更有利于指导施工人员在选择相变材料时的标准。本发明的沥青混合料相变调温评价系统和方法，所需要的设备以及运行方法简便直观且有效，能够克服现有技术中存在的复杂且测量不精确的不足。
以上描述了本发明优选实施方式，然其并非用以限定本发明。本领域技术人员对在此公开的实施方案可进行并不偏离本发明范畴和精神的改进和变化。
Claims (9)
1.一种沥青混合料相变调温评价系统，包括如下部件：
保温保压的腔室，所述腔室上方连接流体入口，底端连接流体出口；
所述腔室里内壁顶端安装温度控制器，调控腔室的环境温度；所述腔室悬挂安装测温探针II，监测腔室环境温度；
所述腔室底端设置载物台，所述载物台上表面固定安装测试样品；测温探针I与所述测试样品接触；同时，腔室靠底端固定安装不掺入相变材料的标准样品，测温探针III与所述标准样品接触；
所述测试样品上方设置车辙轮，所述车辙轮由升降装置以及转动装置控制；
所述测温探针I、测温探针II和测温探针III连接腔室外的温度集成测试装置，进行数据收集和处理；
所述沥青混合料相变调温评价系统还包括超临界流体单元，所述超临界流体单元通入流体入口与腔室连通，超临界流体对样品表面的异物进行清洗、萃取或整理。
2.根据权利要求1所述的一种沥青混合料相变调温评价系统，其特征在于，所述超临界流体单元包括流体瓶、流体开关阀、泵和压缩机。
3.根据权利要求1所述的一种沥青混合料相变调温评价系统，其特征在于，所述测温探针I、测温探针II和测温探针III连接通过通信实现远程连接。
4.根据权利要求1所述的一种沥青混合料相变调温评价系统，其特征在于，所述测温探针II个数为2个以上，所述测温探针I和测温探针III根据具体需要，每组探针的数量为1-2个。
5.根据权利要求1所述的一种沥青混合料相变调温评价系统，其特征在于，在测试样品的两端的对称处设置数量相同所述测温探针I。
6.根据权利要求1所述的一种沥青混合料相变调温评价系统，其特征在于，所述腔室的壁是由绝热保温且抗压的玻璃陶瓷组成。
7.如权利要求1-3或5-6任一系统执行的一种沥青混合料相变调温评价方法，该方法包括以下步骤：
1）检查所有单元，固定安装沥青试样，测温探针安放至设定位置，开启所有测试装置的开关，其中测温探针II设置为两个；
2）首先温度控制器设定终点温度，控制升温或降温速率为1.0°C/min，腔室内环境温度开始升温或降温；
3）升温过程中，两个测温探针II每隔1min分别测定一次腔室内环境温度，当两个测温探针II得到温度数据没有温差为0时，温度集成测试装置记录该温度数据，得到即时环境温度；
4）测温探针I以及测温探针III开始测温，测温探针I得到的数据记作T i ，测温探针III得到的数据记作，温度集成测试装置记录上述数据的温差/> ，n为1，2，3…；
5）每升温1°C，循环重复运行步骤3）和4），得到 ……；直至/>为0，终止测温；
6）温度集成测试装置导出数据，生成表格和/或图表。
8.根据权利要求7所述的一种沥青混合料相变调温评价方法，其特征在于，当模拟车辙试验时，将车辙轮降至接触测试样品上表面，设置压力值，开启压力装置；同时设置转动装置，车辙轮在测试样品表面做循环反复地碾压平移。
9.根据权利要求7所述的一种沥青混合料相变调温评价方法，其特征在于，进一步地包含，使用超临界流体处理所述测试样品。
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