降低沥青路面温度的双向热诱导相变结构研究_宫兴.pdf

2023，Vol.37，No.13wwwmater-repcom21040242-1请扫描二维码访问本文网络展示页面以获取补充信息(Supplementary Information)基金项目:桂林电子科技大学研究生优秀学位论文培育项目(18YJPYSS35);中国博士后面上科学基金(2019M653314);广西科技基地和人才专项(AD18281043);国家自然科学基金(51968011;51668012)This work was financially supported by the GUET Excellent Graduate Thesis Program(18YJPYSS35)，Postdoctoral Science Foundation of China(2019M653314)，Guangxi Science and Technology Fund(AD18281043)，and National Natural Science Foundation of China(51968011，51668012)lwd200526066163comDOI:10.11896/cldb.21040242降低沥青路面温度的双向热诱导相变结构研究宫兴1，英红1，梁凤芯1，刘卫东1，2，许修权11桂林电子科技大学建筑与交通工程学院，广西 桂林 5410042广西交科集团有限公司，广西道路结构与材料重点实验室，南宁 530007为降低沥青路面温度，缓解路面车辙问题，将相变储热与热诱导相结合设计了双向热诱导相变结构(Bidirectional heat-induced phase changestructure，BHI-PCS)，同时设置对照组空白结构(Blank structure，BS)、只添加相变材料的相变结构(Phase change structure，PCS)和只添加导热材料的双向热诱导结构(Bidirectional heat-induced structure，BHIS)。基于 ABAQUS 有限元分析对不同结构内部的热量变化情况及抗车辙能力进行了模拟，并设计室内测温系统对降温效果进行了验证。研究表明:与对照组相比，BHI-PCS 降低路面温度效果更为显著，最大模拟温度降低41，室内测温试验结果与模拟计算结果吻合较好;同时 BHI-PCS 抵抗车辙的能力较强，最大车辙深度降低 465%，所提出的结构能够为高温地区降低沥青路面温度，缓解路面车辙问题提供参考。关键词道路工程复合定形相变材料(CS-PCM)沥青路面温度热诱导有限元模型车辙中图分类号:U416217文献标识码:ABidirectional Heat-induced Phase Change Structure of Asphalt Pavement foreducing the Pavement TemperatureGONG Xing1，YING Hong1，LIANG Fengxin1，LIU Weidong1，2，XU Xiuquan11School of Architecture and Transportation Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，Guangxi，China2Guangxi Key Laboratory of oad Structure and Materials，Guangxi Transportation Science and Technology Group Co，Ltd，Nanning 530007，ChinaTo reduce the temperature and rutting of asphalt pavement，a bidirectional heat-induced phase change structure(BHI-PCS)was designedthrough the combination of phase transition heat storage and heat induction And a blank structure(BS)，phase change structure(PCS)with only phase change added，and bidirectional heat-induced structure(BHIS)with only thermal conductive material added were set as the con-trol group Based on the ABAQUS finite element analysis，the internal heat change and rutting resistance of different structures were simulated，and the cooling effect was verified by the laboratory temperature test The results show that compared with the control group，BHI-PCS has amore significant effect on reducing road temperature，with the maximum simulated temperature reduced by 41 The laboratory temperature testresults are in good agreement with the simulation calculation results At the same time，BHI-PCS has a strong ability to resist rutting，and the max-imum rutting depth can be reduced by 465%The proposed structure can provide reference for reducing the temperature of asphalt pavement inhigh-temperature areas and alleviating the rutting problem of pavementKey wordsroad engineering，composite shaped phase change material(CS-PCM)，asphalt pavement temperature，heat induced，finiteelement model，rutting0引言沥青路面能够吸收来自太阳的大部分辐射1，夏季城市地区沥青路面温度能够达到 6070。沥青混合料的模量和抗剪强度受温度的影响较大，在高温区细微的温度升高都会导致混合料性能的急剧下降2，轮胎与路面的接触应力会导致荷载的产生，在反复荷载的作用下形成车辙等病害，影响行车安全。同时沥青路面内部聚集的热量传递到大气中加剧了城市热岛效应3。为了降低路面温度，新兴的技术(如热反射涂层4、热致变材料5-6、透水路面7 和能量收集装置8)被用在路面中。但涂层易受到车辆及环境的破坏，其使用效果受影响9;透水路面使用的大孔隙沥青混合料不利于抵抗车辙10;能量收集装置破坏了路面的连续性，同样不利于缓解车辙11。相变沥青混合料在发生相变时的储热能力提高，沥青路面温度降低。目前国内外对相变材料的研究与应用主要集中于固-液相变材料。在制备相变沥青混合料的过程中，研究人员相继采用了向沥青混合料中直掺相变材料12、复合定形相变材料或者微胶囊相变材料13 等几种方式。其中，以复合定形相变材料的研究居多，如:何丽红采用熔融凝胶法制备了聚乙二醇(Polyethylene glycol，PEG)复合定形 相 变 材料14;马骉等采用活性炭和漂珠等作为支撑体，利用熔融凝胶法制备了四种复合相变材料15;yms 以轻集料为支撑体，利用物理吸收法制备了复合相变材料16。研究人员对相变沥青混合料的降温效果进行了简单的试验。何丽红指出，当直掺相变材料时，沥青混合料温度降低1314，掺加复合相变材料后，沥青混合料室内最大降温达 52 17;yms 的研究表明，相变沥青混合料降温可达 5 16;谭忆秋的研究21040242-2表明，相变沥青混合料降温可达 810 18。然而，他们并未就相变沥青混合料在沥青路面中的具体应用开展系统研究。双向热诱导结构已被证明能够阻止热量进入路面内部并加速热量传递至路基19。但进入路面结构的热量会在路面内部积聚，导致温度升高。沥青路面中中下面层的车辙较上面层更为严重20。若能对进入路面结构内部的热量进行吸收，降低中下面层的温度，则可达到减轻车辙的效果。路面结构内部的传热变化无法用实测方法进行监测。Si 等21 基于某相变沥青混合料的实测参数建立有限元模型，计算出的测点温度与实际温度吻合较好，验证了相变沥青混合料有限元模拟的准确性。本工作基于有限元软件，在双向热诱导结构的基础上引入相变材料，设计了双向热诱导相变结构，采用温度、传热效率等指标评价了双向热诱导相变结构的降温效果，此外，还建立了车辙模型，对结构的整体性能进行了定量评价。1热诱导相变沥青混合料热参数的采集相变材料直接掺入沥青混合料中会在相变时发生泄漏，制备 CS-PCM 可有效防止这一问题22。CS-PCM 以等体积替换部分细集料的方式掺入沥青混合料中，在发生相变时尽管不会发生泄漏，但力学性能有所降低23。骨架密实型级配中细集料主要起填充作用22，CS-PCM 力学性能的降低对沥青混合料路用性能的影响较小。本工作选择骨架密实型 SMA-13 级配，如表 S1 所示。相变材料应用在沥青混合料中需要满足相变温度合适、相变潜热较大、稳定等条件。同时考虑到不同分子质量的 PEG 拥有不同的相变区间，满足本工作不同结构层不同温度的选用条件，故将 PEG 作为本工作相变材料的优选。根据文献 17制备 CS-PCM，各种 CS-PCM 热参数如表 S2 所示17。进一步制备相变热诱导沥青混合料，CS-PCM 及相变热诱导沥青混合料制备方式参见补充信息。对制备的不同沥青混合料的热参数进行了测试，不同种类的复合定形相变材料对沥青混合料比热容的影响大致相同，故假设不同种类的复合定形相变沥青混合料的比热容变化相同，仅随着相变温度的不同逐渐向后推移，本工作仅列出了 P1 复合定形相变沥青混合料的热参数，结果如表 1 所示。2双向热诱导相变沥青路面结构设计21结构设计原理上小下大的结构内部导热梯度能够提高热量的下传效率24，为在减少路面结构内部积热的同时吸收进入路面内部的热量，本工作设计的 BHI-PCS 通过以下几种方式降低路面温度(见图 1):(1)为了最大程度地减少进入路面的热量，增大上面层的热导率;(2)为了吸收进入路面内部的热量，在中上面层设置温度匹配的复合定形相变材料吸收热量;(3)当中面层的相变材料吸收热量达到饱和时热量会向下传递，通过在下面层掺入高导热材料形成上大下小的低导热梯度，加速热量向路基方向传递。表 1沥青混合料热物参数测试结果Table 1Test results of the thermal properties of asphalt mixture材料温度热导率J/(mh)比热容J/(kg)空白沥青混合料4 68441 3017+5%漂珠3 30711 3195+10%漂珠3 04221 3365+15%漂珠2 87871 3474+5%石墨4 91181 1576+10%石墨5 20251 1007+15%石墨5 3821 0408+CS-PCM+10%石墨204055655 00821 13821 15261 64071 2352+CS-PCM+10%漂珠204055652 83