（道路与铁道工程专业论文）沥青及沥青混合料热物特性及测试方法研究.pdf

摘要 热物性是沥青及沥青混合料的基本性质，其决定着沥青及沥青混合料的热学性质、 热力学响应等，尤其是热物参数是研究路面温度场的基本参数，热物参数准确与否对温 度场分布有重大影响。纵观国内外研究现状，可发现各个研究者给出的沥青及沥青混合 料热物参数值并不一致，在数值上存在较大差异。到目前为止，沥青混合料的热物参数 大多通过试验测试获得，由于试验设备、试验条件、试验人员等不可排除的随机性因素 的限制与影响，使得测试结果千差万别。因此，提出一种较为合理的沥青混合料热物参 数测试方法尤为重要。 本文利用d s c 测试了沥青及沥青混合料随温度变化的的热流曲线。根据d s c 测试 原理，设定温度扫描范围为3 0 1 8 0 ，扫描频率为1 0 。c m i n 的扫描程序分别对基质沥 青、改性沥青、石灰岩石子、石灰岩石粉、玄武岩石子、玄武岩石粉、花岗岩石子、花 岗岩石粉及裹覆沥青的石灰岩石子、裹覆沥青的花岗岩石子、裹覆沥青的玄武岩石子等 材料进行温度扫描，利用d s c 测试及计算软件获得了沥青混合料的比热测试值，并通 过多组平行试验得到了其比热测试值范围及平均值，并讨论了沥青、石料比热测试值的 离散性及影响因素。 自行设计了沥青混合料室内简易导温系数测试装置，本装置分别利用非稳态导热冷 却法计算模型和无限大瞬态传热法计算模型计算了沥青混合料的导温系数，并对两种计 算方法进行了对比研究。通过对不同空隙率试件进行导温试验，研究了不同空隙率对导 温系数及计算参数的影响。 根据混合物比热加和性原理，利用实测的沥青及石子的比热计算得到了沥青混合料 的比热，并与实测值进行了比较。 根据比热、导热系数、导温系数之间的转换关系，利用实测的导温系数以及比热的 计算值和实测值推算出沥青混合料的导热系数。通过与已有研究成果比较表明，由比热 计算值推算出的导热系数与国内外研究结果值较为接近。鉴于比热测试的难易程度，本 文建议分别单独测试沥青和石子的比热，然后利用比热加和原理获取沥青混合料的比 热，并给出了沥青混合料比热估算公式。 本文为沥青及沥青混合料热物性研究提供了一种新参考方法，初步探讨了由材料组 分参数推导混合料热物参数的可行性，为后续研究提供了一种新思路。 关键词：沥青；沥青混合料；热物性；d s c 试验；导温系数；导热系数；比热 a bs t r a c t t h e r m a lp r o p e r t i e si sb a s i cn a t u r eo fa s p h a l ta n da s p h a l tm i x t u r e s ，w h i c hd e c i d e da s p h a l ta n da s p h a l t t h e r m a lp r o p e r t i e s ，t h e r m a lr e s p o n s e ，e t c ，e s p e c i a l l yt h e r m a lp a r a m e t e ri sb a s i cp a r a m e t e rt os t u d yt h e p a v e m e n tt e m p e r a t u r e ，a c c u r a c yo ft h e r m a lp a r a m e t e rh a sas i g n i f i c a n ti m p a c to nt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n t h r o u g h o u tt h es t u d ya b r o a ds i t u a t i o n ，g i v e np a r a m e t e rv a l u e so fa s p h a l ta n da s p h a l tm i x t u r e sa r en o tt h e s a m eb yd i f f e r e n tr e s e a r c h e r s ，t h e r ei sab i gn u m e r i c a ld i f f e r e n c e ，a n dn o tg e tm o r ee x a c ta n dr e a s o n a b l e t h e r m a lc o n d u c t i v i t yd e r i v e df o r m u l a s of a r , t h et h e r m a lp r o p e r t i e so fa s p h a l tm i x t u r ep a r a m e t e r so b t a i n e d m o s t l yt h r o u g he x p e r i m e n t a lt e s t i n g ，a st e s te q u i p m e n t ，t e s tc o n d i t i o n s ，t e s tp e r s o n n e lc a n tr u l eo u tt h e p o s s i b i l i t yo fr a n d o mc o n s t r a i n t sa n di m p a c t ，m a k i n gt h et e s tr e s u l t sv a r yw i d e l y t h e r e f o r e ，p r o p o s e da m o r es e n s i b l et h e r m a lp a r a m e t e r so fa s p h a l tm i x t u r et e s t i n gi sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t i nt h i sp a p e r , t h eh e a tf l o wo fa s p h a l ta n da s p h a l tm i x t u r ew i t ht e m p e r a t u r ev a r i a t i o nw a ss t u d i e db y d s c a c c o r d i n gt h ep r i n c i p l eo fd s c ，s e t t i n gt h et e m p e r a t u r es c a n n i n gr a n g eo f - 3 0 1 8 0 c ，s c a n n i n g 丘e q u e n c yo f1 0 * c m i ns c a n n e dt h et e m p e r a t u r eo fa s p h a l t ，m o d i f i e da s p h a l t ，l i m e s t o n eg r a v e l ，l i m e s t o n e p o w d e r , b a s a l ts t o n e s ，b a s a l ts t o n e ，g r a n i t es t o n e ，g r a n i t ep o w d e ra n dw r a p p e di nl i m e s t o n eg r a v e lc o v e r e d a s p h a l t ，g r a n i t es t o n ew r a p p e dc o v e r e da s p h a l t ，b a s a l ts t o n e sw r a p p e dc o v e ra s p h a l t w eo b t a i n e dt h e s p e c i f i ch e a tt e s tv a l u e so ft h e i rb yu s i n gd s c t e s ta n dc a l c u l a t i o ns o f t w a r e t h r o u g hm u l t i p l ep a r a h e lt e s t o fa s p h a l t ，m o d i f i e da s p h a l t ，g r a n i t e ，l i m e s t o n e ，b a s a l t ，g o tt h e i rr a n g eo ft e s td a t aa n dg e o m e t r i cm e a n ，a n d d i s c u s s e dt h ed a t ad i s p e r s i o na n df a c t o r so fa s p h a l t ，s t o n et h e r m a lp a r a m e t e r sa n de x p e r i m e n t a lb yd s c t e s t s b a s e do nt h et e s t i n gp r i n c i p l eo ft h eu n s t e a d yc o n d u c t i o nc o o l i n gm e t h o dm o d e la n dt h ei n f i n i t e m o d e l ，w ed e s i g nas i m p l em i x t u r ei n d o o rt h e r m a ld i f f u s i v i t yt e s t i n gd e v i c et ot e s tt h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f a s p h a l tm i x t u r e ，u s e dt h et w om o d e l sc a l c u l a t e dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fa s p h a l tm i x t u r e s ，a n dc o m p a r e d t h et w oc a l c u l a t i o nm e t h o d s d i f f e r e n tp o r o s i t yb yt h e r m a lc o n d u c t i v i t yt e s ts p e c i m e n so fd i f f e r e n tp o r o s i t y o nt h e r m a ld i f f u s i v i t ya n dc a l c u l a t e dp a r a m e t e r s a c c o r d i n gt os p e c i f i ch e a ti n c r e a s e sp r i n c i p l eo fm i x t u r e s ，c a l c u l a t e ds p e c i f i ch e a to fa s p h a l tm i x t u r e u s i n gt h em e a s u r e ds p e c i f i ch e a to fa s p h a l ta n dg r a v e l ，a n dc o m p a r e dw i t ht h em e a s u r e dv a l u e a c c o r d i n gt ot h ec o n v e r s i o nr e l a t i o n s h i p sb e t w e e ns p e c i f i ch e a t ，t h e r m a lc o n d u c t i v i t y , a n dt h e r m a l c o e f f i c i e n t ，c a l c u l a t e dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fa s p h a l tm i x t u r eo ft h eu s eo fb ym e a s u r e dt h e r m a ld i f f u s i v i t y a n dc a l c u l a t i o na n dm e a s u r e dv a l u eo fs p e c i f i ch e a t r e s e a r c hr e s u l t sh a v eb e e nc o m p a r e dw i t ht h a t c a l c u l a t e dt h es p e c i f i ch e a tt h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fd o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c hr e s u l t sa r ec l o s e r g i v e n t h et h e r m a lt e s td i f f i c u l t y , t h i sa r t i c l es u g g e s t st e s t i n gs e p a r a t e l yt h es p e c i f i ch e a to fa s p h a l ta n dg r a v e l ，a n d t h e ng e t t i n gt h es p e c i f i ch e a to fa s p h a l tm i x t u r eb yt h ep r i n c i p l eo fs p e c i f i ch e a ti n c r e a s e s ，a n ds p e c i f i ch e a t h e s t i m a t i o nf o r m u l ao fa s p h a l tm i x t u r e sa r eg i v e n t h i sp a p e rp r o v i d e san e wr e f e r e n c em e t h o df o rt h e r m a lp r o p e r t i e sr e s e a r c ho na s p h a l ta n da s p h a l t m i x t u r e ，d i s c u s s e dt h ef e a s i b i l i t yo fd e r i v e dt h e r m a lp a r a m e t e r so fa s p h a l t m i x t u r eb yc o m p o n e n t p a r a m e t e r sd e r i v e df r o mm a t e r i a l t h i ss t u d yp r o v i d e san e wi d e af o rt h ef o l l o w - u p k e yw o r d s ：a s p h a l t ；a s p h a l tm i x t u r e ；t h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t i e s ；d s ct e s t ；t h e r m a l d i f f u s i o nc o e f f i c i e n t ；t h e r m a lc o n d u c t i v i t y ；s p e c i f i ch e a t m 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 赘楚 日期：勾l 。年 ( ，月i e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名 导师签名 期：冽。年6 月1 日 期：z o f o 年6 月1 日 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 由于早期损坏现象会给正常的公路交通带来较大的妨碍，严重影响交通运输的安全 和可靠性，因而对其减轻和防止的措施备受关注。形成这种现象的原因是多方面的，有 技术方面的原因，管理方面的原因，也有使用情况方面的原因。而沥青路面施工技术问 题虽然已经引起广泛关注，但施工压实方面的研究还停留在仅仅依靠经验的初级阶段， 缺乏系统性的研究1 1 l 。压实工艺设计方法的确定是施工过程中的重要环节，有效提高施 工中的压实工艺水平对保证路面性能具有决定性意义。沥青混合料的压实是一个非常复 杂的过程，是其从松散无粘性状态、塑形状态，逐步过渡到高粘聚的流变状态的过程， 此过程中沥青混合料表现为复杂的粘弹塑性流变力学特性1 2 j 。在这一复杂的变化过程中， 影响压实效果的因素众多，而其施工碾压温度可谓是关键的影响因素之一。混合料温度 较低时，碾压工作会变得比较困难，并且不容易消除轮迹，将影响路面的平整性能；而 温度较高时，较少的碾压遍数就可以获得较高的密实度，达到较好的压实效果。 1 9 7 0 年，为探究影响沥青混合料拉伸特性的七种因素，h a d l e y 等人1 3 】进行了大量 的实验室研究工作。针对每一种因素的可能组合，制备了大量的试件。试验结果表明： 沥青含量、沥青标号、集料级配、压实温度等对拉伸强度有着显著的影响。而实际上压 实温度不仅影响最大，还起着控制作用，而且与其他变量能够产生相互作用。从泊松比、 弹性模量、拉伸强度、弹性拉伸变形及断裂时的总拉伸变形中，也同样发现类似的结果。 研究结果表明：以上所述五种材料特性作为反应变量，它们与混合料各变量之间的相互 关系主要是压实温度的影响起控制作用。因此进行温度场【4 h 1 0 1 研究具有特别的意义。而 若想更接近实际的模拟现场压实方案下的温度场，就必须准确确定沥青混合料的热物性 参数，即其的导热系数、比热容、密度、导温系数等。 本文计划通过d s c 试验和导温系数试验测定的沥青混合料的比热和导温系数，通过 热物参数之间的对应关系推算出沥青混合料的导热系数，并进行对比研究，提出沥青混 合料比热预估推算公式。从而得到更接近实际的沥青混合料的比热容，导温系数，导热 系数，并将其运用到典型压实方案下的瞬态、三维有限元温度场计算模型，用以预测路 面温度场的分布并分析研究其对沥青路面温度场的影响。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 材料热物参数研究现状 热传递是在温差作用下所产生的能量转移现象。温度差在自然界中处处存在，因而 传热现象也随时随地的发生。在众多的传热现象之中，热传递分为三种基本方式：热传 导、热对流和热辐射。物质热传递特性通常用：导温系数a 、导热系数入和比热容c 这三个重要参数来表征，它们之问满足：a = 入pc ( 式中，p 为所要测定物质的密度) 。 这三个参数中，导热系数作为道路工程研究的代表性参数，已开展了大量的研究工作。 材料热物性测试方法按测试原理可划分为稳态法和非稳态法两大类：在稳态法中， 得到的是材料的稳态温度场，即试样内的温度分布是不随时问变化而变化。在该方法中 当试样达到热平衡后，通过测量试样每单位面积的热流速率和温度梯度获得试样的导热 系数。非稳态法是与稳态法相对应的一种测试方法，得到的是材料的非稳态温度场，即 试样内的温度分布是随着时间变化而变化，非稳态法通过测定试样的温度变化速率获取 试样的导温系数a 和导热系数入。目前世界上公认的热物性测试方法名称及分类很多， 其中应用最多的一种热物性测试方法是纵向热流平板法。 在国外，固体导热系数研究始于1 8 世纠1 1 j ，b e n j a m i n f r a n k l i n 于1 7 5 3 年最早 提出不同的材料具有不同的接受和发散热量的能力的概念；在1 7 8 7 年f o r d y c e 首次进行 了纸板和生铁的导热能力试验；f r a l l k l i n 第一个提出了关于固体导热系数测定的稳态比 较法，并在1 7 8 9 年由i n g e n h a u s z 实现和完成；d e s p r e t z 在1 8 2 2 年对该方法作了改进，1 8 5 3 年，维德曼和弗兰兹应用d e s p r e t z 改进的稳态比较法测定了很多金属材料的相对导热 系数，从而提出了惠特曼一弗兰兹( w e i d e m a n n f r a n z ) 定律的假设。f o r b e s 在1 8 5 1 年首 次提出了测定导热系数稳态绝对法。 为了服务于英国建筑工业的发展，英国国家物理实验所( n p l ) 【1 2 】重点研究了低导热 系数测试。，其研制的防护热平板导热仪可用来测量玻璃纤维板的导热系数。后来，n p l 又研制了两种新型的3 0 5 m m 的热防护平板导热仪：真空热防护导热仪和低温热防护平 板导热仪。真空热防护导热仪的使用范围5 0 一1 0 0 ，即可用来测量低导热系数真空 绝热板，又可用来测量试样和冷板之间有孑l 隙时试样表面的发射率。另一种是低温热防 护平板导热仪，它的使用温度范围是1 7 0 。c 2 0 0 。按照美国材料试验标准( a s h ) 美 国安特公司【1 3 j 研制了防护型热流计法测量材料导热系数。美国国家标准技术研究所 ( n i s t ) 的建筑火灾实验室【1 4 j 研制了一种新型热防护板平板导热仪，可用来测试 9 0 k 一9 0 0 k 温度范围内的绝热材料。 在国内，材料热学也一直科研工作者研究的热点，1 9 9 0 年黎明化工研究院刘淑琴【1 5 】 等人研制的r m g 5 型稳态法平板导热仪能简易而准确地测试绝热材料和复合材料的 导热系数。1 9 9 0 年东南大学【1 6 j 施明恒、薛宗荣等人采用准稳态恒热流平板法实现了快速 测定烟丝的各项热物性，并解决了测试中的一些技术问题。1 9 9 4 年同济大学【1 7 】热能工程 系研制了t f d 1 型双试样防护热板法导热仪，防护热板法导热仪是用于测定绝热材料导 热系数或热阻的精密测定仪器。1 9 9 7 年南京林业大学【1 8 卜【”】黎爱纯等人应用了稳态热流 计法平板导热仪测试人造板导热系数。稳态热流计法测试材料导热系数是基于一维稳态 导热的原理，当被测材料的厚度、试样两侧的温差和通过试样的热流已知时，即可根据 2 傅立叶导热定律确定试材的导热系数。其实验本体为热流计式的平板导热仪。试样两侧 的水套内分别通过恒温水，以维持试样两面为等温面；导热仪周围由绝热材料保温，以 减少试样侧面的散热损失，热流密度q 用热流传感器测量。2 0 0 0 年浙江海洋学院沈雅钧1 2 0 l 等人根据准稳态平板法测试材料热物性的原理，建立了在3 0 至室温范围内的导热系 数和比热实验测试装置，测定了石棉、岩棉板、硅棉板以及聚苯乙烯泡沫塑料等几种常 见绝热保温材料的导热系数和比热。 1 2 2 沥青及沥青混合料热物参数研究现状 沥青混合料的热物性参数包括导热系数入、导温系数a 和比热容c ，在道路工程领域， 经常用到的是沥青混合料的导热系数。道路界以及材料行业的学者对沥青混合料的导热 系数进行了深入的研究。 在国外，k a v i a n i p o u r l 2 1 l 针对沥青混合料热物参数间的差异性进行了研究，他提出集 料和沥青结合料是影响混合料热物性质的主要因素。国际上，不同学者通过研究得出了 不同路面材料的导热系数范围值，然而不同学者提出的沥青混合料的热物参数存在较大 差异。w i l l i 锄s o n 【2 2 】在1 9 7 2 年提出了具有9 0 准确度的推导公式，即：k m = ( k 。) m ( 1 ( b ) n ( k v ) p ( k w ) q 。虽然w i l l i a m s o n l 2 2 l 给出了沥青混合料导热系数的推导公式，但因未考虑到温 度和湿度的影响，因此该公式在应用上存在较大的局限性。 总结了从上世纪5 0 年代到本世纪初的国际上关于沥青混合料的热物参数研究，其不 同学者测试数据如下表1 1 所示。 表1 1 国外沥青混合料热物理参数 时间作者导热系数( w m ) 比热( j k g ) 1 9 4 9 k e r s t e n 【2 3 i1 4 9 1 9 6 7 k a v i a n i p o u r l 2 2 1 2 2 8 - 2 8 8 o b l e n i so b l e n i s ( i n 1 9 6 7 k a v i a n i p o u r 2 2 1 0 8 5 - 2 3 2 1 9 7 6j o r d a na n d t h o m a s 2 4 10 8 - 1 0 68 5 0 - 8 7 0 1 9 8 1t u r n e ra n dm a l l o y 2 5 1o 7 6 1 9 8 3 t e g e l e ra n dd e m p s e y l 2 6 】 1 2 1 1 3 88 4 0 - 1 0 9 0 1 9 8 7c o r l e wa n dd i c k s o n l 2 7 11 2 1 9 2 0 1 9 9 8b r a c ea 。r a c h e la d t 冽1 5 2 o1 0 0 0 1 0 1 0 2 0 0 2m r a w i r aa n dl n c a 【2 9 】1 3 6 1 8 1 4 2 0 0 5 j o s e p hl u c a t 2 9 1 1 4 5 2 - 1 8 1 21 1 1 6 1 3 6 4 从以上的资料可以看出，每一位学者给出的热物性参数值差别较大，而且到目前为 止，还没有一个能够计算沥青混合料热物性参数的准确公式，决定沥青混合料热物性参 数的外界因素随机性很强，因此要想通过计算公式计算出解析值实非易事。要想得到材 3 料准确的热物性参数，到目前为止，只有通过实际测量。 在国内，道路工作者也进行了大量研究工作，并取得了一些研究成果，如严作人教 授【9 】就对沥青等道路材料的热物参数进行了研究；华中科技大掣3 0 】研究了沥青混合料的 热性能，研究发现公称最大粒径、粗骨料含量、粉砂胶的含量是影响密实型沥青混合 料热物参数的关键因素：哈尔滨大学邮文山教授【3 1 j 在九十年代开始对寒区道路材料的热 物参数进行测定研究；哈工大逯彦秋等人【3 2 j 利用h o td i s k 导热测试仪对s m a 沥青混合料 导热系数进行了研究；2 0 0 7 年，哈尔滨工业大学李兴海等人1 3 3 】采用非稳态常功率热源法 测量了混合料的导热系数、导温系数，通过密度测量计算得到混合料的比热容。 1 9 8 5 年，张秀华和陶家朴【3 4 j 研究了路面材料的热学性质及其影响因素，研究表明影 响材料热学性质的主要因素为密度、湿度和温度。 哈尔滨工业大学邴文山教授早在九十年代初就开始全面研究道路材料的热物性参 数，邴教授认为沥青混合料的热物理参数与各组成材料的导热系数、每个相( 包括气相) 的相对含量及其分布状态、排列取向，混合料的孔隙率、配合比以及压实度有关，并通 过试验实测了相应材料的导热系数值。邴文山教授还研究了寒区路面材料在冻结状态下 的热学性能，试验结果表明在冻结状态下沥青材料的导热系数为1 1 1 5 w m o c 【3 1 】。 8 0 年代，严作人【9 】等人对沥青及沥青等道路材料的热物理性能也作了研究。牛俊明 1 3 5 j 等人做了关于排水性沥青抗滑层混合料的导热系数与孔隙率的关系的初步研究，测试 方法采用稳态法，测量仪器为进口日本生产的q t u d 3 型快速导热仪，测试时采用3 0 0 m m x 3 0 0 m m 5 0 m m 的车辙板试件。一般测量3 5 个点。当测定结果的偏差系数c v 1 0 时，取其平均值作为测定的导热系数，当c v 1 0 时，补充测点，然后再取其平均值作为测定 的导热系数。 从温度应力的角度出发华中科技大学【删依托高速公路实际工程，研究分析了沥青混 合料的热性能，研究表明公称最大粒径、粗骨料含量和粉砂胶粘结料的含量是影响密 实型混合料热物理性能的关键因素。在沥青混合料各组分中，骨料导热系数较大，矿粉、 砂及沥青导热系数相对较小，基于此可将粉砂胶粘结料作为分散相，按照分散相为正 方体来计算各种低孔沥青混合料的等效导热系数。 2 0 0 6 年，利用h o td i s k 导热系数仪哈尔滨工业大学逯彦秋【3 2 】测定了s m a 沥青混合料 热物参数，h o td i s k 导热系数仪是基于瞬变平面热源技术所开发的，比热测量精度为 7 。其所得的结果表明：在一定的温度范围内，沥青混合料的导热系数和比热随温度 变化不大。 总结国内外沥青混合料热物性研究状况可以知道，导热系数是沥青混合料热物参数 最为重要的参数，密度、湿度和温度是影响沥青混合料导热系数的主要因素，取值范围 从0 7 w m - 3 w 恤，各个研究者所获得的试验数据差异较大，但并能说明哪个数 据准确，哪个数据不准确，只是沥青路面材料的导热系数影响因素众多，并且随着科技 的发展导热系数测试的手段不断改进，测试仪器精准度等非人为因素造成的。 4 总结了我国道路工作学者关于沥青混合料的热物参数研究，其不同学者测试数据如 下表1 2 所示。 表1 2 我国沥青混合料热物理参数 时间作者材料导热系数( w m ) 比热j k g 1 9 8 5 张秀华、陶家朴【3 4 1泥灰岩沥青混合料 1 0 4 0 - 1 5 2 78 0 3 6 8 - 1 0 2 1 3 5 8 0 年代严作人【9 】沥青 0 3 0 9 5 9 0 年代 邴文山【3 1 】冻结状态的沥青材料1 1 - 1 5 片麻岩沥青混合料 0 3 7 4 2 1 2 2 4 7 1 9 9 7 牛俊明p 5 】 闪长岩沥青混合料 0 2 6 5 9 1 1 3 11 2 0 0 6资建民【刈沥青混合料 1 0 2 3 - 1 5 8 19 2 9 - 9 6 7 s m a 1 01 5 0 0 1 5 9 99 3 9 9 5 5 2 0 0 6 逯彦秋p 2 1 s m a 1 31 7 2 5 - 1 8 9 61 0 0 5 1 0 2 0 纵观国内外研究现状，可发现各个研究者给出的热物参数值并不一致，在数值上存 在较大差异，并且尚未提出较为准确合理的导热系数计算公式。到目前为止，沥青混合 料的热物参数大多通过试验测试获得，由于试验设备、试验条件、试验人员等不可排除 的随机性因素的限制与影响，使得测试结果千差万别。因此，提出一种较为先进统一的 沥青混合料热物参数测试方法尤为重要。 1 3 本文研究的主要内容及技术路线 1 3 1 沥青混合料的比热测试研究 本文计划运用d s c 分别测定不同温度下沥青、石料、裹覆沥青石子的热流曲线，并 利用d s c 计算软件获得路面材料的比热测试值。通过多组平行试验来得到沥青、石料、 裹覆沥青石子等的比热测试值范围及平均值，并讨论测得的沥青、石料、裹覆沥青石子 比热测试值的离散性及影响因素。 1 3 2 沥青混合料的导温试验及计算研究 本文拟通过设计相关模具，运用非稳态导热冷却原理和半无限大瞬态传热法比较测 定计算沥青混合料的导温系数。 本文预设计一种沥青混合料导温系数测试装置，包括u 型隔热筒、温度传感器、无 纸温度记录仪，u 型隔热筒内壁与外壁之间镶嵌满紧实的隔热保温石棉，以近似模拟 绝热条件。多 i - n 用锡箔纸包裹以防止试筒侧面散热，尽量保证试件仅从上表面散热。在 混合料成型时在不同深度预埋温度传感器，将带有传感器的成型好的试件放入u 型隔热 筒内进行温度测试。 1 3 3 沥青混合料的热物参数推算研究 通过测试得到基质沥青、改性沥青、花岗岩石子、石灰岩石子、玄武岩石子的比热 容，运用数学相关方法对基质沥青与石子分别进行拟合来计算沥青混合料的比热容。 通过导温系数测试与计算，得到沥青混合料的导温系数，根据导温系数、比热、密 度与导热系数之间的关系式推算导热系数。将分别利用比热计算值和实测值计算得到导 热系数，与之前研究者们测试或计算得出的导热系数进行比较，得到更接近实际的沥青 混合料的比热容，并提出沥青混合料比热容的推导公式。 本文的技术路线如图1 1 所示。 图1 1 本文技术路线图 6 第二章路面材料热物性测试原理与方法 2 1 热物性研究 物体的热物性研究起源于1 8 世纪，对于沥青混合料热物性的研究则在上个世纪中 期才开展，其是伴随着沥青路面温度场的研究而产生和发展的。然而在路面温度场的理 论分析法中对沥青材料的热物性的研究较少，大多将导热系数、导温系数作为路面温度 场的一个次要因素考虑。笔者认为路面材料的导热系数、导温系数是影响路面温度场分 布的重要因素，在进行路面温度场分析时应充分考虑到路面材料的导热系数和导温系 数。但是由于材料的热物参数变异性很大，笔者建议对于材料的热物性的计算应首选试 验测量。本章主要为材料热物参数测试原理，及对新型测试方法d s c 试验作了详细介绍。 2 1 1 导热系数 导热性( t h e r m a lc o n d u c t i v i t y ) 是指物体对固体或液体传热能力的衡量。导热性能好 的物体，往往吸热快并且散热也快。其大小用热导率九来衡量，单位为w ( m k ) 。热 导率又称为导热系数，其是指在稳定的传热条件下，在1 秒之内，l m 厚的材料，其两 侧表面的温差为1 度( k o c ) 时，通过1 平方米面积时所传递的热量，单位为瓦米度 ( w m k 这里的k 也可以用来代替) 。我们通常把导热系数较低的材料称之为保温材 料( 我国国家标准规定，凡平均温度不高于3 5 0 c 时，其导热系数不大于0 1 2 w ( m k ) 的 材料称之为保温材料，而将导热系数低于0 0 5w ( m k ) 的材料称为高效保温材料。) 导热系数与材料的组成结构、含水率、密度、温度等因素密切相关。非晶体结构、 密度较低的材料，其导热系数较小；材料的温度、含水率较低时，其导热系数也较小。 2 1 2 比热容 比热容( s p e c i f i ch e a tc a p a c i t y ) 3 l 称之为比热容量，简称为比热( s p e c i f i ch e a t ) ，是单位 质量物质的热容量，即：使单位质量的物体改变单位温度时所吸收或释放的内能，通常 用符号c 表示。 物质的比热容与其所进行的过程有关。在工程应用方面常见的有三种：定容比热容 c v 、定压比热容c p 和饱和状态比热容。定容比热容c v 为：在比容不变的条件下，单 位质量的物质温度升高或降低1 k 或1 c 所吸收或放出的内能；定压比热容c p 则为：当 在比压不变的条件下，单位质量的物质温度升高或降低1 k 或1 所吸收或放出的能量； 饱和状态比热容：单位质量的物质处于某饱和状态时，温度升高或降低1 k 或1 所吸 收或放出的热量。 假设有一质量为m 的物体，在某一过程中吸收或放出q 热量时，其温度升高或降 7 低t ，那么a q a t 就称为该物体在此过程中的热容量( 简称为热容) ，用c 来表示， 即：c = a q t 。则当用用热容除以质量时，即得其比热容c = c m = a q m a t 。而对于微 小过程的热容和比热容，则分别有c = d q d t ，c = l m * d q d t 。由此推出，在物体的温度 由t l 变到t 2 的有限过程中，吸收或放出的热量q - j 。( t 2 ，t 1 ) c d t = m j ( t 2 ，t 1 ) c d t 。 在一般的情况下，热容与比热容都是温度的函数，特别是在温度变化范围不太大时， 可以近似看为常量。则有q = c ( t 2 t 1 ) = m c ( t 2 t 1 ) 。当令温度得改变量为t = t 2 - t l ，便 有q = c m a t ，也就是我们中学中用比热容来计算热量的基本公式：e n e r g y = m a s s x s p e c i f i c h e a tc a p a c i t y x t e m p r e t u r ec h a n g e ；简写为：e n e r g y = m a s s x s h c x t e m pc h ，q = m c a t 。 物质的比热具有如下几个特点： 1 不同的物质具有不同的比热。比热是物质的一种特性，因此，我们可以用比热的 不同来粗略地鉴别不同的物质，但是得区分比热相当接近的那部分物质； 2 同一种物质的比热一般不随其质量、形状的变化而变化，如：一杯水与一桶水， 它们的比热是相同的； 3 对于同一种物质，比热值与其物态相关，当忽略温度对比热的影响时，同一种物 质在同一状态下的比热是一定的，但是在不同的状态下，比热是不同的。比如水的比热 与冰的比热是不相同。 4 当温度发生变化时，比热容也会发生较小的变化，所以在一般情况下我们会忽略。 比热容表格中所给的比热数值是这些物质在常温下的平均值。 5 气体的比热容与气体的热膨胀密切相关，在体积恒定或压强恒定时会不同，因此 有定容比热容和定压比热容这两个概念。但对固体和液体来说，这二者差别很小，一般 不加以区分。 2 1 3 导温系数 物体的导温系数是该物质的导热系数与其比热和密度乘积的比值。它是一个综合参 数，其表征当物体处于加热或冷却状态时，各个部分温度趋于一致的能力，又可以说导 温系数是用来说明在不稳定的导热过程中温度变动速度的特征，即为：物体的导温系数 越高，那么在相同的外部加热和冷却的条件下，物体内部温度的传播速度会越大，各点 的温度差就会越小。导温系数又称为热扩散系数a ( t h e r m a ld i f f u s i o nc o e f f i c i e n t ) 。 a = 九p c( 2 - 1 ) 式中：a ：为该物质的热扩散系数a 或热扩散率，单位为m 2 s ； 九：为该物质的导热系数，单位为w m k ； p ：为该物质的密度，单位k g m 3 ； c ：为该物质的热容，单位j k g k 导温系数的物理意义为：在物体受热升温的非稳态导热过程中，进入物体的热量沿 途不断地被吸收而使其周围温度升高，并将此过程持续到物体内部各点温度全部达到一 8 致为止( 以物体受热升温的情况为例) 。由热扩散率的定义式a = x p c 可知： ( 1 ) 物体的导热系数九值越大，在相同的温度梯度下则可以传导更多的热量； ( 2 ) 分母p c 是单位体积的物体温度升高i 。c 时所需要的热量。而p c 值越小，温度升 高1 所吸收的热量也就越少，便可以剩下更多热量继续向物体得内部进行传递，从而 能够更快地使物体内部各点的温度随界面温度的升高而升副3 6 】。 2 2d s c ( dif f e r e n tiais c a n nin gc aio rim e r r y ) 试验 2 2 1d s c 仪器简介 国际热分析协会0 c t a ) 和国际热分析和量热学协会( i c t a c ) 对热分析定义为：在程 序控制温度的情况下，测量物质的物理性质与温度关系的一种技术。测量热量和温度之 间的关系，即为差示扫描量热法( d s c ) 。 差示扫描量热法是指在程序温度下，测出输入到被测样品和参比物的功率差与温度 ( 或时间) 关系的技术。而对于不同类型的d s c ，“差示”词则具有不同的含义，对于 热流型，指的是温度差；对于功率补偿型，指的是功率差，而扫描是指程序温度的升高 降低。差示扫描量热仪( d s c ) 可分为功率补偿型和热流型两种基本类型，如下图2 1 所 示： p t 蛹传薅| i 多 功率丰h誊型怒赢型 图2 2d s c 设备构造 功率补偿型d s c 分别有两个独立的炉子，也称为量热计，其基本思想是在始终保持 样品和参比温度相同的条件下，测定为满足此条件样品和参比两端所需的能量差，并且 直接作为信号热量差q 输出。热流型d s c 只有一个炉子，样品和参比放在热皿板的不 同位置，其基本思想是在给予样品和参比相同的功率的条件下，测定样品和参比两端的 温差a t ，然后根据热流方程，将温差t 换算成热量差q 作为信号来输出。 2 2 2d s c 试验原理 d s c 是指【3 3 1 在程序温度控制下测量输入到试样和参比物之间的功率差与温度关系 的技术。d s c 测定时记录的热谱图称之为d s c 曲线，其纵坐标是试样与参比物的功率 差d h d t ，也称作热流率，单位为毫瓦( r o w ) ，横坐标为温度( d 或时间( t ) 。一般在d s c 热谱图中，吸热效应用凸起的峰值来表征( 热焓增加) ，放热效应用反向的峰值表征( 热焓 9 减少) 。由峰和基线的位置可以计算峰的面积，即焓变h ，如图2 2 所示。一般来讲， 某一温度区间的焙变a h 较大，就说明此时物质处于多相态混合的状态，在此温度区间 的性能不稳定。每一个d s c 实验都产生一系列实验数据，包括热流与温度( 时间) 的关系， 样品温度与温度( 时间) 等共7 组。对这些数据进行分析是d s c 实验的重要环节。同样一 批数据，可以从不同的角度进行分析，得到不同的结论。 鼍 赠 鞭 j 量度