干湿条件下沥青路面的热工性能外文翻译资料

 2022-10-29 09:10

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干湿条件下沥青路面的热工性能

Abdushaffi Hassn, Andrea Chiarelli, Andrew Dawson, Alvaro Garcia

关键词：沥青混合料，空隙率，水蒸发，温度

摘要：对于暴露在太阳下与环境中沥青路面的温度变化，空隙率起了重要作用，但是它们的影响在此之前并没有被精确的量化。这篇文章的主旨就是明确并量化空隙率在干湿条件下对沥青混合料的温度变化的影响。为了达到这个目标，将空隙率不同的干燥饱和沥青板被暴露在红外线光，并且测量表面、底面温度变化，热流和蒸发速率。这证明了在干燥条件下，空隙率仅影响了沥青混合料的比热容和导热系数，然而湿润条件下，水蒸发需要的能量大大降低了沥青混合料的温度。这对缓解城市热岛效应有重要意义。

正文：

  1. 介绍

沥青混合料是由沥青，空隙组成的集料。根据沥青混合料的设计，空隙大概占总体积的5%至30%左右，从而影响一些物理性质，例如导热系数和比热容。因此，了解空隙对路面热工性能的影响是在特定气候下最适合的路面设计中最重要的步骤。

尤其是，当沥青路面暴露在太阳辐射下，一部分辐射被吸收使得表面温度升高。路面表面达到最高温度是入射辐射和热通量平衡的结果，即，环境的热辐射通量，环境空气的对流热交换和低层路面的传导通量转移。表面温度升高暗示路面将会以红外线辐射的形式向大气发射更多能量，更高的热通量将被传递到地面。

一般来说，如果沥青是饱和的，能量的一部分会被水蒸发到大气所吸收造成表面温度下降。在第一阶段中，毛细管状的流水连接着水消退干燥的前端和蒸发表面，是水的总来源。较快的水蒸发是造成温度升高速率减慢的原因也是这一阶段的特征。当干燥前沿达到给定深度时，向下的重力和粘性力克服毛细管力，靠潜伏热的吸收提供给蒸发的水停止。从这一刻表面开始干燥，被水蒸气在沥青混合料孔隙中扩散所限制的蒸发速率减慢。因此，在入射太阳辐射能量和损失能量（向大气和更深层路面）达到平衡的时候沥青表面温度升高很快。

以前的研究解释了热传导率与比热容与水蒸发等因素的相互作用，调整了沥青路面热工性能的影响因素。然而，以前关于沥青路面的热工性能的信息都是基于不同气候条件下的野外观测，或者简单的模拟。对受入射热流的沥青混合料热行为的科学文献并不多，因此，还需要进一步的研究来更好地理解沥青混合料的温度变化的特征。

这篇文章的目的是获得在干燥和饱和条件下工作的沥青温度变化和相关的水热机制更完整的信息。为了这个目的，沥青混合料的空隙含量从4%到26%是人为控制与干燥饱和的沥青混合料的温度进行比较和一些参数相关，如热导率和发射率。作者预计这些结果将有强烈的影响，（1）不同的气候条件下的路面设计，（2）减少城市热岛效应，如浇水（3）从路面层收获太阳能的技术。

  1. 实验方法

2.1 材料的描述

实验室实验中使用的五块沥青混凝土板的大小为306times;306times;50毫米。样品用60 / 40渗透沥青粘合剂和20 mm最大的石灰石骨料尺寸生产，在160°C混合，采用辊压机在140°C压实至目标空隙率为4.5%，13%，17%，21%，和26%。

2.2 密度

根据BS EN 12697测定沥青混合料的密度，5部分通过数学方法。此外，根据BS EN 12697测定的试样的体积密度，6部分尺寸的方法为从三个试件的平均每一个沥青混合料类型分析。每个板坯的密度见表1。

2.3 空隙率

沥青混合料的空隙率计算基于最大和堆积密度的计算。计算出混合物中空隙率：

Vm= rho;m - rho;b times;100%

rho;m

rho;m是最大理论密度没有空隙的混合物，以Kg/m3测量，rho;b是混合物的体积密度，以kg/m3测量，Vm是混合物的空隙率，以百分比表示。每个板坯获得的空隙含量见表1。

2.4 实验设备和测量

实验装置如图1所示。为测试在潮湿的条件下，沥青板放在水下12小时进行预处理。随后，将沥青混合料板放置到透明丙烯酸盒，其中添加更多的水，直到达到沥青表面。盒子比沥青板略大，因此尽可能地最小化了沥青板水分的边缘损失，保证了一维热和水分转移。

为了测试干燥条件下，样品放置在真空烘箱中，室温下干燥六小时，然后放置在丙烯酸盒。

对于加热实验，装有沥青混合料板的亚克力箱放置在数字天平上（奥豪斯兰杰3000），其容量为15Kg，分辨率为0.005Kg，在热源下放置24小时。四个250W的红外线灯呈正方形放置在730mm样品表面（见图1）作为热源。灯之间的中心距离为70mm。

图1.实验设备

2.5 热通量和温度测量

ITI模型ght-2c地热热通量传感器的尺寸为50.8times;50.8毫米，厚约4.8毫米，测量通过沥青板的热传导。该传感器被嵌入到丙烯酸盒底面，以便与沥青混凝土板有良好的接触。传感器通过上下表面的温度差产生的直流电压测量热通量。此电压正比于局部热通量，所有的实验进行数字记录。传感器是防水的，它的标称灵敏度为5W /m2 -mV，工作范围为-38°C 到 121°C， 精度为1%。

采用几何中心固定一小块儿童黏土的J型热电偶测定沥青混凝土板的表面温度。记录16h的温度曲线，恒定环境（空气）温度为25°Cplusmn;2°C。

热流计和热电偶连接到每1分钟测量一次数据的数据记录器（Omega OMB-DAQ-54）。

2.6 X射线计算机断层扫描（CT扫描）

为了在研究中显示沥青混合料内部结构，使用X射线断层扫描。在诺丁汉大学，在微型计算机断层扫描设备开展了X射线微断层扫描。X-射线源在290kV的加速电压和电流为1.55mA条件下操作。样品被安装在一个离X-射线源50cm的旋转台上。获得的像素大小为65.2mu;m，CT扫描的切片间隔为400mu;m。每个CT扫描样本使用实现模拟软件进行数字重建，空隙率的分离基于灰度阈值。

从5个重建的测试样品中间获得50毫米厚的切片，以便直观地评估空隙空间的连通性（见图2）。

图2. 研究样品的重构空隙 (a) 5%, (b) 13.2%, (c) 17.4%, (d) 21.5%, (e) 25.3%

3、结论

3.1 沥青板的热物理性质

所研究的沥青板的空隙率、密度、比热容和导热系数如表1所示。这些结果已知。测得板坯的空隙分别为5%，13.2%，17.4%，21.5%，和25.3%。沥青混合料的密度因空隙含量的增加呈线性下降，沥青混合料从2371kg/m3，5%的空隙率，到1906kg/m3，空隙率为25.3%。此外，比热容随密度线性下降，从963.7 J/kg·K到945.9J/kg·K，板坯中空隙率分别为5%和25.3%。最后，热导率也随着空隙率降低，从1.16 W/m·K到0.82 W/m·K，板坯空隙率分别为5%和25.3%。

3.2 表面温度随时间的变化

干燥沥青混合料的表面温度见图3（a）。可以观察到，空隙率较高的测试样品的温度上升率较高。24 h后测试的温度，可以认为是稳态，101.4 °C, 98.4 °C，102.1 °C, 104.5 °C 和 107. 5 °C，试样的空隙率分别为5.0%, 13.2%, 17.4%, 21.5%, 和 25.3%。

湿沥青混合料的表面温度如图3（b）所示的时间函数，（参考[ 1 ]更详细的讨论）。实验结果表明，具有较高空隙率的试样升温速率较低。此外，所有的曲线发展有两步，第一步，从25°C瞬间变化到50°C，第二步是约从50°C到100°C时达到稳态。空隙率5%的曲线步骤之间有一个突然的转变，而空隙率从17.4%到25.3%的曲线显示凹陷处时间-温度曲线更为平滑。试验24 h后，空隙率为5%、13.2%、17.4%、21.5%的试样温度分别为99.5°C、100.4°C、98.4°C、97.8°C和97.1°C。

图3.表面温度的变化（a）干燥条件（b）湿润条件

3.3 底面温度随时间的变化

干沥青混合料的底面温度见图4（a）。可以观察到，空隙率较高的测试样品的温度上升率较高。，空隙率为5%、13.2%、17.4%、21.5%的试样的底面温度分别为86.9°C、87.7°C、89.6°C、89.1°C、和91.4°C，（最终底面温度随空隙率增加）。

湿沥青混合料的底面温度见图4（b）。空隙率较高的试样升温速率较低。对于底面温度，曲线也有两步发展，第一步，从20°C瞬间变化到约45°C，第二步从45°C到约85°C，这是板坯的最高温度。这两步之间的温度转变都非常平滑。试验24 h后，空隙率为5%、13.2%、17.4%、21.5%的试样温度分别为86.1°C、84.6°C、83.9°C、81.6°C和80.9°C（最终底面温度随空隙率降低）。

图4.底面温度的变化（a）干燥条件（b）湿润条件

3.4 质量损失和蒸发速率随时间变化

的质量损失与时间的研究如图5（a）所示。可以观察到，质量损失随时间和空隙率增加。虽然测试没有进行足够的时间，但它可以被假定曲线将趋于一个渐近值，对应于一个体积相当于沥青混合料中水的初始量。

此外，所有研究样品的蒸发率与时间如图5（b）所示。可以观察到，蒸发速率从开始减少到趋于零增加到最大值。同时可以观察到，样品的蒸发速率的最大值随空隙率增加。有关此主题的更多信息[1]。

图5. （a）湿试样随时间的质量损失（b）蒸发速率随时间的变化

3.5 热通量随时间的变化

在干燥条件下的垂直、向下的热通量变化如图6（a）所示。可以观察到，热通量随加热时间增加直到达到一个在400 W/m2附近的渐近线值（在某些情况下缓慢下降前会先达到一个最大值）。空隙率较低的混合料的初始热通量普遍较高，但最终渐近，达到的热通量与空隙率不相关。注意，渐近值对应于不绝缘的板坯底面的热损失。

在潮湿条件下的热通量变化如图6（b）所示。热通量先增加，然后下降，最终再次上升到一个最大值，这通常取决于空隙率。其结果是，局部最大值和最小值在热通量变化曲线达到稳态之前可以观察到。局部最大值和最小值随空隙率呈增大趋势。此外，空隙率较高的板坯具有较低的热通量。

图6. 热通量随时间变化（a）干燥条件（b）潮湿条件

3.6 热传导随时间的变化

单位为W/(m K)的导热系数K可由图3（a）,图4和图6计算：

其中，Hf(t)为时间t时样品的热通量（W/m2）；Hs为样品高度（m）；Ts(t)为表面温度(°C);Tb(t)为底面温度(°C)。

在干燥的条件下空隙率为5%和25%的沥青板计算出的导热系数与时间如图7（a）所示。热导系数随着时间而增加，直到达到最大值，然后下降，与如图6(a)所示的热通量变化趋势相似。为了得到清晰的图形，只显示两个极值。在潮湿的条件下，相同板坯的导热系数与时间如图7(b)所示。可以观察到，测试样品的导热系数增加，直到一个时间点下降，然后继续增加。对于空隙率为5%的板坯，下降的时间点更早，下降值更大，比更多孔的板坯更直接。

图7. 空隙率为5%和26%的样品导热系数随时间变化 (a)干燥条件 (b)潮湿条件

4、讨论

本文所有的实验进行包括用红外线灯加热沥青板。对于干燥的样品，当灯打开，表面温度迅速升高，所有样品在约24h后达到稳定状态。如图3（a）所示，曲线达到最高温度与空隙率为26%的样品一致，具有最低导热系数。也如图7（a）所示，导热系数随时间的变化而变化。很明显，具有最高空隙率样品的热不能有效地分散，积聚在表面上。此外，在所有样品中空隙率为26%的样品具有最低的比热容（见表1），因此，在给定的温度下材料会积聚更少的热。即使空隙率为26%样品的比热容是最低的，其表面温度仍是最高的。比较合理的解释是，低导热系数是影响干燥沥青混合料的表面温度的主要因素，因为这个参数调节十分容易，热量可以消散到低层。并指出，孔中的空气对流不考虑，因为它的影响可以忽略不计。

在图4（a）中，显示了干沥青样品的底面温度的变化。根据傅立叶热传导定律，底面温度与表面温度成正比。这可以通过比较图3（a）和图4（a）看出来，其中曲线表现出相同的趋势，但对底面温度来说值更低。由于在加热过程中的过渡相受比热容的影响，底面温度比表面温度更晚达到稳态条件。可以观察到，样品间底面温度的稳态值比表面温度的更均匀。

图6（a）所示的干燥试样的热通量的变化趋势与表面和底面温度相似，见图3（a）和图4（a）。事实上，热通量的增加在22 h后达到最大值，然后稳定在一个稳定值。此外，图6（a）中热通量在过渡时期顺序明确，即最高平均热通量的曲线空隙率最低，而最低平均热通量的曲线空隙率最高。这是因为空隙率为5%的样品具有最高的导热系数（见图7（a）），因此，到达试样底面的热通量是最高的。相反，空隙率为26%的样品的导热系数最低，其平均热通量是最低的。因此，大部分的热量积聚在板坯的表面。

对潮湿的样品来说，曲线显示的所有参数是完全不同的，由于在材料的孔隙中的两相流的存在。如图3（b）、图4（b）和图6（b）所示，蒸发过程对曲线有明显的影响，因为它们都显示了由于水在材料中的存在而产生的水热效应的振荡。

在图3（b）中，曲线显

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