基于熱傳導理論下的瀝青混凝土路面控溫結構

王志磊 王露露 張曉靜

摘要：基于熱傳導的原理，對傳統的路面結構之間的熱量傳導進行分析，得出熱量難以持續向下傳導的主要原因是由于傳統結構中下面層與基層的熱傳導系數和比熱容等熱力學參數不合理。利用石墨、陶瓷等熱力學參數較大的材料對傳統結構進行改性，使得各結構層之間形成導熱系數梯度，達到路面熱量由路面與土基交換的目的。

關鍵詞：瀝青混凝土路；控溫結構；熱傳導原理

0 引言

道路環境場的諸多因素之中，對道路結構影響最大的是溫度和濕度，而就不同的區域而言，影響最廣的是溫度，因此本文針對現有幾種路面結構隨溫度變化幅度較大、溫度梯度較大的問題，采用不同改性材料改進結構層熱傳導系數及比熱容等性質，促進路面結構與路基的熱量交換，以減緩路面溫度變化幅度，具體主要達到以下目標：降低路面結構由環境溫度變化引起的溫度變化幅度；減小路面結構內部溫度梯度；提高土基與路面結構的熱交換程度[1，2]。

1 瀝青路面中的熱傳導原理

對于瀝青路面結構而言，瀝青路面面層結構溫度變化受外界影響最大，當外界氣溫過大且太陽輻射較大時，瀝青路面面層溫度將高于基層溫度，此時溫度由面層傳遞到基層再傳遞到土基；當外界溫度較低且太陽輻射非常微弱時，溫度由土基上傳到基層，再由基層傳至面層。

因為級配碎石導熱系數小， 具有隔熱保溫的作用， 所以引起瀝青面層的溫度較典型半剛性基層路面結構高約0.1℃～0.7℃， 溫度梯度較典型半剛性基層路面結構低， 故設置級配碎石上基層可以減小面層溫度梯度， 改善其應力情況， 同時由于級配碎石的"溫度遲鈍性"， 可減少基層溫度波動性， 改善基層的溫度環境， 減少其溫縮的可能性；

2組成設計研究

2.1 石墨摻量對路面導熱能力的影響

在瀝青混凝土中摻入過多的石墨，易削弱其力學性能。本課題選用碳纖維作為導熱瀝青混凝土的增強劑。碳纖維是是一種是由有機纖維經固相反應轉變而成的纖維狀聚合碳，具有一般碳素材料耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕、化學穩定以及導熱、導電等特性，而且碳纖維對瀝青混凝土和半剛性基層既具有良好的加筋增強作用，本文選用的碳纖維，其性能指標如表所示。石墨摻量對不同深度處溫度場分布的影響如圖所示，在相同石墨摻量下，路面的最高溫度隨深度的增加而降低。以不加石墨的瀝青混凝土為例，表面的最高氣溫為68.7℃，而在8cm處，最高溫度下降到了53.3℃此外，隨著石墨摻量的增加，路表的溫度稍稍有所下降，這是由于熱量從路表消散的速率增大的緣故。但是，路面內部溫度的變化幅度比路表要大得多；石墨摻量越大，路面內部的最高溫度越高；路面越深，其最高溫度的增幅越大。例如，當石墨摻量從0%增加了20%時，3cm處的最高溫度從62.1℃上升到63.9℃，增加了1.8℃但10cm處的最高溫度增加了3.4℃。

圖1 路面溫度隨石墨摻量變化

根據以上的數據變化，可以看出在混合料中添加石墨纖維可以實現瀝青面層溫度的加速傳導，而在熱傳導之后瀝青的中、下面層的溫度升高明顯，說明面層溫度大量的加速向下傳導是可以通過在路面結構中添加石墨來實現的。

2.2 路面結構的確定

由于摻入過多的石墨會導致混合料力學性能的削弱，所以在混合料中加入0.2%的碳纖維，防止力學性能的衰減。結果表明：當石墨摻量由0%增加至22%時，瀝青混凝土的導熱系數增大了37%，導溫系數增大了63%，表明石墨能大大加快熱量及溫度在瀝青混凝土中的傳遞速率，從而有利于提高瀝青路面太陽能集熱技術的集熱效率。

本文擬采用上面層為SMA-13，中面層為AC-20，下面層為ATB-30的路面結構，對應的石墨摻量分別為0%、12%、22%（瀝青的百分比），從上到下依次增加各層的導熱系數，形成層位間的溫度梯度，基層采用水泥穩定碎石，摻入10%（水泥摻量的百分比）的石墨，和0.2%的碳纖維，通過以上數據可知：在瀝青混合料中適量的添加石墨能夠增強混合料的熱力學性能，因此本文擬在瀝青混合料路面的各個面層添加適量的石墨使其溫度能夠一直向下傳遞，達到瀝青混凝土路面溫度下降的效果，對瀝青混凝土面層的高溫穩定性進行一定改善。

參考文獻：

[1]肖長發.活性碳纖維及其應用[J].高科技纖維與應用，2001，26（4）：27～31.

[2]王善元，張汝光.纖維增強復合材料[M].上海：中國紡織大學出版社，1998.