CN202814902U - 一种沥青混合料导温系数测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种沥青混合料导温系数测试装置，包括至少一台绝热装置，及设置在绝热装置中的试样，所述试样侧设置有热电阻及平面热源，所述热电阻、平面热源分别与数据采集器和恒流电源相连，所述数据采集器分别连接计算机和恒流电源。该装置解决了现有技术中存在的问题，采取非稳态热流法测试沥青混合料导温系数，通过热扩散率或热扩散系数，反映温度不均匀的物体中温度均匀化速度的物理量，利用该测试装置测试沥青混合料物性参数，其测试数据精确，装置使用方便。

Description

一种沥青混合料导温系数测试装置

技术领域

本实用新型涉及一种道路沥青混合料的导温系数非稳态热流法测试设备，特别是一种沥青混合料导温系数测试装置。

技术背景

沥青路面的温度研究，离不开道路材料热物性参数测试，尤其是沥青及沥青混合料热物性参数测试。

沥青混合料是由集料、沥青胶结料、空气、水等组成的多相体，其均匀性较差，结构复杂。对于沥青混合料导温系数的测试，由于没有相关的标准试验方法，目前的测试多为探索性试验，并没有形成完善的体系。大多通过测试试样热物性的其他两个参数导热系数和比热容，并通过密度计算导温系数，其次，便是借鉴其他固体材料的导温系数测试方法。常用的导温系数测试方法有瞬态热线法（介质中置金属加热丝测试样升温及加热时间）、双平板法（将待测试样加在平行平板传热同时测其传热时间及温度变化）等。沥青混合料因其组成特殊性，高温加热时，易引起混合料沥青脱落，孔隙堵塞等不良现象，使混合料结构特性发生变化，响测试结果准确性。同时，沥青混合料的不均匀性及空隙特性使其在传热过程中，整体温度趋于一致耗时较长，因而对传热系统的密封绝热性要求极高。沥青混合料离散性较强，某一试样或试样某一截面不能代表整体，使得所测试样选取必须合理。对测试结果的误差修正也存在困难，难以保证数据的可信度。现有的沥青导温系数都是在较窄的温度范围，借助以上方法的尝试性试验，结果参考性价值较低。

实用新型内容

针对上述沥青混合料导温系数组成特殊性受测试方法限制的不足，本实用新型提供了一种沥青混合料导温系数的测试装置，该装置采用直流电源连通的平面热源对沥青混合料进行合理传热；同时利用数据采集器连接的热电阻对混合料内部温度变化进行测试；整个传热体系在绝热系统中进行。该装置适合沥青混合料在工作温度下的导温系数测试，解决了现有技术不足。

本实用新型的目的是通过下述技术方案来实现的。

一种沥青混合料导温系数测试装置，包括至少一台绝热装置，及设置在绝热装置中的试样，所述试样侧设置有热电阻及平面热源，所述热电阻、平面热源分别与数据采集器和恒流电源相连，所述数据采集器连接计算机和恒流电源。

进一步的，所述绝热装置中放置有若干个试样，对应各个试样间分别设置有对应的热电阻。

进一步的，所述数据采集器通过并联一电阻RS连接恒流电源和试样中的热电阻。

与现有的结构相比，本实用新型具有以下技术效果：

1）该测试装置结构简洁，易于显现，采用直流电源连通的平面热源对沥青混合料进行合理传热，同时利用数据采集器连接的热电阻对混合料内部温度变化进行测试。试验原理简单易懂，结果计算可以借助计算机软件实现，使试验更加高效。

2）试验采用三块叠置试样，重点测试中间试样温度变化，上下两块试样保护中间试样温度场分布，能更真实模拟混合料内部热量传导及温度分布。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做具体说明如下：

如图1所示，一种沥青混合料导温系数测试装置，包括至少一台绝热装置1，及设置在绝热装置1中的试样2，所述试样2侧设置有热电阻4和平面热源3，所述热电阻4和平面热源3分别与数据采集器5和恒流电源7相连，所述数据采集器5连接计算机6。

本测试装置中，绝热装置中放置有若干个试样2，对应各个试样2间分别设置有对应的热电阻4。数据采集器5通过并联一电阻R_S分别连接恒流电源7和试样2中热电阻4。恒流电源7并联一开关和电阻R_b分别连接数据采集器5、热电阻4和平面热源3。

测试时，将试样a、试样b和试样c分别置于绝热装置中，对应试样a和试样b之间放置一与平面热源相连的热电阻，试样b和试样c之间放置一与平面热源相连的热电阻，各个热电阻分别与数据采集器以及恒流电源连接好，数据采集器分别与计算机和恒流电源连接好；然后开启平面热源，进行测试。

导温系数也称热扩散率或热扩散系数，反映温度不均匀的物体中温度均匀化速度的物理量，数值上等于导热系数与密度、比热乘积之比，由下式表示：

α=λ/(ρc)    (1)式中：λ——导热系数，W/(m·K)；

ρ——密度，kg/m^3；

c——比热，J/(kg·K)。

导温系数α是λ与1(ρc)两个因子的结合。α越大，表示物体内部温度趋于一致的能力越大，因此而有热扩散率的名称。从温度变化的角度看，α越大，材料中温度变化传播的越迅速。

本装置适用于测定各种沥青混合料试件，包括密级配沥青混凝土、沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）和沥青稳定碎石等沥青混合料试件的导温系数。

下面通过测试步骤和要求进一步说明本实用新型。

1、各个部件组成：

平面热源：也称平面加热片，为试样提供热量形成瞬态热流，其要求如下：厚度尽可能薄，热容量尽可能小；电阻值稳定，在0～100℃温度范围内保持不变；加热面为正方形，大小和试样相同；接通电源后，加热片使试样平面均匀受热。

热电阻：用于测定试样升温，使用前必须标定，热电阻直径1mm，常用的有Pt100。

数据采集器：用于实时采集热电阻测定的温度值，以及平面热源电压值、标准电阻Rs两端电压值。

恒流电源：为平面热源加热片提供0A～5A的电流。

绝热装置：使试样与外界环境近似绝热，用石棉等绝热材料制作，尺寸满足三块试样叠置一起。

计算机：与数据采集器相连，用于接收数据，并通过计算，得出结果。

2、方法原理

瞬态热流法的测量原理：给平面热源通以一定形式(阶跃或脉冲式)的加热电流I(t)，使其对材料进行加热，同时用热电阻测量距热源为x位置处材料的温度变化T(t)，根据热源-试样测量系统的传热数学模型及其非稳态导热方程的解析解，进行导温系数计算。

初始温度为T₀的无限大均质物体，当表面被常功率热流加热时，温度场由以下导热微分方程求解。

$\frac{\∂T}{\∂t}=\mathrm{\α}\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}---\left(2\right)$

初始条件：t=0，T＝cont    （3）

边界条件： $x=0,q=-\mathrm{\λ}{\left(\frac{\∂T}{\∂x}\right)}_{x=0}=0---\left(4\right)$ 式中：T——温升，以T₀为基准，℃；

q——热流密度，W/m²；

λ——导热系数，W/（m·℃）。

在式（3）、（4）的条件下，由方程（2）解得：

$T(x,t)=\frac{2q}{\mathrm{\λ}}\sqrt{\mathrm{\αt}}\·\mathrm{ierfc}\left(\frac{x}{2\sqrt{\mathrm{\αt}}}\right)---\left(5\right)$ 式中：

——高斯误差补函数的一次积分，可查数学手册。

根据上式，若物体初始温度为T₀，从0时刻开始以常热流q对物体进行加热，测出t₁时刻物体的表面温度T₁以及t₂时刻距离物体表面距离δ₁处的温度T₂（δ₁为设定测点位置），则由下列运算可得出该物体的导温系数及导热系数。在t₁时刻，有：

$T(0,t_1)=\frac{2q}{\mathrm{\λ}}\sqrt{{\mathrm{\αt}}_1}\·\mathrm{ierfc}\left(0\right)=\frac{2q}{\mathrm{\λ}}\sqrt{{\mathrm{\αt}}_1}\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\π}}}---\left(6\right)$ 在t₂时刻，有：

$T({\mathrm{\δ}}_1,t_2)=\frac{2q}{\mathrm{\λ}}\sqrt{{\mathrm{\αt}}_2}\·\mathrm{ierfc}\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_1}{2\sqrt{{\mathrm{\αt}}_2}}\right)---\left(7\right)$ 以式（6）除以式（7），消去q、λ，并整理得到：

$\mathrm{ierfc}\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_1}{2\sqrt{{\mathrm{\αt}}_2}}\right)=\frac{T({\mathrm{\δ}}_1,t_2)}{T(0,t_1)}\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\π}}}\sqrt{\frac{t_1}{t_2}}---\left(8\right)$ 令

则可得到导温系数α：

$\mathrm{\α}=\frac{{{\mathrm{\δ}}_1}^2}{4u^2{t}_2}---\left(9\right)$

3、试样要求及制备

本试验可以采用室内成型的沥青混合料车辙板试件，从车辙板试件切取尺寸为150mm×150mm×50mm的试样两块（对应于图1中试样a、c），150mm×150mm×15mm（对应于图1中试样b）的试样一块，三块试样各表面加工均应平整，能够接合紧密，避免形成缝隙，试样各相邻面均应呈准确的直角，且尽量避免存在疤痕、裂缝等缺陷，以免测试结果产生误差。试验时三个试件为一组，试验完毕获得一个试验结果。

4、测试步骤

1）测量试样高度，上下试样（试样a、c）高度为δ₂，中间试样（试样b）高度δ₁，精确到0.1mm。

2）如图1所示连接实验装置，试样如图放置，并将平面加热片放置在试样a与试样b之间。两个热电阻分别放在加热片与试样b之间以及试样b与试样c之间。保证试样与试样、试样与平面热源、试样与热电阻之间接触紧密，并使绝热装置密封。打开各仪器，检查性能，确保正常工作。

3）实验开始前，对两个热电阻读数一次，其分别测试的是x=0及x=δ₁处的温度，如果两者温度一致，表明每块试样温度相同，记为T₀。如果两者差别较大，则寻找原因，并采取相应解决方法使其温度接近。待初始温度T₀稳定之后，通电加热试样，用秒表计时，记录热量q。

4）设定数据采集器，每隔1min对热电阻温度进行一次记录。加热20min后终止试验。

5）计算机对数据文件进行保存。

5、测试结果及计算

计算传热时刻的选取：绘制两个热电阻温度随时间的变化曲线，即x=0（试样1、2之间）及x=δ₁（试样2、3之间）处的温度时间曲线T₁(t)、T₂(t)。由于试样厚度δ、计算传热时刻的选取对试验误差有影响,计算传热时刻按文献推荐选取，先选取t₂，t₁比t₂提前1～2min即可。

以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变形，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围因由权利要求限定。

Claims (3)

1.一种沥青混合料导温系数测试装置，其特征在于：包括至少一台绝热装置，及设置在绝热装置中的试样，所述试样侧设置有热电阻及平面热源，所述热电阻、平面热源分别与数据采集器和恒流电源相连，所述数据采集器连接计算机和恒流电源。

2.根据权利要求1所述的沥青混合料导温系数测试装置，其特征在于：所述绝热装置中放置有若干个试样，对应各个试样间分别设置有对应的热电阻。

3.根据权利要求1所述的沥青混合料导温系数测试装置，其特征在于：所述数据采集器通过并联一电阻分别连接恒流电源和试样中热电阻。

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