基于有限元溫致變色瀝青路面路表熱特性研究

吳 渝 玲

(重慶水利電力職業技術學院，重慶 402160)

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基于有限元溫致變色瀝青路面路表熱特性研究

吳 渝 玲

(重慶水利電力職業技術學院，重慶 402160)

為了研究溫致變色材料對路面表面溫度特性的影響，通過將道路石油瀝青與溫致變色材料拌合制備溫致變色瀝青，采用有限單元法(FEM)建立模型對溫致變色瀝青及常規道路石油瀝青的路面溫度響應進行研究。研究結果表明：摻入溫致變色材料的瀝青路面的表面溫度與常規瀝青路面相比大幅度降低；常規瀝青路面與溫致變色瀝青路面相比，表面溫度變化幅度較大：溫致變色路面降低了路表溫度且具有較低的熱流，這均有利于提高瀝青路面的使用性能。

道路工程；瀝青路面；有限單元法；溫致變色材料；熱特性

0 引 言

瀝青路面具有平整、美觀、行車的舒適性及易于修補等優良特性已在公路建設中廣為使用，但黑色的瀝青會吸收大量的太陽能，這將導致瀝青路面的表面溫度較高，夏季時可能高達48～67℃[1-3]，某些路面失效(如車轍、推移、老化、疲勞損害、泛油等)均與路表溫度有關[4-7]。路表溫度增加容易影響瀝青路面的耐久性。

溫致變色材料是一種能夠根據溫度變化改變自身顏色的路用材料。在變色閥值(這邊是不是閥值溫度我不太確定)以上，路面反射太陽能(主要是紅外輻射)；在變色閥值溫度以下，路面主要吸收太陽能。根據溫度變化的可逆性，溫致變色材料中與溫度相關的分子也具有可變性，例如化合物中的相變；配位體幾何形狀的改變；晶體場中溶劑分子的數量變化，其顏色來自于晶體場的作用，而且在復雜的混合物中具有更多的可逆因素[8]。溫致變色材料具有夏天反射大量太陽能、冬天吸收大量太陽能的特性，這種特性常用于建筑材料的保溫功能[9-10]。Y．P．Ma等[11]通過將溫致變色材料與水泥結合來制備溫致變色水泥進行試驗，研究表明：溫致變色材料具有在冬季能夠給建筑物提供熱量，同時避免了建筑物在夏季過熱。

筆者將道路石油瀝青與溫致變色材料拌和制備溫致變色瀝青，采用有限單元法(FEM,Finite Element Method)建立模型對溫致變色瀝青及常規道路石油瀝青的路面溫度響應進行研究。

1 溫致變色瀝青的制備

筆者采用海力實業有限公司提供的有機溫致變色顏料來制備溫致變色瀝青。選擇紅、藍、黑色溫致變色粉(圖1)。三種變色材料的閥值溫度為31℃，顏料均采用微膠囊化，平均粒徑約為3～10 μm。

圖1 溫致變色粉Fig.1 Thermochromic powders

通過將溫致變色粉與道路石油瀝青按照一定比例拌和來制備溫致變色瀝青進行試驗研究，在閥值溫度以上，溫致變色瀝青反射太陽能(主要是紅外輻射)，在閥值溫度以下，其主要吸收太陽能(圖2)。溫致變色瀝青的反射能量和吸收能量的特性有利于保持路面在一個合適的溫度范圍內，從而提高了瀝青路面結構耐久性能。

圖2 溫致變色瀝青的原理示意Fig.2 Schematic of the principle of thermochromic asphalt

2 數值模擬

瀝青路面的寬度和長度遠大于其厚度，路面溫度主要受其表面太陽能交換和熱流控制。因此，選擇一維熱傳遞模型來預測在路面層中溫度隨深度的分布。路面響應的計算模型是基于路面瞬態的能量平衡，包括對流，熱傳導和太陽能和紅外輻射，如圖3。

圖3 瀝青路面與其周圍環境之間熱傳遞模型Fig.3 Heat transfer mode between asphalt pavement and its surroundings

3 一維熱傳遞模型

路面一維瞬態熱傳導方程可表示為

(1)

式中：k為路面的導熱系數，W/(m·K)；ρ為路面密度，kg/m3；c為路面熱容， J/(kg·K)；T為路面溫度，K。

4 路表的熱流

路表有兩種太陽能熱輻射傳遞模型，即太陽能輻射的吸收模型與紅外輻射模型。有效入射路表的太陽能輻射可以采用式(2)表示[12]：

Qsun=(1-γ)I

(2)

式中：Qsun為太陽能輻射短波吸收強度，W/m2；γ為太陽能反射率；I為太陽能輻射強度，W/m2。

太陽能輻射很大程度上取決于大氣條件、白天時間的長短、太陽射線的入射角。在夜間，太陽輻射可以忽略不計；而在白天，太陽能輻射強度隨日照時間的改變可近似為正弦函數，日出和日落時均為0，正午時達到峰值[13-15]。另根據M．Saeli等[10]的研究，晴天太陽能輻射峰值約為1 000 W/m2，陰天約為300 W/m2，介于二者之間的天氣約為700 W/m2。筆者假設達到峰值的時間為中午12:00。太陽能輻射強度的表達式如式(3)：

(3)

式中：t為時間，h。

紅外輻射Qrad為自然地面和大氣之間的長波熱流，總的紅外輻射強度遵循Stefan-Boltzmann法則：

Qrad=εσ(Ts4-Tsky4)

(4)

式中：Qrad為發散的輻射強度，W/m2；ε為路面表面的輻射系數；σ為Stefan-Boltzemann常數(約為5.669×10-8)，W/(m2·K4)；Ts為路表溫度，K；Tsky為有效大氣溫度，K。

根據R．Tang等[13]的研究，Tsky可以通過式(5)計算：

Tsky=(0.754+0.004 4Tdp)0.25T∞

(5)

式中：T∞為環境溫度，K；Tdp為露點，K。

在舒適的環境中，Tdp通常取值262.59～264.26 K；該模擬中，露點溫度假設為289.15 K。根據記錄的溫度數據，環境空氣溫度隨著時間呈余弦函數變化。

5 對流熱傳遞

在路表，通過對流熱傳遞與大氣熱量的交換公式如式(6)：

Qconv=h∞(Ts-T∞)

(6)

式中：Qconv為對流熱流，W/m2；h∞為對流系數(基于氣象數據庫中的風速確定對流系數)，W/(m·K)。

在FEMMASSE有限元軟件中[12]使用以下方程：

h∞=5.6+4.0vwind，當vwind≤5 m/s

(7)

(8)

在該模擬中，vwind=3.5m/s，因此，h∞=19.6W/(m2·K)。

因此，在路面表面縱的熱流可以表示為：

Qtotal=Qsun-Qrad-Qconv

(9)

6 模擬參數

在建模中輸入的瀝青路面熱物理特性參數包括：密度=2 300kg/m3、比熱=1 800J/(kg·K)和導熱系數=1.8W/(m·K)。以上參數均假定為與溫度無關的常量，路面厚度為20cm。黑色、藍色和紅色溫致變色瀝青及道路石油瀝青的路面的輻射系數和太陽能反射率委托中國建筑科學研究院測量，變色前后測得的結果如表1。路面初始溫度假定為25℃。

表1 模擬中使用的太陽能發射和反射率

7 計算模擬的結果

采用FEM模擬在太陽能輻射作用下路面的溫度響應，在FEM模型中考慮太陽能吸收、太陽能反射、輻射系數和對流的溫度交換的機理。目的是在不同環境溫度下，評估溫致變色瀝青對瀝青路面表面溫度和熱對流影響。夏季環境溫度T∞(℃)認為是T∞=30+10cos[2π/24(t-12)]；冬季環境溫度認為是T∞=10+10cos[2π/24(t-12)]。對夏季條件，模擬的結果如圖4；對冬季條件如圖5。

圖4 夏季不同類型的路面(溫致變色與常規瀝青)對太陽能輻射的響應Fig.4 Responses of different types of pavement (thermochromic versus conventional asphalt) to typical solar radiation in summer

圖5 冬季不同類型的路面(溫致變色與常規瀝青)對太陽能輻射的響應Fig.5 Responses of different types of pavement (thermochromic versus conventional asphalt) to typical solar radiation in winter

圖4模擬了在典型夏季(較高的環境溫度)某天的路表溫度。圖4(a)給出了溫致變色材料對瀝青路表溫度的影響。常規的瀝青路面具有最高的表面溫度響應，峰值表面溫度達68 ℃。而溫致變色瀝青路面的表面溫度與常規瀝青路面相比得到大幅度降低。對黑色、藍色和紅色溫致變色瀝青路面的峰值表面溫度與常規瀝青路面相比分別降低10，12，15 ℃，路表溫度峰值出現在13:00左右。

從圖4(b)可以看出，在瀝青路表溫致變色材料對熱對流的影響，與溫致變色瀝青路面相比，常規瀝青路面經歷更高的熱量損失和熱量獲得的循環。在夜間，常規瀝青路面經歷較少的熱量損失。總的熱對流峰值出現在13:00左右，此后總的熱對流降低。在較高的環境溫度下，黑色，藍色和紅色瀝青路面與常規瀝青路面相比，熱量損失大小分別約為59.5，74.8，93.1 W/m2。路面表面熱對流的減少也意味著溫致變色路面的溫度變化與常規路面相比更加緩和。

圖5表明，在10 ℃低溫環境溫度典型的一天所模擬的路面表面溫度。圖5(a)給出了溫致變色材料對瀝青路面表面溫度的影響。與常規瀝青路面相比，黑色，藍色和紅色瀝青路面表面溫度的最大降幅分別為9，12，13 ℃。溫度降低是由于溫致變色材料反射了部分太陽光，溫度降低且保持在合適的溫度范圍有助于提高瀝青路面的長期性能。

由圖5可以看出，溫致變色材料對瀝青路面表面熱對流相應的影響，在該環境溫度下，與常規瀝青路面相比，黑色，藍色和紅色溫致變色瀝青路面熱量損失的大小分別約為66.1，83和88.3 W/m2。可能的原因是，在路面表面太陽能吸收和紅外輻射的差異。

8 結 論

筆者描述了一種采用溫致變色瀝青的可持續瀝青路面。通過FEM模擬研究了溫致變色材料對瀝青路面熱響應的影響。通過計算試驗與計算模擬可以得出以下結論：

1)溫致變色瀝青路表溫度與常規瀝青路面相比大幅度得到了降低。在具有較高環境溫度的夏季，采用溫致變色材料路面表面溫度的最大降幅可達15℃。

2)采用溫致變色路面材料也可顯著降低路面與空氣之間的熱交換。降低路面表面溫度和減少熱量損失和熱量獲得的循環的次數將有助于提高瀝青路面的耐久性。

3)溫致變色瀝青路面作為一種新型環保的綠色路面，其現場使用的長期性能還有待觀測。

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Thermal Characteristics of Thermochromic Asphalt Pavement Based on FEM

Wu Yuling

(Chongqing Water Power Vocational Technology College, Chongqing 402160, China)

In order to study the influence of thermochromic materials on the pavement surface temperature characteristic.In this paper,FEM simulation is conducted to study the influence of thermochromic materials on the surface temperature of asphalt pavement.The results show that the surface temperature of asphalt pavement doped with thermochromic materials is significantly lower compared to that of conventional asphalt pavement.In the meanwhile,conventional asphalt pavement underwent higher magnitude of temperature variations compared with thermochromic asphalt pavement.The decreased surface temperature and lower heat flux of thermochromic pavement both contribute to better pavementperformance.

road engineering; asphalt pavement; FEM; thermochromic materials; thermal properties

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.08

2014-07-14；

2014-09-10

江蘇省交通科學研究計劃項目(2013Y39)

吳渝玲(1982—)，女，四川遂寧人，講師，主要從事工程項目管理及土木工程方面的研究。E-mail:zhaoweining41@163.com。

U414.3

A

1674-0696(2015)05-040-04