（材料学专业论文）沥青路面材料吸放热测试方法及吸放热特性研究.pdf

捅要 由于沥青路面能持续储存太阳辐射热，使沥青路面长时间处于高温状态，在外部荷 载的作用下就很容易产生流动变形，既影响行车安全，同时加速了路面的破坏。不仅如 此，还加剧了城市的“环岛效应”。鉴于此开展沥青路面降温措施研究，降低路面温度对 沥青路面的影响，缓解沥青路面的“热岛效应”。本研究提出了改变路面表面特性、改变 路面结构形式等降温技术，并对其降温效果进行评价。 首先，针对沥青路面所处的光热环境，从路面受热因素出发，建立了沥青路面的热 平衡方程，通过显著水平分析，确定了室内模拟主要因素。提出改变路表面特性，即通 过增大路面辐射、蒸发潜热、路面与路基的交换热，以降低沥青路表面的热平衡温度， 减少路面热储量。其次，根据沥青路面辐射理论和影响因素显著分析，开发了室内模拟 环境温度测试装置，在此基础上，制订了室内模拟试验方案及试验方法。模拟了现场五 种典型沥青混合料和五种结构组合方式，对其在模拟条件下的吸放热规律进行了分析， 结果显示o g f c 1 3 试件上表面的升温幅度介于0 2 1 5 ，降温幅度介于0 9 2 4 c ；底 部温度的升温幅度介于叫4 ，降温幅度介于1 7 6 4 。在同一种条件下，结构2 c m 、 5 c m 处，沥青组合高于水泥组合2 2 1 0 、1 5 2 8 。最后，采用了反光性材料、隔热 材料、结构组合形式，并其对降温效果进行了对比分析，结果显示，表面处理方案中， 反光性涂抹涂料降温最好，其次为采用浅色石料莫来石最佳，掺配浅色石料的沥青混合 料方案中，掺配陶瓷方案优于掺配莫兰石方案；由于o g f c 路面结构组合能够把热量散 发出去，使其具有低储热量、低路面辐射特性，使用效果最佳。 关键词：沥青路面，热平衡，表面特性，结构组合，降温效果 a b s t r a c t a sar e s u l to ft h ea s p h a l tp a v e m e n tc a l lc o n t i n u et os t o r es o l a rr a d i a t i o nh e a t ，i tm a k e s r o a ds u r f a c ei nah o ts t a t e i nt h i sc a s e ，t h ea s p h a l tp a v e m e n ti sv e r ye a s yt ob ed e f o r m e d u n d e rt h ea c t i o no fe x t e m a ll o a d s i tn o to n l ya f f e c t e dt h es a f e t yo fd r i v i n g ，b u ta l s o a c c e l e r a t e dt h ed e s t r u c t i o no ft h ep a v e m e n t i na d d i t i o n , t h ea s p h a l tp a v e m e n ta l s oa c c e l e r a t e d ”s u r o u n di s l a n de f f e c t ”o fc i t y i nv i e wo ft h i s ，i tn e e d st oc a r r yo u tt h er e s e a r c ho fc o o l i n g m e a s u r e so nt h ea s p h a l tp a v e m e n t ，t or e l i e v et h e ”h e a ti s l a n de f f e c t ”o fa s p h a l tp a v e m e n t t h i sr e s e a r c hp r o p o s e dc o o l i n gt e c h n o l o g y , s u c ha sc h a n g i n gp a v e m e n ts u r f a c ep r o p e r t i e s ， c h a n g i n gt h es u r f a c es t r u c t u r ea n ds oo n ，a n de v a l u a t i o no fi t sc o o l i n ge f f e c t m a i n l yi n c l u d e s a sf o l l o w s ： f i r s to fa l l ，t a r g e t i n gt h ea s p h a l tp a v e m e n tl i g h tt h e r m a le n v i r o n m e n t ，t h i sp a p e rh a s e s t a b l i s h e dt h er e a ls u r f a c et h e r m a le q u i l i b r i u me q u a t i o nf r o mt h ev i e wo fh e a t i n ge l e m e n t t h r o u g ht h ea n a l y s i so fs i g n i f i c a n tl e v e l ，i td e t e r m i n e dt h em a i nf a c t o r so fl a bs i m u l a t i o n i t p r o p o s e dt h a tc h a n g i n gp a v e m e n ts u r f a c ep r o p e r t i e s ，t oi n c r e a s et h es u r f a c er a d i a t i o n , l a t e n t h e a to fe v a p o r a t i o n ，h e a te x c h a n g es u r f a c ea n ds u b g r a d ei no r d e rt oc u td o w nt h et h e r m a l e q u i l i b r i u mt e m p e r a t u r ea n dr e d u c et h eh e a ts t o r a g eo ft h er o a ds u r f a c e s e c o n d l y , a c c o r d i n g t ot h ea s p h a l tp a v e m e n tr a d i a t i o nt h e o r ya n ds i g n i f i c a n ta n a l y s i so fi n f l u e n c ef a c t o r s ，i t d e v e l o p e dl a be n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r et e s t i n gs i m u l a t o r o nt h i sb a s i s ，im a d et e s tp l a na n d t e s tm e t h o d so fi n d o o rs i m u l a t i o n ，s i m u l a t e do n - s i t ef i v ek i n d s o ft y p i c a la s p h a l tm i x t u r ea n d f i v es t r u c t u r ec o m b i n a t i o n s ，a n a l y z e di t sr e s i d u a le n e r g ya b s o r p t i o no fs u c t i o ni nt h e s i m u l a t i o nc o n d i t i o n s r e s u l t ss h o wt h a tt h es u r f a c eh e a t i n gt e m p e r a t u r eo nt h et o po f s p e c i m e ni sb e t w e e n0 2 - 1 5d e g r e e sc e l s i u s ，c o o l i n gr a n g ei s b e t w e e n0 9 2 4d e g r e e s c e l s i u s ；t h eb o t t o mt e m p e r a t u r ei sb e t w e e n0 - 4 4d e g r e e sc e l s i u s ，c o o l i n gr a n g ei sb e t w e e n 1 7 “4d e g r e e sc e l s i u s i nt h es a m ec o n d i t i o n s ，a s p h a l tm i xi s2 2 - 1 0 c 、1 5 - 2 8 ch i g h e r t h a nc e m e n tc o m b i n a t i o na t2 c ma n d5 c m f i n a l l y , t h i ss t u d y a d o p t st h er e f l e c t i v em a t e r i a l s ， i n s u l a t i o nm a t e r i a l s ，s t r u c t u r ec o m p o s i t i o n s ，a n da n a l y z e dt h ec o o l i n ge f f e c t r e s u l t ss h o wt h e h e a tr e f l e c t i v ec o a t i n gm a t e r i a l si sb e s t u s i n gl i g h tc o l o rs t o n em u l l i t ei sb e r e r i nt h e s c h e m e so fb l e n d i n gl i g h t - c o l o r e ds t o n eo fa s p h a l tm i x t u r e ，b l e n d i n gc e r a m i c ss c h e m ei s b e t t e rt h a nb l e n d i n gm u l l i t e ；b e c a u s eo fo g f cp a v e m e n ts t r u c t u r ec a ns e n dt h eh e a t ，l o w h e a ts t o r a g e ，l o wr a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fr o a d t h eu s i n gr e s u l t sa r et h eb e s t k e yw o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t ；t h e r m a le q u i l i b r i u m ；s u r f a c ep r o p e r t i e s ；s t r u c t u r e c o m p o s i t i o n ；c o o l i n ge f f e c t n 长安大学硕士学位论文 1 1 项目概述 第一章绪论 近2 0 年来，我国公路建设突飞猛进，2 0 0 8 年全国高速公路总里程突破了6 万公里， 截止到2 0 0 9 年底，全国高速公路总里程达到6 1 3 9 1 公里( 见图1 1 ) 。 19 8 61 9 8 819 9 019 9 2 19 9 419 9 619 9 82 0 0 0 2 0 0 2 2 0 0 4 2 0 0 6 2 0 0 8 图1 1 我国高速公路发展趋势 年份 据资料统计，高速公路大部分为沥青路面，占总里程的7 5 以上。目前，我国多数 高速公路在建成运营后，出现的早期病害主要有：水损害、松散、车辙、裂缝、泛油等。 其中车辙最为严重、危害最大，它也是沥青路面特有的一种损坏现象。在高速公路上一 旦形成严重的车辙，就会影响高速行车的舒适与安全，同时加速了路面的破坏。另据介 绍，在日本累计交通量超过3 0 0 万辆的道路上，r d 1 0 m m 的占5 0 以上，需要进行维 修处理的沥青路面8 0 以上是由于车辙过深引起的【l 】。 究其原因，沥青路面的黑色特性，使得路面具有较强的吸热能力，而整个路面又构 成了一个巨大的温度场，由于热量的大量聚集、蓄积，使得路面温度不断升高，这也是 在夏季沥青路面的温度远高于气温的原因。由于热量难以从沥青路面中散出，使沥青路 面长时间处于高温状态，在外部荷载的作用下就很容易产生流动变形，从而形成车辙。 通过分析路面车辙产生的原因可以看出，高温环境是车辙产生的最直接的因素【2 1 。 r 0 o 0 0 0 0 o 卦“剖0 0 0 o 0 0 a = 0 0 0 0 0 0 0 o 0 0 o o 6 5 4 3 2 1 第一章绪论 j ， u 4 ，0 u3 口u口， 温度 图1 2a c 1 6i 型混合料在不同温度下的动稳定度( 次，m m ) 1 3 1 从图1 2 可以看出，温度每增加5 ，不同混合料的动稳定度都会产生非常大的变 化，尤其在4 5 。c , - 6 0 。c 之间变化最明显。故有必要采取措施降低路面的温度，延缓车辙 病害的产生。目前的解决办法，主要是提高沥青混合料的高温稳定性，例如采用提高沥 青的高温性能、采用骨架型级配等，加之近年来大量采用改性沥青；骨架型级配的采用 使得施工难度和质量变异性增大，从而加剧了水损害，改性沥青的使用增加了建设成本。 然而实践表明，上述措施并未从根本上解决车辙问题。 此外，随着经济和社会的发展，城市人口不断增加，城市规模也迅速发展，工厂、 汽车、空调等排放的热量越来越多，造成在温度的空间分布上，城市犹如一个温暖的岛 屿“城市热岛效应，【4 】。 盘“- ，娶难呆。覃 礴嗡 图1 3 “城市热岛效应”示意图 城市“热岛效应”是一种城市化的发展导致城市中的气温高于外围郊区的现象。其反 应的是一个温度差的概念，也就是说只要存在温度差，就会存在城市热岛，因此，一年 当中都会产生，对于居民生活的影响来说，主要指的是在夏天。近年来，世界各地的城 2 o 卯 如 伸 燃似撵露 长安大学硕士学位论文 市”热岛效应”越来越明显，导致城市气温不断上升( 见图1 4 ) ，严重影响了人类的生活 质量。而“热岛效应”的形成，一方面是在现代化的大城市中，除了数百万人日常生活所 排放的热量，还有工业生产、交通工具散发的大量热量。另一方面，城市的建筑群和地 下面热容量大，反射率小能有效的储存太阳辐射热。 3 5 o 3 圣3 0 0 卜- 2 5 2 0 八口a 八工 i n t e n s eh e a td a y k口凡又f hv 一埘妒k k 石 暑 ， 、。懈 - o t o k y o 咖s h a n 曲a i l 矿 _ _ t。 11 1日3 11 02 03 0 ( j u l y ) 2 0 0 8 ( a u g u s t ) 图1 4 日本和上海2 0 0 8 年七、八月份每天最高气温统计1 5 l 近年来，城市建设的不断发展，城市环城路、绕城高速等相继出现，其中大部分采 用沥青路面。如果沥青路面温度达到6 0 7 0 ，路面的发射率取o 8 7 5 ，根据传热学的知 识，可以计算出路面的长波辐射为6 1 0 1 6 8 6 7 w m 2 ，而在我国夏季太阳的直接辐射强 度在7 0 0 1 0 0 0w m 2 ，可以看出其辐射能力是很强的，一条一条环城路，就像电炉丝一 样，烘烤着整个城市。若可以降低1 5 ，路面的发射率也取0 8 7 5 ，可以降低路面的 长波辐射2 7 9 6 - - 2 9 6 3 w m 2 。由此可以看出，降温幅度的可观性。 由于沥青路面能有效地储存太阳辐射热，使得城市沥青路面的“环岛效应”日益显 著，加剧了“城市热岛效应”对城市气候的影响。因此，我们有必要在城市路面降温方面 采取措施，进而缓解城市沥青路面对城市“热岛效应”的影响。 上述现象表明，传统的被动的提高沥青混合料使用性能的措施虽然能够延长路面使 用质量及使用寿命，但是这些都是被动的技术措施，主动降低沥青路面吸放热能力才是 最佳选择。 1 2 国内外现状 2 0 世纪7 0 年代后，美国、西欧及日本等一些科技发达的国家相继研制出了热反射 涂层，通过反射辐射热，以此来降温。英国、美国、日本等国家在军事上，开始研究一 3 第一章绪论 种以反射近红外线为主的红外热反射涂料。目前西方国家在热反射涂料的研究工作中， 已经取得了一些专利，并制定了一些相应的标准。 国外对热反射涂料的研究可以说是层出不穷，例如：在聚乙烯薄膜上涂z n s ，能够 反射8 0 以上的太阳光，致冷空间温度比环境温度低1 2 c 【6 】。美国一项专利介绍了一 种在近红外具有较强反射能力的日光热反射涂料，在美国军标中也规定了相应的检测方 法【7 卅。英国也出现了类似的反射涂料，近红外反射率之7 0 ，太阳光总反射率4 5 1 9 】。 2 0 世纪7 0 年代，日本的武居- - n 首次研制出了建筑物用太阳能反射涂料。冈田道夫则 对太阳能反射涂层进行评估 1 0 - n l 。就目前看来，很少用于道路工程方向。 另据中国日报网站消息，2 0 0 4 年日本国土交通省下属的土木研究所和民间建筑公司 合作，共同开发出使沥青路面温度下降的建筑材料。据介绍，这种材料反射太阳光的能 力强，可直接涂在路面上，使路面积蓄的热量较少，不会出现与路面剥离的现象，而且 施工时间短，造价也不高，会大大缓解城市”热岛效应”【1 2 】。从路面降温的材料创新方 面看，这一个不小的突破。 2 0 世纪9 0 年代，国内就热反射涂料也开展了大量的研究工作。例如：研制的a a s 型隔热防火涂料涂刷在屋面上，能把6 0 - - 7 0 太阳辐射热反射出去，起到很好的隔热效 果【1 3 】；海灰色选择反射涂料可以反射8 0 的红外热辐射和3 5 以上的可见光，平均总反 射率达5 4 ，比铝粉漆的反射率还高，取得了明显的降温效果【1 4 1 。还有其他国内研究院 相继研发出各自的降温涂料，在降温效果上各有千秋，通过自制的试验方法进行测试， 合格后并应用于实践。 从国内的文献资料看，大部分热反射涂料用于建筑、军事等方面，也很少应用于道 路工程方面。不过，其他降温方式的研究还是有的，例如：在德国，将锻烧铝矾土碎石 用于沥青路面”】，由于沥青含量不高，且沥青不应完全覆盖石料，而是部分暴露于大气 之中。其目的就是降低沥青路面的温度。八十年代初期，青藏线曾经使用过无规聚丙烯 作为浅色路面材料，但效果收获甚小。后结合国外经验，多年冻土地区公路曾使用热棒 制冷、e p s 板隔热等技术【1 6 1 ，取得了一定效果；用特殊工艺将沥青固有的黑褐色脱色， 然后与石料、颜料及添加剂等混合搅拌生成具有与改性沥青相似的性能彩色沥青，该沥 青不易产生剥离、开裂等路面破坏现象，而且颜色鲜艳、持久，弹性好、透水性强，改 变由于大量铺筑沥青路面产生的“热岛”效应，减少环境污染；在混凝土中加入颜料、脱 色沥青，制成彩色沥青混凝土，其路用性能与普通热拌石油沥青混凝土相同。使用彩色 沥青混凝土也可以改变由于大量铺筑沥青路面而产生的“热岛”效应，减少环境污染。 4 长安大学硕士学位论文 除了改变路面的反射特性，在道路结构方面，采用透水路面，以便增加路面的蒸发 潜热，利用其通透性，在风的作用下达到降温的效果。2 0 世纪6 0 、7 0 年代，德国的一 些小镇将道路改为石块路，实践证明这对环境和补给地下水效果都非常好。意识到这一 点后，德国开始强调路面的透水性，为了适应现代交通的发展要求，对透水性沥青路面 展开系统的研究。2 0 世纪8 0 年代起欧洲的荷兰、比利时、德国、法国和奥地利等国， 开始研究采用透水路面。还有日本东京都立大学研究院的一个研究所，目前在着手研究开 发一种具有轻型纤维强化混凝土特征的蜂窝式混凝土。他们通过调整吸水树脂及其他成 分，制作出各种样品，并根据其吸水、蒸腾作用取得了抑制温度的满意效果 1 7 - 1 8 】。 目前我国对透水路面的研究尚处起步阶段，1 9 9 7 年开始对水泥混凝土透水路面的研 究，并在浦东新区的一段道路上，首次进行了探索性的设计及施工实践，对水泥混凝土 路面的透水和排水性能取得了明显的效果。在这基础上进一步探索研究，并在西藏北路 穿越铁路的地道工程中采用了沥青混凝土透水路面方案，建成后的使用情况表明取得了 设计预期的良好效果，但也显示出需要进一步研究，进行优化完善。随后，国内部分大 城市也采用了透水路面，一些科研院所、大学也开展了相应的研究，并初见成效。 从国内外的文献来看，透水路面研究多集中在透水性能和降噪方面，虽然说透水路 面还处于摸索阶段，不免有很多缺陷，不过实践证明透水路面有降温效果。 综合国内外研究，沥青路面多采用的降温方法主要有： ( 1 ) 从路面辐射角度出发，在原有路面基础上添加或涂抹降温材料，增加路面反 射率。 ( 2 ) 从路面结构类型出发，采用透水路面，有利于增发潜热，降低路面热容量。 ( 3 ) 采用柔性基层【1 9 之，设置过渡层，加大路面与路基的传热。 以上方法可以在一定程度上降低路面温度的升高速度，延缓路面平衡温度出现的时 间，使得路面平衡温度温度降低，进而起到降温的效果。不过，目前还未出现测试其降 温效果的试验方法及标准，也未掌握辐射控制、调节路面温度场的核心技术。 1 3 主要研究内容 从沥青路面的光热环境出发，分析环境因素对沥青路面的影响，结合传热学的基本 原理，建立室内模拟平台，开发室内试验装置，提出室内试验方法。结合以往经验，提 出自己的降温方式，并通过室内试验评价其降温效果，结合室外测试进行验证。具体研 究内容如下： 5 第一章绪论 ( 1 ) 沥青路面热平衡及降温技术机理分析。 根据传热学基本原理及环境因素对沥青路面的影响，建立沥青路面热平衡理论； 分析实际沥青路表面的热平衡状态，通过条件假设，计算热平衡温度影响因素 的显著水平，确定主要因素，以便室内模拟试验，还对各个因素对平衡温度的影响进行 分析； 提出自己的降温途径，并对其降温机理进行分析。 ( 2 ) 开发的试验装置，制定试验方法。 简述装置的设计原理，介绍装置的各部分组成； 介绍试验测试方式、试验准备工作、试验步骤及仪器操作； 介绍试验数据结果分析方法 ( 3 ) 反光、隔热材料降温效果的测试研究 通过室内标准试验，建立比对标准； 分别对涂抹反光材料、表面浅色石料处治，外掺隔热材料的降温效果进行测试； 结合室多 i - n 试，验证室内试验结果。 ( 4 ) 在自行开发的设备基础上加以改进，对不同路面组合的进行室内模拟，测试其 升降温特性，提出一种有利于路面降温的结构组合。同时为绿色环保路面提供可参考的 评价方式。 6 长安大学硕士学位论文 2 1 技术路线 第二章技术路线及试验方案 本研究借鉴以往经验，针对沥青路面所处的光热环境，从路面受热因素出发，提出 改变路表面特性、改变路面结构形式等降温技术措施。在研究过程中，通过理论假设分 析，自行开发了一种测试道路工程筑路材料吸放热特性的试验装置，在此基础上，还制 订了一整套室内试验方法，为以后制定相应标准提供参考和依据。技术路线见图2 1 。 分析、历前狮弱掘别谪的原困确定趁翳翔垛 j i 结舒狮璐搠蚴圾理黼确危封确匏掺数并昆蜘铘雅醢防案1 2 2 试验方案 图2 1 技术路线图 否 标准试验研究方案： l 、结合实际路面温度测试和室内尝试试验确定室内模拟参数。 2 、测试五种车辙板( a c 1 3 、a c 1 6 、a c 一2 0 、s m a 1 6 、o g f c 1 3 ) 在规定 7 第二章技术路线及试验方案 条件下的单板吸放热特性； 3 、室外试验对比室内模拟试验结果。 反光、隔热材料研究方案： 1 、选取尺寸为3 0 c m x 3 0 c m x 5 c m 的a c 一1 3 车辙板 ( 1 ) 表面添加浅色石料； ( 2 ) 集料4 7 5 m m 以下采用莫来石； ( 3 ) 集料4 7 5 m m 采用陶瓷。 2 、选取尺寸为3 0 c m x 3 0 c m x 5 c m 的o g f c 一1 3 车辙板 ( 1 ) 表面涂抹降温涂料； ( 2 ) 添加不同含量隔热骨料( 试验采用质量替换) 。 3 、选取降温效果相对好的处置方式进行室外对比试验。 结构组合研究方案： 1 、室内初步模拟沥青路面的三个面层，组合方式分别为： 组合1 ：a c 一1 3 、a c 一1 6 、a c 一2 0 ； 组合2 ：s m a 一1 6 、a c 一1 6 、a c 一2 0 ； 组合3 ：o g f c 1 3 、a c 一1 6 、a c 一2 0 2 、室内模拟沥青路面的两个面层，采用五种组合方式进行试验。 沥青路面的结构类型模拟。 ( 1 )a c 一1 3 + a c 1 6 两种板，尺寸均为3 0 c m x 3 0 c m x 5 c m ； ( 2 )s m a 1 6 + a c 一1 6 两种板，尺寸均为3 0 c m x 3 0 c m x 5 c m ； ( 3 )o g f c 一1 3 + a c 一1 6 两种板，尺寸均为3 0 c m x 3 0 c m x 5 c m ； ( 4 ) 无砂混凝土，尺寸均为3 0 c m x 3 0 c m x1 0 c m ： ( 5 ) 水泥混凝土，尺寸均为3 0 c m x 3 0 c m x l o c m 。 3 、室内降温测试研究 4 、室外对比试验。 8 长安大学硕士学位论文 试验方案的流程如图2 3 所示。 2 3 试验方案流程图 三囹 9 第三章沥青路面热平衡及降温技术机理分析 第三章沥青路面热平衡及降温技术机理分析 3 1 基本原理 在分析沥青路面热平衡之前，需要了解一下传热的基本原理【2 2 “】。因为在物体达到 热平衡的整个过程中，一直伴随着热量的传递。传热是由于温度差引起的能量转移。在 一种介质内部或两种介质之间，只要存在温差，就必然出现传热过程。传热的基本形式 包括：热传导、热对流和热辐射。 3 1 1 热传导 热传导简称导热，是指两个互相接触且温度不同的物体，或同一物体的各不同温度 部分问，在发生相对宏观位移的情况下所进行的热量传递过程。 热传导的傅立叶定律：物质内部存在温度梯度时会导致其内部能量传递，能量传递 的速率的计算公式为： g ：一k aa t ( 3 1 ) g 一：号“罢 ( 3 2 ) 1 彳锄 、7 式中：g 传热量，单位w ； g 。一热流密度，表示单位面积上的热传量，单位w m 2 ； _ a t 一面积a 的法线方向的温度梯度； 七一导热系数，单位为w m 。 注：负号表示热量总是沿着温度降低的方向传递。 3 1 2 热对流 热对流是由于液体、气体在温度不同的各部分之间发生宏观相对运动所引起的热量 传递过程。热对流是在流体微团水平上进行的热量传递。在热对流传递热量的同时，流 体中也存在导热。 空气是一种流体，通常它处于紊流状态，但在贴近固体表面会有一粘滞边界层。在 粘滞边界层内，温度是线性分布的，在紊流区内，由于流体的激烈掺混作用，温度近乎 均匀，见图3 1 。 l o 长安大学硕士学位论文 在直接靠近固体表面的粘滞层中，没有对流混合，热量的转移主要靠传导作用，温 度值从五急剧地降到瓦。粘滞层的厚度为艿，其中的温度梯度近似地等于望，因 此热流密度为： g ”一等( 瓦一疋) ( 3 3 ) 式中：包一流体的导热系数； 6 一粘滞层的厚度。 t s 图3 1 对流换热示意图 对流换热方程：当固体与和它温度不同的运动流体相接触时，流体将从物体带走能 量或通过对流将能量传给物体。若物体的上游温度为瓦，固体的表面温度为r s ，单位时 间的传热量由下式计算： g 。= 一向( 五一瓦) ( 3 4 ) 式中： g 一热流密度，w m 2 ； 办一放热系数，单位w m 2 。 通过比较式( 3 3 ) 与式( 3 4 ) ，得到： 厅：堡 艿 ( 3 5 ) 流体的导热系数恕取决于流体的特性。边界层厚度艿取决于固体表面的粗糙度、流 体的粘滞系数及流速。故固体表面放热系数厅与固体本身的材料性质无关，而取决于固 第三章沥青路面热平衡及降温技术机理分析 体表面的粗糙度、流体的导热系数、粘滞系数、流速及流向等。 3 1 3 热辐射 凡温度高于绝对零度的物体都会向外界以电磁波的形式发射能量，这一过程称为热 辐射。物体发射的电磁波所具有的能量称为辐射能。这种辐射是由于分子、原子的热运 动引起的，辐射能量与温度密切相关。热辐射不仅与温度有关，与物体的材料及表面性 质也有关系。 v i o l e t b t a e ( j 赋ny e l l o w o r a a g c r e d 图3 2 电磁光谱 电磁光谱的范围很广，从波长1 0 - - 1 6 9 m 的宇宙射线，到波长达几千米的无线电波， 但热辐射的波谱范围仅为o 1 - 1 0 0 雌n ，是整个电磁波谱中相当窄小的一部分，见图3 2 。 为了消除表面性质对辐射的影响，提出黑体模型。黑体是研究热辐射的理想体，即 在任何温度下都能全部吸收照射到它表面上的辐射。黑体的辐射强度与波长、温度的关 系遵循普朗克定律，其公式为： e ：_ 2 r c h c 2 l 从 ( 3 6 ) 岛2 1 广e h r - 1 从 式中：乓一黑体辐射度( w m 2 ) ： 厅一普朗克常数( 6 6 2 6x 1 0 。3 4 j s ) ； j j 一玻尔兹曼常( 1 3 8 x1 0 彩j k ) ： a 波长，m ； c 一光速，m s ； t _ 一绝对温度，k 。 在全波长范围内积分，得斯蒂芬一波尔兹曼方程， 即黑体的总辐射度仅与温度的 四次方成正比。 1 2 _ 、 i 一|_一葭匿酸隧一目曩隧暖!l，一一_，一一一一_。匠 长安大学硕士学位论文 & 弘 争+ 孕+ 孚= a x + f 无t 托：1 ( 3 1 0 ) e ke ke l 4 第三章沥青路面热平衡及降温技术机理分析 以在全波长范围分别进行积分，则： 呵叫a = 篙= 鲁 卢= 鲁 ( 3 1 2 ) f = 竺( 3 1 3 ) f 式中：口一吸收率； 卢一反射率； f 一透射率； e 一总热辐射。 口+ 卢+ f = 1 ( 3 1 4 ) 对于多数固体，热辐射是透不过去的，即投射到物体上的热辐射要么被吸收，要么 被反射，式( 3 1 4 ) 可化为： a + 卢= 1 ( 3 1 5 ) 3 1 4 热平衡 若两个系统只发生热交换而未发生其他变化，热量总是由高温系统流向低温系统。 当二者的温度相等时即达热平衡。即是吸收和放出的热量相等，称作热平衡。假设物体 吸收的太阳能为巨，大气辐射热为，大地辐射热为k ，对流换热为毛，热传导得 到的热量为e ，物体表面对外辐射散射损失为e ，至j g z _ , 物体在自然环境中得到的净热 流密度g 。为： q 1 = e s + e 。睁+ e 。+ e h + e c e r ( 3 1 6 ) 根据式( 3 1 6 ) ，可知：当g 。 0 ，说明物体处于升温过程；当q 。 1 5 0t 0 6 0 5 5 含蜡量( 蒸馏法) 牛2 22 ot 0 6 1 5 6 软化点( t r & b ) 女4 65 1 t 0 6 0 6 7 6 0 c 动力粘度p a o s术1 8 02 3 6t 0 6 2 0 8闪点之2 6 03 3 6t 0 6 1 1 9 溶解度 术9 9 59 9 7t 0 6 0 7 1 0 密度( 1 5 ) g c m 3 实测1 0 3 7t 0 6 0 3 质量损失牛：l - 0 80 0 7t 0 6 0 9 t f o t 1 l 针入度比( 2 5 ) 术6 l6 6 3t 0 6 0 9t 0 6 0 4 ( 1 6 3 c ，5 h ) 延度( 1 0 ) c m术67 t 0 6 0 9t 0 6 0 5 粗集料( 碎石) 的技术指标见表5 2 。 表5 2 粗集料技术指标 编号试验项目单位 技术要求实测结果试验依据 l表观相对密度术2 63 0 3 2 t 0 3 0 4 2吸水率牛2o 6 6 3压碎值牛2 61 1 0t 0 3 1 6 4洛杉矶磨耗损失( c 组)牛2 81 2 6t 0 3 1 7 5磨光值( p s v )束4 04 7t 0 3 2 l 6冲击值5 8t 0 3 2 2 7坚固性牛1 21 0t 0 3 1 4 8 针片状含量 丰1 81 2 5t 0 3 1 2 4 1 第五章反光、隔热材料降温效果的测试研究 9 含泥量( o 3 m m 部分) 牛1 23 0t 0 3 4 0 3 含泥量( a c 1 6 a c 1 3 s m a 1 6 。 o g f c 1 3 的上部空气温度、底部空气温度、试件底部温度均高于s m a 1 6 ，差值在 3 9 5 7 c 之间，而试件表面温度只相差1 9 c ，分析其原因得：由于s m a 1 6 沥青含量 较高且质密，能有效地吸收并储存热量，导致上部空气温度、底部空气温度低于 o g f c 1 3 。 2 、试验2 相应的温度变化曲线 1 0 m i n 2 5 m l n 5 0 m l n 8 0 r r m n l l o m i n 2 m i n1 5 m m 3 0 m l n 6 0 m m 9 0 m r r l 2 0 m i n 时间 图5 8 上部空气相对温度变化曲线 1 0 m m 2 5 m m s o m l n 8 0 r 邝n 1 1 0 me n 2 m nl f i r n l n 3 0 m e n 6 0 m l n g o r r w r r l 2 0 m i n 时间 图5 1 0 试件底部相对温度变化曲线 曲线分析说明： 1 0 m m 2 5 r n l n s o m m 8 0 r r n m l o m i i i 2 m m1 5 m = n 3 0 m l n 6 0 m n 9 0 r r u n l 2 0 m i n 对问 图5 9 底部空气相对温度变化曲线 l o m i n 2 5 m m s o r n e l 8 0 r m r d l o m n 2 m m n1 5 m n 3 0 m n m h 9 0 州r im 2 0 m h 时间 图5 1 l 试件表面相对温度变化曲线 ( 1 ) 从图5 9 5 1 0 可以看出，加热到1 3 0 分钟后，试件底部温度和底部空气温度 o g f c 1 3 均到达最大，分别为5 7 2 、4 7 2 。 ( 2 ) i 日i 过结合图5 1 0 - 5 1 1 和表5 8 ，试件上表面温度降温最大的是o g f c 1 3 ，达到 5 0 万 甜 扪 估 侣 佗 9 6 3 o 豁一莨罂扩科嚣世 8 6 4 2 0 8 6 4 2 o 魁竭靛霉f制器q 5弘盯m”俘侣位9 6 3 o 魁赠茛霉旧群肇嚆5打m”信俘住9 6 3 o 越碉箍茛罂世棼簿 长安大学硕士学位论文 2 9 4 ，其次a c 2 0 、a c 1 6 、a c 1 3 ，s m a 1 6 试件降温最慢，降温幅度值为2 7 8 ， 相对于o g f c 1 3 低了1 6 。试件底部温度降温最大的也是o g f c 1 3 ，达到2 3 ，相 对于s m a 1 6 降温幅度高了3 1 。其次a c 2 0 、a c 1 6 ，s m a 1 6 降温与a c 1 3 最小， 而且接近，只相差o 2 。但是，从图5 1 0 降温后期9 0 1 3 0 r a i n 可以看出，s m a 1 6 的 绝对温度要高于其它试件。 结论：从升温的趋势来看，曲线的变化规律符合前面单板固定周期的规律，s m a 1 6 和a c 1 3 的升温较慢，由于二者的密度较大，储热量也就越大( 储热量与密度成正l t ) 。 a c 1 6 、a c - 2 0 、o g f c 1 3 升温较快，储热量较少。降温的趋势来看，密度越大，传热 降温的速度就会越慢。试验结果显示o g f c 1 3 的上表面升温幅度比其它试件高出 o 7 1 5 ，试件底部高出o 1 6 ；上表面降温幅度比其它试件高出0 9 1 6 。c ，试件底部 高出1 9 3 3 。注：相对温度是相对于室温来说的。 5 1 4 室外试验测试 图5 1 2 室外测试平台 测试条件：天气晴，风速在0 - 0 5 m s ，最高气温3 8 9 。c ，最低气温2 4 1 c ( 8 ：0 0 1 8 ：0 0 ) ， 平均气温3 3 9 7 ( 2 。室外试验平台见图5 1 2 所示，试验结果见表5 8 。 表5 8 室外测试结果( 1 2 ) a c 1 3a c 1 6a c 2 0 o g f c 1 3s m a 1 6 气温 时刻表面底部 表面底部表面底部表面底部表面底部 8 ：0 02 4 8 2 2 9 2 4 8 2 3 22 4 8 2 3 12 4 8 2 3 12 4 62 3 42 4 1 8 ：3 02 7 2 2 4 92 7 22 5 1 2 7 22 5 1 2 7 12 5 12 6 22 5 12 5 2 5 0 4 5 魁柏 赠 瞎 懈3 5 3 0 第五章反光、隔热材料降温效果的测试研究 9 ：0 02 8 82 7 42 8 62 7 12 8 82 7 13 0 82 7 12 7 62 6 12 6 1 9 ：3 03 1 12 9 73 1 62 9 93 1 62 9 83 3 22 9 83 0 42 8 32 6 5 1 0 ：0 03 3 43 0 23 3 23 1 13 3 83 1 33 3 63 1 33 2 93 0 32 6 9 1 0 ：3 03 5 83 1 83 6 23 4 23 6 13 4 23 5 63 4 23 4 43 1 32 8 9 1 1 ：0 03 7 83 4 33 8 13 4 83 9 23 6 53 9 2 3 6 5 3 6 23 2 33 1 1 1 1 ：3 04 0 83 7 84 2 63 7 8 4 2 83 9 14 2 6 3 9 1 4 0 83 3 2 3 3 2 1 2 ：0 04 3 23 9 94 4 24 2 14 4 64 1 24 5 84 1 24 3 63 7 23 4 1 1 2 ：2 04 5 64 1 54 6 24 3 14 6 24 2 24 6 44 2 24 5 83 7 83 5 8 1 2 ：4 04 8 14 3 24 8 44 4 24 8 34 3 94 8 84 3 94 7 93 9 23 7 2 1 3 ：0 04 9 14 4 34 9 44 4 44 9 24 4 25 0 34 4 25 0 14 0 23 7 4 1 3 ：2 05 0 84 4 75 0 84 4 65 1 24 5 35 3 44 5 35 0 84 0 53 8 4 1 3 ：4 05 1 8 4 4 9 5 1 4 4 4 85 1 6 4 6 5 5 2 14 6 55 0 94 2 13 8 6 1 4 ：0 05 2 14 5 15 1 44 5 25 2 14 7 15 3 84 7 15 0 9 4 3 5 3 8 8 1 4 ：2 05 2 44 5 25 2 44 6 15 3 44 8 15 3 44 8 15 1 84 4 93 8 9 1 4 ：4 05 3 64 5 35 3 84 6 85 4 24 8 95 4 44 8 85 2 44 5 13 8 6 1 5 ：0 05 2 84 5 55 3 34 7 25 3 64 9 15 3 45 0 35 3 44 6 53 8 4 1 5 ：2 05