雙根熱管對瀝青混合料熱特性及路用性能的影響

馬錦元 鄧新龍

（長安大學公路學院，陜西西安 710064）

瀝青路面由于優良的路用性能在我國道路建設中具有廣泛的應用，但是瀝青為一種粘彈性材料，因此在高溫環境下瀝青路面極易產生車轍等病害[1-2]。目前國內外已經開展了一系列提高瀝青路面高溫穩定性的研究，主要的瀝青路面降溫方法有蒸發降溫、使用改性瀝青、添加相變材料、添加重力熱管、設置隔熱層、改善瀝青混合料級配等[3-4]。重力熱管由于構造簡單和傳熱效率高等優點在各種領域具有廣泛應用[5-7]，目前，其對瀝青路面降溫效果的影響已經在學界引起了一定的關注。王家主在2011 年研究了熱管在瀝青混合料溫度場調節中的作用，并在2015 年研究了瀝青混合料和熱管的一些參數對瀝青混合料傳熱效率的影響[8-9]；馮振剛在2018 年研究了熱管工質對瀝青混合料降溫特性的影響[10]；凡俊濤在2019 年研究了熱管充液率對瀝青混合料降溫特性的影響[11]。

然而，以上研究大多著眼于單根熱管對瀝青混合料溫度場的影響，目前鮮有關于雙根熱管對瀝青混合料熱特性影響的研究報道，此外，熱管的埋置對瀝青混合料路用性能的影響亦需進行評價。鑒于此，本文基于重力熱管降溫原理，使用溫度傳感器對一定工況下瀝青混合料內部的溫度進行監測，進而分析了雙根熱管對瀝青混合料的降溫幅度及熱應力的影響，最后通過車轍試驗對含雙根熱管瀝青混合料的高溫穩定性進行了評價。

1 材料與試驗

1.1 瀝青混合料車轍試件。采用AC-16C 瀝青混合料，使用特制的車轍板模具成型長、寬、高分別為30cm、30cm 和10cm 的車轍試件，如圖1 所示。

1.2 重力熱管。重力熱管采用丙酮作為工作介質，技術參數如表1 所示。

表1 重力熱管技術參數

1.3 溫度監測。經60℃烘箱保溫1h 后取出車轍試件，在含雙根熱管的瀝青混合料車轍試件表面、3cm 深度和6cm 深度處分別布設16 個測溫點，在不含熱管的瀝青混合料車轍試件表面、3cm 深度和6cm 深度處分別布設20 個測溫點，同一深度傳感器的布設方案如圖2 所示。采用自行組裝的多路溫度巡檢儀實時監測車轍板試件不同深度處的溫度，采集時間間隔為2min，采集時長120min。

1.4 車轍試驗。根據《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）中瀝青混合料車轍試驗方法，對瀝青混合料的抗車轍性能進行評價，車轍試驗的測試溫度為60℃。

2 結果與討論

2.1 雙根熱管對瀝青混合料降溫幅度的影響。將某時刻瀝青混合料車轍試件測點溫度與初始時刻溫度之差定義為此時刻該測點的降溫幅度。取某時刻同一深度處所有測點降溫幅度的均值作為此時刻該深度的降溫幅度，則空白組、12cm 管距組（簡稱雙管Ⅰ組）和18cm 管距組（簡稱雙管Ⅱ組）瀝青混合料車轍試件降溫幅度隨深度的變化規律如圖3 所示。從圖3 中可以看出，隨著時間增加，各組車轍試件在同一深度處的降溫幅度均逐漸增大。且同一深度處，含熱管組車轍試件在相同時刻的降溫幅度大于空白組車轍試件（雙管II 組100min 和120min 的表面處、20min 的3cm 深度處除外），且隨著深度的增加，含熱管組的降溫優勢更加突出；雙管II 組車轍試件在相同時刻的降溫幅度均小于雙管I 組車轍試件，且隨著深度增加，雙管I 組的降溫優勢更加明顯。這表明，熱管的加入可以顯著提高瀝青混合料車轍試件的降溫幅度，并且12cm 熱管間距比18cm 熱管間距的降溫效果更為突出，這一效應隨著深度的增加而更加明顯。這是由于熱管內的工作介質氣化吸熱引起瀝青混合料內部溫度下降，并且距離熱管越近的層位熱管的降溫效應越明顯；當管距較小時，熱管的降溫效應被充分利用，當管距較大時，在有限時間內蒸發段的降溫作用未能傳遞到兩熱管中間部分的瀝青混合料，導致降溫效果較差。

圖3 瀝青混合料降溫幅度隨深度變化規律

2.2 雙根熱管對瀝青混合料熱應力的影響。瀝青混合料沿深度方向的溫度差會導致其產生翹曲應力。選取車轍試件表面處與6cm 深度處之間的部分作為研究對象，將某時刻表面處所有測點溫度的平均值作為此時刻表面處溫度的代表值，將某時刻6cm 深度處所有測點溫度的平均值作為6cm 深度處溫度的代表值，假設計算范圍內沿深度方向的溫度呈線性變化，則各組瀝青混合料深度方向上溫度梯度隨時間的變化規律如圖4 所示。從圖4 可以看出，含熱管組瀝青混合料的溫度梯度在監測開始一定時間后逐漸增大且均為正值，同一時刻雙管I 組的溫度梯度大于雙管II 組；空白組瀝青混合料的溫度梯度在監測開始一定時間后均為負值且波動較大。這是由于瀝青混合料剛取出時熱管出露段管壁溫度較高而埋入段管壁溫度較低，因此熱管對瀝青混合料起到再加熱的作用，此時瀝青混合料降溫主要依靠自然散熱，因此在20min 前含熱管組表面溫度低于內部溫度，溫度梯度值為負；20min 后熱管啟動，此時瀝青混合料內部溫度低于表面溫度，并且隨著時間增加溫度差逐漸增大，因此溫度梯度值為正。對于含熱管組而言，較密的熱管密度會在瀝青混合料內部產生較大的降溫幅度，因此同一時刻雙管I 組的溫度梯度大于雙管II 組。空白組瀝青混合料的溫度場和周圍環境的溫度場存在耦合效應，因此在監測初期溫度梯度出現正值，并且整個監測過程溫度梯度波動較大；監測后期由于瀝青混合料表面和空氣的對流換熱導致表面溫度低于內部溫度，故此時溫度梯度值為正。這表明，熱管的加入會使瀝青混合料在深度方向上產生一定的翹曲應力，并且12cm 熱管間距會比18cm 熱管間距產生更大的翹曲應力。

圖4 瀝青混合料深度方向上溫度梯度變化規律

瀝青混合料的溫度變化速率過快會導致其產生較大的溫縮應力。將某時刻瀝青混合料同一深度處所有測點溫度的平均值作為此時刻該深度溫度的代表值，則各組瀝青混合料溫度變化速率隨時間的變化規律如圖5 所示。從圖5 可以看出，在表面處，空白組瀝青混合料由于和環境溫度場的耦合效應導致其溫度變化速率波動較大，含熱管組瀝青混合料由于內部熱管穩定的換熱效率受環境影響較小，溫度變化速率未出現較大波動且大部分時間小于空白組。在3cm 深度處，空白組瀝青混合料由于受空氣溫度的影響明顯減弱，任一時刻溫度變化速率小于含熱管組，溫度變化速率曲線比同時刻表面處空白組更加平緩，并且平均溫度變化速率相較于同時刻表面處有所下降；含熱管組瀝青混合料在監測初期的溫度變化速率小于同時刻表面處的溫度變化速率，隨著熱管啟動，熱管的降溫效應逐漸凸顯，含熱管組瀝青混合料3cm 深度處的溫度變化速率開始大于同時刻表面處的含熱管組。在6cm 深度處，同一時刻瀝青混合料溫度變化速率從大到小排序為：雙管I 組，雙管II 組，空白組（120min 除外），空白組瀝青混合料的溫度變化速率大于同時刻3cm 深度處空白組的溫度變化速率（10min 除外），含熱管組瀝青混合料任一時刻的溫度變化速率均高于同時刻含熱管組的溫度變化速率。這表明，空白組瀝青混合料的溫度變化速率受深度和環境的綜合影響，含熱管組瀝青混合料的溫度變化速率和深度呈正相關，且隨著深度增加，12cm 熱管間距對瀝青混合料溫度變化速率的提高作用比18cm 熱管間距更為明顯，即熱管的加入會使瀝青混合料在深度方向上產生一定的溫縮應力，并且12cm 熱管間距會比18cm 熱管間距產生更大的溫縮應力。

圖5 溫度變化速率隨時間變化規律

2.3 雙根熱管對瀝青混合料高溫穩定性的影響。各組瀝青混合料車轍試驗的結果如表2 所示。從表2 可知，雙管I 組瀝青混合料的動穩定度相較空白組提高了20.82%，雙管II 組瀝青混合料的動穩定度相較空白組提高了13.46%，這表明熱管的埋設可以顯著提高瀝青混合料的高溫穩定性。這是由于熱管的埋設可以對瀝青混合料車轍試件起到加筋的作用，并且12cm 的熱管間距比18cm 的熱管間距加筋作用更為明顯。

表2 瀝青混合料動穩定度

3 結論

3.1 熱管的加入可以顯著提高瀝青混合料車轍試件的降溫幅度，并且12cm 熱管間距比18cm 熱管間距的降溫效果更為突出。

3.2 熱管的埋設會使瀝青混合料在深度方向上產生一定的翹曲應力和溫縮應力，且12cm 熱管間距會比18cm 熱管間距使瀝青混合料產生更大的翹曲應力和溫縮應力。

3.3 熱管的埋設可以對瀝青混合料起到加筋作用從而顯著提高其動穩定度，且12cm 熱管間距比18cm 熱管間距更能提高瀝青混合料的高溫穩定性。