导热沥青混凝土.

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1、导热沥青混凝土,吴少鹏 武汉理工大学 硅酸盐材料科学与工程教育部重点实验室 2009年9月22日,传导性沥青混凝土,导热沥青混凝土,导热沥青混凝土是采用热导率高的集料或在混合料中掺入适当类型和适宜含量的导热相填料使沥青混凝土由热的不良导体转变为具有一定热传导能力的复合材料,石墨,冶金渣,集料骨架结构与增强作用,粉料填充与均匀分散效果,纤维桥接与阻裂作用,纤维,研究背景 导热沥青混凝土的制备 导热沥青混凝土的性能 路面温度场的分布 导热沥青混凝土路面集热效率 导热沥青混凝土路面融雪化冰 展望,提 纲,研究背景 导热沥青混凝土的制备 导热沥青混凝土的性能 路面温度场的分布 导热沥青混凝土路面集热效

2、率 导热沥青混凝土路面融雪化冰 展望,提 纲,一、研究背景,1.1 沥青路面高低温损害 车辙 温缩裂缝 泛油 推移或拥包,一、研究背景,1.2 道路交通冰雪灾害,冻雨造成的冰封,交通堵塞,事故,机场封闭,一、研究背景,The Eurotunnel,1.3一种新的太阳能利用技术,夏季时，利用传热介质，将沥青路面吸收的太阳能储存到地下含水 土层等贮能装置中，实现能量的跨季节储存。 冬季时将热量重新用于路面融雪化冰以及周围建筑物供暖等。,沥青路面太阳能集热技术示意图,一、研究背景,集热面积大机场跑道、高速公路、桥梁加铺，城市干道 吸收性好0.9，T70 提供能量多90-150kWh/m2.a(荷兰数

3、据),1.5 中国的太阳能资源 2/3地区年辐射量超过5020MJ/m2 年日照数大于2200小时 比日本、欧洲优越得多,来源：中国气象局风能太阳能评估中心,1.4 沥青路面在太阳能集热过程中的优势,改善行车安全： 冬季可防止路面结冰， 夏季可给路面降温。,杜绝化雪盐 对环境的负面影响,给建筑物供暖， 缓解能源紧张 减少CO2的排放,一、研究背景,1.6 沥青路面太阳能集热技术的意义,导热沥青混凝土的制备,集热性能的评价,融冰化雪性能的评价,道路能量系统的设计,热学性能,疲劳性能,低温性能,集热效率,温度场,加速冻融性能,融雪效率,管道设计,储能系统,控制系统,1.7 研究内容整体概况-预期目

4、标,一、研究背景,研究背景 导热沥青混凝土的制备 导热沥青混凝土的性能 路面温度场的分布 导热沥青混凝土路面集热效率 导热沥青混凝土路面融雪化冰 展望,提 纲,二、导热沥青混凝土的制备,沥青胶浆： 石墨掺量分别为0，8，12，18，22 沥青混凝土： 石墨掺量分别为0，12，18，22，22+0.2碳纤维 石墨掺量为石墨占沥青胶浆的体积百分数，碳纤维掺量为混合料的重量比,试样的制备,参照,导电沥青混凝土的制备： 石墨的渗流域值为11-12,石墨掺量与电阻率的变化关系,研究背景 导热沥青混凝土的制备 导热沥青混凝土的性能 路面温度场的分布 导热沥青混凝土路面集热效率 导热沥青混凝土路面融雪化冰

5、展望,提 纲,三、导热沥青混凝土的性能,3.1 沥青胶浆的流变性能 3.2 沥青混合料的路用性能 3.3 沥青混合料的热学性能,三、性能研究,针入度试验结果及分析（1）,由不同温度的针入度计算的PI值,针入度随着石墨掺量的增加而减小，针入度指数PI绝对值逐渐减小， 表明导热沥青胶浆的温度敏感性在下降。,3.1 沥青胶浆的流变性能（1/8）,三、性能研究,针入度试验结果及分析（2）,3.1 沥青胶浆的流变性能（2/8）,定义：,石墨掺量越大，针入度指数增加越大； 在相同的石墨掺量下，针入度随温度的升高而增大， 温度越高，石墨对沥青稠度的影响作用越明显。 石墨掺量超过18后，沥青胶浆的稠度及温度敏

6、感性已无明显变化。,三、性能研究,延度试验结果及分析,3.1 沥青胶浆的流变性能（3/8）,随着掺入石墨量的增多，沥青的延度随之发生显著减小 这种对于路面的温缩开裂是不利的。,三、性能研究,软化点试验结果及分析,3.1 沥青胶浆的流变性能（4/8）,定义：,石墨的掺入能够提高沥青胶浆的软化点， 这有利于改善沥青的高温稳定性。,三、性能研究,当量脆点试验结果及分析,3.1 沥青胶浆的流变性能（5/8）,定义：,适量的石墨能够降低沥青胶浆的脆点， 有利于改善沥青胶浆的低温开裂性能。,三、性能研究,3.1 沥青胶浆的流变性能（6/8）,在相同的温度下，粘度随石墨掺量的增加而增大。 Eistein 增

7、粘系数随着石墨掺量的增加而呈近似线性的增长， 说明石墨掺量越大，对沥青胶浆的增粘效果更加显著， 有利于改善沥青的抗高温流动变形性能。,粘度试验结果及分析,三、性能研究,3.1 沥青胶浆的流变性能（7/8）,DSR试验结果及分析(1),5C下不同石墨掺量对 和 的影响,50C下不同石墨掺量对 和 的影响,随着石墨掺量的增加，复合模量先增大后减小，相位角先减小后增大； 合适掺量的石墨能够提高胶浆的强度及弹性成分。,三、性能研究,3.1 沥青胶浆的流变性能（8/8）,DSR试验结果及分析(2),5C下不同石墨掺量对 储能模量 的影响,50C下不同石墨掺量对 车辙因子 的影响,随着石墨掺量的增加，储能

8、模量先增大后减小，与T1.2结果一致。 车辙因子随石墨掺量的增加而增加，有利于提高高温性能； 但过多石墨已无进一步改善效果。,三、性能研究,3.2 沥青混合料的路用性能（1/4）,水损害试验结果及分析（1）,导热相材料对马歇尔稳定度的影响,随着石墨掺量的增加，马歇尔稳定度大幅下降， 表明石墨削弱了沥青混凝土的强度； 沥青混合料的残留稳定度稍有下降，但仍大于80 ； 碳纤维的掺入对沥青混凝土有增强效果,三、性能研究,3.2 沥青混合料的路用性能（2/4）,水损害试验结果及分析（2）,不同导热相材料掺量下的应力应变曲线,导热相材料对劈裂强度比的影响,间接拉伸强度都随着石墨掺量的增加而下降； 沥青混

9、合料的劈裂强度比稍有下降，但仍大于80； 碳纤维对沥青混合料具有增强作用。,三、性能研究,3.2 沥青混合料的路用性能（3/4）,高温车辙试验结果及分析（1）,导热相材料对动稳定度的影响,导热相材料对车辙深度的影响,沥青混合料的动稳定度随着石墨掺量的增加而大幅度增大； 车辙深度随着石墨掺量的增加而大幅度减小， 过量的石墨，对高温性能无进一步改善效果； 碳纤维的掺入能够进一步提高沥青混合料高温稳定性。,三、性能研究,3.2 沥青混合料的路用性能（4/4）,疲劳试验结果及分析,导热相材料对疲劳寿命的影响,在间接拉伸疲劳试验下： 石墨的掺入能够提高 沥青混凝土的疲劳寿命 掺入碳纤维有进一步改善效果,

10、三、性能研究,3.3 沥青混合料的热学性能（1/7）,1. 测量的热学参数,（1）导热系数：某一方向上单位温度梯度上通过的热流密度 (k),热传导方程（傅里叶定律通用的表达式）,三维温度场：,一维温度场：,根据近代观点，热能的传输由自由电子的迁移和晶格的振动波（声子）实现的,导热系数表达式（分子运动理论）,C：载流子比热容 v：平均速度，：平均自由程,q热流密度,三、性能研究,3.3 沥青混合料的热学性能（2/7）,1. 测量的热学参数,（2）比 热：单位质量的物体温度升高一度所需要的热量（C）， 用于度量材料贮存热量的能力,（3）热扩散系数：导热系数与体积比热容之比（）， 用于度量材料传导热

11、能的能力与其贮存热能能力的相对大 小，大的材料对其热环境的改变反映很快,三、性能研究,3.3 沥青混合料的热学性能（3/7）,2. 热学参数测量的方法（1）,沥青混凝土是由矿物集料和沥青胶结料组成的多相复合材料，其热学参数与其结构组成等众多因素有关，其热学参数大都是根据经验取值,不同学者对沥青混凝土热学参数的测试或计算值,可看出，每一位学者给出的参数都不同，且差别较大。对于导热沥青混凝土来说，其热学参数，只有通过实际测量,三、性能研究,3.3 沥青混合料的热学性能（4/7）,2. 热学参数测量的方法（2）,我国尚未制定关于沥青混凝土热学参数测试的规范 美国有ASTM C177-97规范，然而由

12、于现行的商业导热系数测定仪的量程及其对测试样品尺寸的限制，沥青混凝土热学参数难以测量,试样,导热仪,三、性能研究,3.3 沥青混合料的热学性能（5/7）,2. 热学参数测量的方法（3）,瞬态平面热源法（Transient Plane Source Method, TPS）,原理: 基于无限大介质中阶跃加热的圆盘形热源产生的瞬态温度响应,探头结构示意图,测试用的探头既是加热试样的热源，又是记录试样温度变化的温度传感器,三、性能研究,3.3 沥青混合料的热学性能（6/7）,3. 测试的结果及分析 (1),当石墨掺量由0增至22时，混凝土的导热系数由 1.73 W/mK增大 至2.37W/mK， 增

13、大了37。 比热随着石墨掺量的增加而减小； 掺入碳纤维后，混合料的导热系数稍有下降 。,三、性能研究,3.3 沥青混合料的热学性能（7/7）,3. 测试的结果及分析 (2),当石墨掺量由0增至22时，混凝土的导温系数增大了63.0% ； 掺入碳纤维后，混合料的导温系数稍有下降，减小了9.3 。,研究背景 导热沥青混凝土的制备 导热沥青混凝土的性能 路面温度场的分布 导热沥青混凝土路面集热效率 导热沥青混凝土路面融雪化冰 展望,提 纲,四、路面温度场的分布,4.1 道路能量系统的应用 4.2 路面温度场的研究方法 4.3 路面温度场模拟研究 4.4 路面埋管后温度场模拟 4.5 室内试验研究,四

14、、路面温度场的分布,4.1 道路能量系统的应用（1/3）,1 路面太阳能集热,沥青路面太阳能集热技术的原理： 路面将太能辐射的光能吸收并转换为热能，换热介质经管道将路面接收的热量输送至储热器储存或用于直接应用； 在需要热量的时候，热泵从储热器中抽取热量为用户供暖或制冷； 因此实现了太阳能的转换、储存和应用,四、路面温度场的分布,4.1 道路能量系统的应用（2/3）,2 路面管道的埋设,四、路面温度场的分布,沥青路表的能量平衡示意图,预测和测量导热沥青路面的温度场分布，以此来评价导热沥青路面可利用太阳能的潜能,3 研究路面温度场的意义,4.1 道路能量系统的应用（3/3）,四、路面温度场的分布,

15、4.2 路面温度场的研究方法（1/2）,（1）理论研究法：考虑太阳的辐射、气温、风速、云量、路面结构组成和路面材料的热学等参数建立数值模型预估路面的温度场分布,（M. Hasebel, et. al., 2006）,四、路面温度场的分布,4.2 路面温度场的研究方法（2/2）,（2）数理统计方法 ：根据实测的路温和气象资料，通过回归分析建立路温推算公式,日本的近藤佳宏等人提出的不同深度最高或最低温度随时间变化： SHRP提出的路表温度与气温的换算公式： 我国上海地区沥青混凝土面层温度：,四、路面温度场的分布,4.3 路面温度场模拟研究（1/12）,1 有限元网格的划分,在厚度方向上分为多层：

16、沥青面层、下承层等 坡度路面需考虑水平面方向,网格点上的能量平衡,四、路面温度场的分布,4.3 路面温度场模拟研究（2/12）,2 模型的计算原理 导热,基础：热力学第一定律，傅立叶定律,微元总净热量,热量流入导致的温升,傅立叶定律 导热微分方程：,a: 导温系数,二维模型的瞬态热传导过程：,四、路面温度场的分布,4.3 路面温度场模拟研究（3/12）,2 模型的计算原理 对流换热 （1）,流体的导热微分方程（傅里叶-克希霍夫）：,利用相似理论分析对流换热过程：,对流换热量与风速、气温有关，其中风速对其影响甚大，不同的风速表现为不同的对流流态； 随着风速的增大，边界层内的流态发生变化，依次为：层流，层流-湍流，湍流 边界层流态的转变点一般由临界雷诺数Rex.c来确定，Rex.c=5105,x为距前沿的距离，m；w为风速，m/s ;v 运动粘度,四、路面温度场的分布,4