導(dǎo)熱瀝青混凝土.

1、導(dǎo)熱瀝青混凝土導(dǎo)熱瀝青混凝土吳少鵬吳少鵬武漢理工大學(xué)武漢理工大學(xué) 硅酸鹽材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室硅酸鹽材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2009年9月22日傳導(dǎo)性瀝青混凝土傳導(dǎo)性瀝青混凝土導(dǎo)熱瀝青混凝土導(dǎo)熱瀝青混凝土導(dǎo)熱瀝青混凝土是采用熱導(dǎo)率高的集料或在混合料中摻入適當(dāng)類型和適宜含量的導(dǎo)熱相填料使瀝青混凝土由熱的不良導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢醾鲗?dǎo)能力的復(fù)合材料石墨石墨冶金渣冶金渣集料骨架結(jié)構(gòu)集料骨架結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)作用與增強(qiáng)作用 粉料填充與均粉料填充與均勻分散效果勻分散效果 纖維橋接與纖維橋接與阻裂作用阻裂作用 纖維纖維l研究背景l(fā)導(dǎo)熱瀝青混凝土的制備l導(dǎo)熱瀝青混凝土的性能l路面溫度場的分布l導(dǎo)熱瀝青混

2、凝土路面集熱效率l導(dǎo)熱瀝青混凝土路面融雪化冰l展望提 綱l研究背景l(fā)導(dǎo)熱瀝青混凝土的制備l導(dǎo)熱瀝青混凝土的性能l路面溫度場的分布l導(dǎo)熱瀝青混凝土路面集熱效率l導(dǎo)熱瀝青混凝土路面融雪化冰l展望提 綱一、研究背景1.1 瀝青路面高低溫?fù)p害p 車轍p 溫縮裂縫p 泛油p 推移或擁包一、研究背景1.2 道路交通冰雪災(zāi)害凍雨造成的冰封凍雨造成的冰封交通堵塞交通堵塞事故事故機(jī)場封閉機(jī)場封閉一、研究背景The Eurotunnel 1.3一種新的太陽能利用技術(shù)冬季模式冬季模式熱熱 源源夏季模式夏季模式熱熱 源源冷冷 源源冷冷 源源空氣空氣空氣空氣含水土層含水土層含水土層含水土層p 夏季時(shí)，利用傳熱介質(zhì)，將瀝

3、青路面吸收的太陽能儲(chǔ)存到地下含水 土層等貯能裝置中，實(shí)現(xiàn)能量的跨季節(jié)儲(chǔ)存。p 冬季時(shí)將熱量重新用于路面融雪化冰以及周圍建筑物供暖等。瀝青路面太陽能集熱技術(shù)示意圖一、研究背景 p 集熱面積大機(jī)場跑道、高速公路、橋梁加鋪，城市干道p 吸收性好0.9，T70 p 提供能量多90-150kWh/m2.a(荷蘭數(shù)據(jù))1.5 中國的太陽能資源中國的太陽能資源 p 2/3地區(qū)年輻射量超過5020MJ/m2p 年日照數(shù)大于2200小時(shí)p 比日本、歐洲優(yōu)越得多來源：中國氣象局風(fēng)能太陽能評估中心來源：中國氣象局風(fēng)能太陽能評估中心1.4 瀝青路面在太陽能集熱過程中的優(yōu)勢瀝青路面在太陽能集熱過程中的優(yōu)勢改善行車安全：

4、改善行車安全：冬季可防止路面結(jié)冰，冬季可防止路面結(jié)冰，夏季可給路面降溫。夏季可給路面降溫。杜絕化雪鹽杜絕化雪鹽對環(huán)境的負(fù)面影響對環(huán)境的負(fù)面影響給建筑物供暖，給建筑物供暖，緩解能源緊張緩解能源緊張減少減少CO2的排放的排放一、研究背景1.6 瀝青路面太陽能集熱技術(shù)的意義導(dǎo)熱瀝青混凝土的制備導(dǎo)熱瀝青混凝土的制備集熱性能的評價(jià)集熱性能的評價(jià)融冰化雪性能的評價(jià)融冰化雪性能的評價(jià)道路能量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)道路能量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)熱學(xué)性能熱學(xué)性能疲勞性能疲勞性能低溫性能低溫性能集熱效率集熱效率溫度場溫度場加速凍融性能加速凍融性能融雪效率融雪效率管道設(shè)計(jì)管道設(shè)計(jì)儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)1.7 研究內(nèi)容整體概況-預(yù)

5、期目標(biāo)一、研究背景l(fā)研究背景l(fā)導(dǎo)熱瀝青混凝土的制備l導(dǎo)熱瀝青混凝土的性能l路面溫度場的分布l導(dǎo)熱瀝青混凝土路面集熱效率l導(dǎo)熱瀝青混凝土路面融雪化冰l展望提 綱二、導(dǎo)熱瀝青混凝土的制備p瀝青膠漿：瀝青膠漿： 石墨摻量分別為石墨摻量分別為0，8，12，18，22p瀝青混凝土：瀝青混凝土： 石墨摻量分別為石墨摻量分別為0，12，18，22，22+0.2碳纖維碳纖維p石墨摻量為石墨占瀝青膠漿的體積百分?jǐn)?shù)，碳纖維摻量為混合料的重量比石墨摻量為石墨占瀝青膠漿的體積百分?jǐn)?shù)，碳纖維摻量為混合料的重量比試樣的制備試樣的制備參照參照導(dǎo)電瀝青混凝土的制備：導(dǎo)電瀝青混凝土的制備：石墨的滲流域值為石墨的滲流域值為11-

6、12石墨摻量與電阻石墨摻量與電阻率的變化關(guān)系率的變化關(guān)系l研究背景l(fā)導(dǎo)熱瀝青混凝土的制備l導(dǎo)熱瀝青混凝土的性能l路面溫度場的分布l導(dǎo)熱瀝青混凝土路面集熱效率l導(dǎo)熱瀝青混凝土路面融雪化冰l展望提 綱三、導(dǎo)熱瀝青混凝土的性能3.1 瀝青膠漿的流變性能3.2 瀝青混合料的路用性能3.3 瀝青混合料的熱學(xué)性能三、性能研究針入度試驗(yàn)結(jié)果及分析（針入度試驗(yàn)結(jié)果及分析（1）石墨摻量石墨摻量（）（）不同溫度的針入度不同溫度的針入度P P（0.1mm0.1mm）PIPIA AK K相關(guān)系數(shù)相關(guān)系數(shù)R R2 21515C C2525C C3030C C0 027.127.185.985.9157.8157.8-1

7、.537-1.5370.05090.05090.66780.66780.99980.99988 821.421.458.958.999.599.5-0.683-0.6830.04440.04440.66290.66290.99990.9999121219.819.852.652.685.585.5-0.369-0.3690.04230.04230.66300.66301.00001.0000181817.017.046.846.872.472.4-0.354-0.3540.04220.04220.60270.60270.99880.9988222216.316.342.342.370.170.

8、1-0.338-0.3380.04210.04210.58040.58040.99980.9998由不同溫度的針入度計(jì)算的由不同溫度的針入度計(jì)算的PIPI值值針入度隨著石墨摻量的增加而減小，針入度指數(shù)針入度隨著石墨摻量的增加而減小，針入度指數(shù)PI絕對值逐漸減小，絕對值逐漸減小，表明導(dǎo)熱瀝青膠漿的溫度敏感性在下降。表明導(dǎo)熱瀝青膠漿的溫度敏感性在下降。 3.1 3.1 瀝青膠漿的流變性能（瀝青膠漿的流變性能（1/81/8）三、性能研究針入度試驗(yàn)結(jié)果及分析（針入度試驗(yàn)結(jié)果及分析（2）3.1 3.1 瀝青膠漿的流變性能（瀝青膠漿的流變性能（2/82/8）00100iPPPP00100iPIPIPIPI

9、定義：定義：p 石墨摻量越大，針入度指數(shù)增加越大；p 在相同的石墨摻量下，針入度隨溫度的升高而增大， 溫度越高，石墨對瀝青稠度的影響作用越明顯。p 石墨摻量超過18后，瀝青膠漿的稠度及溫度敏感性已無明顯變化。三、性能研究延度試驗(yàn)結(jié)果及分析延度試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1 3.1 瀝青膠漿的流變性能（瀝青膠漿的流變性能（3/83/8）隨著摻入石墨量的增多，瀝青的延度隨之發(fā)生顯著減小隨著摻入石墨量的增多，瀝青的延度隨之發(fā)生顯著減小這種對于路面的這種對于路面的溫縮開裂是不利的溫縮開裂是不利的。 三、性能研究軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果及分析軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1 3.1 瀝青膠漿的流變性能（瀝青膠漿的流變性能（4/8

10、4/8）800lg800KTA定義：定義：T800TR&B石墨的摻入能夠提高瀝青膠漿的軟化點(diǎn)，石墨的摻入能夠提高瀝青膠漿的軟化點(diǎn)，這有利于這有利于改善瀝青的高溫穩(wěn)定性改善瀝青的高溫穩(wěn)定性。 三、性能研究當(dāng)量脆點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果及分析當(dāng)量脆點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1 3.1 瀝青膠漿的流變性能（瀝青膠漿的流變性能（5/85/8）定義：定義：1.2lg1.2KTA適量的石墨能夠降低瀝青膠漿的脆點(diǎn)，適量的石墨能夠降低瀝青膠漿的脆點(diǎn)，有利于改善瀝青膠漿的低溫開裂性能。有利于改善瀝青膠漿的低溫開裂性能。三、性能研究3.1 3.1 瀝青膠漿的流變性能（瀝青膠漿的流變性能（6/86/8）p 在相同的溫度下，粘度

11、隨石墨摻量的增加而增大。在相同的溫度下，粘度隨石墨摻量的增加而增大。p Eistein 增粘系數(shù)隨著石墨摻量的增加而呈近似線性的增長，增粘系數(shù)隨著石墨摻量的增加而呈近似線性的增長， 說明石墨摻量越大，對瀝青膠漿的增粘效果更加顯著，說明石墨摻量越大，對瀝青膠漿的增粘效果更加顯著， 有利于改善瀝青的抗高溫流動(dòng)變形性能有利于改善瀝青的抗高溫流動(dòng)變形性能。 0/1 /EfK 粘度試驗(yàn)結(jié)果及分析粘度試驗(yàn)結(jié)果及分析三、性能研究3.1 3.1 瀝青膠漿的流變性能（瀝青膠漿的流變性能（7/87/8）DSR試驗(yàn)結(jié)果及分析試驗(yàn)結(jié)果及分析(1)1.E+051.E+061.E+071.E+081.E+090.010.

12、11101001000掃描頻率 /Rad/s復(fù)合剪切模量 /Pa303540455055606570相位角 /0%8%12%1822G（石墨摻量）1.E+011.E+021.E+031.E+041.E+051.E+060.010.11101001000掃描頻率 /Rad/s復(fù)合剪切模量 /Pa707580859095相位角 /0%8%12%1822G（石墨摻量）G 5C下不同石墨摻量對下不同石墨摻量對 和和 的影響的影響 50C下不同石墨摻量對下不同石墨摻量對 和和 的影響的影響Gp 隨著石墨摻量的增加，復(fù)合模量先增大后減小，相位角先減小后增大；隨著石墨摻量的增加，復(fù)合模量先增大后減小，相位角

13、先減小后增大；p 合適摻量的石墨能夠提高合適摻量的石墨能夠提高膠漿的強(qiáng)度及彈性成分膠漿的強(qiáng)度及彈性成分。三、性能研究3.1 3.1 瀝青膠漿的流變性能（瀝青膠漿的流變性能（8/88/8）DSR試驗(yàn)結(jié)果及分析試驗(yàn)結(jié)果及分析(2)0.E+002.E+044.E+046.E+048.E+041.E+051.E+051.E+052.E+05020406080100掃描頻率 / Rad/s車轍因子 /Pa0%8%12%18%22% （石墨摻量） 5C下不同石墨摻量對下不同石墨摻量對 儲(chǔ)能模量儲(chǔ)能模量 的影響的影響 50C下不同石墨摻量對下不同石墨摻量對 車轍因子車轍因子 的影響的影響p 隨著石墨摻量的增

14、加，儲(chǔ)能模量先增大后減小，與T1.2結(jié)果一致。p 車轍因子隨石墨摻量的增加而增加，有利于提高高溫性能； 但過多石墨已無進(jìn)一步改善效果。sinG三、性能研究3.2 3.2 瀝青混合料的路用性能（瀝青混合料的路用性能（1/41/4）水損害試驗(yàn)結(jié)果及分析（水損害試驗(yàn)結(jié)果及分析（1）4681012140510152025石墨摻量 /%馬歇爾穩(wěn)定度 / kN)7879808182838485殘留穩(wěn)定度 /%)MSMS(+ 0.2% 碳纖維)RSRS(+ 0.2% 碳纖維)導(dǎo)熱相材料對馬歇爾穩(wěn)定度的影響導(dǎo)熱相材料對馬歇爾穩(wěn)定度的影響 p 隨著石墨摻量的增加，馬歇爾穩(wěn)定度大幅下降，隨著石墨摻量的增加，馬歇爾

15、穩(wěn)定度大幅下降， 表明石墨削弱了瀝青表明石墨削弱了瀝青混凝土的強(qiáng)度；混凝土的強(qiáng)度；p 瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度稍有下降，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度稍有下降，但仍大于但仍大于8080 ；p 碳纖維的摻入對瀝青混凝土有碳纖維的摻入對瀝青混凝土有增強(qiáng)效果增強(qiáng)效果三、性能研究3.2 3.2 瀝青混合料的路用性能（瀝青混合料的路用性能（2/42/4）水損害試驗(yàn)結(jié)果及分析（水損害試驗(yàn)結(jié)果及分析（2）不同導(dǎo)熱相材料摻量下的應(yīng)力應(yīng)變曲線不同導(dǎo)熱相材料摻量下的應(yīng)力應(yīng)變曲線導(dǎo)熱相材料對劈裂強(qiáng)度比的影響導(dǎo)熱相材料對劈裂強(qiáng)度比的影響 p 間接拉伸強(qiáng)度都隨著石墨摻量的增加而下降；間接拉伸強(qiáng)度都隨著石墨摻量的增加而下降；p 瀝

16、青混合料的劈裂強(qiáng)度比稍有下降，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比稍有下降，但仍大于但仍大于8080； p 碳纖維對瀝青混合料具有碳纖維對瀝青混合料具有增強(qiáng)作用增強(qiáng)作用。三、性能研究3.2 3.2 瀝青混合料的路用性能（瀝青混合料的路用性能（3/43/4）高溫車轍試驗(yàn)結(jié)果及分析（高溫車轍試驗(yàn)結(jié)果及分析（1）00.511.522.533.544.550102030405060時(shí)間 /min車轍深度 /mm0121822 22%+0.2%石墨摻量導(dǎo)熱相材料對動(dòng)穩(wěn)定度的影響導(dǎo)熱相材料對動(dòng)穩(wěn)定度的影響 導(dǎo)熱相材料對車轍深度的影響導(dǎo)熱相材料對車轍深度的影響p 瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨著石墨摻量的增加而大幅度增大；瀝青混

17、合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨著石墨摻量的增加而大幅度增大；p 車轍深度隨著石墨摻量的增加而大幅度減小，車轍深度隨著石墨摻量的增加而大幅度減小， 過量的石墨，對高溫性能過量的石墨，對高溫性能無進(jìn)一步無進(jìn)一步改善效果；改善效果； p 碳纖維的摻入能夠碳纖維的摻入能夠進(jìn)一步進(jìn)一步提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性。提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性。 三、性能研究3.2 3.2 瀝青混合料的路用性能（瀝青混合料的路用性能（4/44/4）疲勞試驗(yàn)結(jié)果及分析疲勞試驗(yàn)結(jié)果及分析0.11101.E+011.E+031.E+051.E+071.E+09循環(huán)次數(shù) Nf應(yīng)力 /MPa02222+0.2石墨摻量導(dǎo)熱相材料對疲勞壽命的影響導(dǎo)熱相材料

18、對疲勞壽命的影響 在間接拉伸疲勞試驗(yàn)下：在間接拉伸疲勞試驗(yàn)下：p 石墨的摻入能夠石墨的摻入能夠提高提高 瀝青混凝土的疲勞壽命瀝青混凝土的疲勞壽命p 摻入碳纖維有摻入碳纖維有進(jìn)一步改善進(jìn)一步改善效果效果nTfKN)(三、性能研究()TTTqk Tk ijkxyz 13kCv3.3 3.3 瀝青混合料的熱學(xué)性能（瀝青混合料的熱學(xué)性能（1/71/7）1. 測量的熱學(xué)參數(shù)測量的熱學(xué)參數(shù)（1）導(dǎo)熱系數(shù)：某一方向上單位溫度梯度上通過的熱流密度）導(dǎo)熱系數(shù)：某一方向上單位溫度梯度上通過的熱流密度 (k)xT(x)qxT1T2熱傳導(dǎo)方程（傅里葉定律通用的表達(dá)式）三維溫度場：一維溫度場：根據(jù)近代觀點(diǎn)，熱能的傳輸由

19、自由電子的遷移和晶格的振動(dòng)波（聲子）實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)熱系數(shù)表達(dá)式（分子運(yùn)動(dòng)理論）C：載流子比熱容 v：平均速度，：平均自由程q熱流密度xTqkx 三、性能研究3.3 3.3 瀝青混合料的熱學(xué)性能（瀝青混合料的熱學(xué)性能（2/72/7）1. 測量的熱學(xué)參數(shù)測量的熱學(xué)參數(shù)（2）比 熱：單位質(zhì)量的物體溫度升高一度所需要的熱量（C）， 用于度量材料貯存熱量的能力 （3）熱擴(kuò)散系數(shù)：導(dǎo)熱系數(shù)與體積比熱容之比（）， 用于度量材料傳導(dǎo)熱能的能力與其貯存熱能能力的相對大 小，大的材料對其熱環(huán)境的改變反映很快pkc三、性能研究3.3 3.3 瀝青混合料的熱學(xué)性能（瀝青混合料的熱學(xué)性能（3/73/7）2. 熱學(xué)參數(shù)測量的方

20、法（熱學(xué)參數(shù)測量的方法（1）瀝青混凝土是由礦物集料和瀝青膠結(jié)料組成的多相復(fù)合材料，其熱學(xué)參數(shù)與其結(jié)構(gòu)組成等眾多因素有關(guān)，其熱學(xué)參數(shù)大都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值 導(dǎo)熱系數(shù)(W/m. K)比熱(J/kg. K)參考文獻(xiàn)1.21920Corlew and Dickson(1968)200.86-1.06850-870Jordan and Thomas(1976)211.21-1.38840-1090Tegeler and Dempsey(1983)221.50-2.001000-1010Bruce A. and Rachel A.D.(1998)171.45-1.811120-1348Luca and Mra

21、wira， P.E.(2005)23不同學(xué)者對瀝青混凝土熱學(xué)參數(shù)的測試或計(jì)算值 可看出，每一位學(xué)者給出的參數(shù)都不同，且差別較大。對于導(dǎo)熱瀝青混凝土來說，其熱學(xué)參數(shù)，只有通過實(shí)際測量 三、性能研究3.3 3.3 瀝青混合料的熱學(xué)性能（瀝青混合料的熱學(xué)性能（4/74/7）2. 熱學(xué)參數(shù)測量的方法（熱學(xué)參數(shù)測量的方法（2）p 我國尚未制定關(guān)于瀝青混凝土熱學(xué)參數(shù)測試的規(guī)范p 美國有ASTM C177-97規(guī)范，然而由于現(xiàn)行的商業(yè)導(dǎo)熱系數(shù)測定儀的量程及其對測試樣品尺寸的限制，瀝青混凝土熱學(xué)參數(shù)難以測量 試樣導(dǎo)熱儀三、性能研究3.3 3.3 瀝青混合料的熱學(xué)性能（瀝青混合料的熱學(xué)性能（5/75/7）2.

22、熱學(xué)參數(shù)測量的方法（熱學(xué)參數(shù)測量的方法（3）瞬態(tài)平面熱源法（Transient Plane Source Method, TPS） 原理原理: : 基于無限大介質(zhì)中階躍加熱的圓盤形熱源產(chǎn)生的瞬態(tài)溫度響應(yīng) 探頭結(jié)構(gòu)示意圖 測試用的探頭既是加熱試樣的熱源，又是記錄試樣溫度變化的溫度傳感器 三、性能研究3.3 3.3 瀝青混合料的熱學(xué)性能（瀝青混合料的熱學(xué)性能（6/76/7）3. 3. 測試的結(jié)果及分析測試的結(jié)果及分析 (1)(1)p 當(dāng)石墨摻量由0增至22時(shí)，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)由 1.73 W/mK增大 至2.37W/mK， 增大了37。p 比熱隨著石墨摻量的增加而減小；p 摻入碳纖維后，混合料的導(dǎo)

23、熱系數(shù)稍有下降 。三、性能研究3.3 3.3 瀝青混合料的熱學(xué)性能（瀝青混合料的熱學(xué)性能（7/77/7）3. 3. 測試的結(jié)果及分析測試的結(jié)果及分析 (2)(2)p 當(dāng)石墨摻量由0增至22時(shí)，混凝土的導(dǎo)溫系數(shù)增大了63.0% ；p 摻入碳纖維后，混合料的導(dǎo)溫系數(shù)稍有下降，減小了9.3 。l研究背景l(fā)導(dǎo)熱瀝青混凝土的制備l導(dǎo)熱瀝青混凝土的性能l路面溫度場的分布l導(dǎo)熱瀝青混凝土路面集熱效率l導(dǎo)熱瀝青混凝土路面融雪化冰l展望提 綱四、路面溫度場的分布4.1 道路能量系統(tǒng)的應(yīng)用4.2 路面溫度場的研究方法4.3 路面溫度場模擬研究4.4 路面埋管后溫度場模擬4.5 室內(nèi)試驗(yàn)研究四、路面溫度場的分布4.

24、1 道路能量系統(tǒng)的應(yīng)用（1/3）1 1 路面太陽能集熱路面太陽能集熱 瀝青路面太陽能集熱技術(shù)的原理： 路面將太能輻射的光能吸收并轉(zhuǎn)換為熱能，換熱介質(zhì)經(jīng)管道將路面接收的熱量輸送至儲(chǔ)熱器儲(chǔ)存或用于直接應(yīng)用； 在需要熱量的時(shí)候，熱泵從儲(chǔ)熱器中抽取熱量為用戶供暖或制冷； 因此實(shí)現(xiàn)了太陽能的轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存和應(yīng)用 四、路面溫度場的分布4.1 道路能量系統(tǒng)的應(yīng)用（2/3）2 2 路面管道的埋設(shè)路面管道的埋設(shè) 四、路面溫度場的分布瀝青路表的能量平衡示意圖 導(dǎo)熱預(yù)測和測量導(dǎo)熱瀝青路面的溫度場分布，以此來評價(jià)導(dǎo)熱瀝青路面可利用太陽能的潛能 3 3 研究路面溫度場的意義研究路面溫度場的意義 4.1 道路能量系統(tǒng)的應(yīng)用（

25、3/3）四、路面溫度場的分布4.2 路面溫度場的研究方法（1/2）（1）理論研究法：考慮太陽的輻射、氣溫、風(fēng)速、云量、路面結(jié)構(gòu)組成和路面材料的熱學(xué)等參數(shù)建立數(shù)值模型預(yù)估路面的溫度場分布（M. Hasebel, et. al., 2006）四、路面溫度場的分布4.2 路面溫度場的研究方法（2/2）（2）數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法 ：根據(jù)實(shí)測的路溫和氣象資料，通過回歸分析建立路溫推算公式 日本的近藤佳宏等人提出的不同深度最高或最低溫度隨時(shí)間變化： SHRP提出的路表溫度與氣溫的換算公式： 我國上海地區(qū)瀝青混凝土面層溫度： 1122( )sin()sin()126T tABtBt20.06180.228924.4

26、surfairTTLatLat20(17.78) 0.9545 17.78mmsurfTT220(0.06180.228924.4) 0.9545 17.78mmairTTLatLatmaxmax8.680.8740.007saTTL四、路面溫度場的分布4.3 路面溫度場模擬研究（1/12）1 1 有限元網(wǎng)格的劃分有限元網(wǎng)格的劃分 在厚度方向上分為多層：瀝青面層、下承層等坡度路面需考慮水平面方向 網(wǎng)格點(diǎn)上的能量平衡網(wǎng)格點(diǎn)上的能量平衡四、路面溫度場的分布222222()pTTTTkdvdcdvdxyz4.3 路面溫度場模擬研究（2/12）2 2 模型的計(jì)算原理模型的計(jì)算原理 導(dǎo)熱基礎(chǔ)：熱力學(xué)第一

27、定律，傅立葉定律 微元總凈熱量熱量流入導(dǎo)致的溫升2TaT 傅立葉定律 導(dǎo)熱微分方程：a: 導(dǎo)溫系數(shù)二維模型的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)過程： 22221TTTxzt四、路面溫度場的分布4.3 路面溫度場模擬研究（3/12）2 2 模型的計(jì)算原理模型的計(jì)算原理 對流換熱對流換熱 （1）流體的導(dǎo)熱微分方程（傅里葉-克?；舴颍?TazTwyTvxTuT2利用相似理論分析對流換熱過程： p 對流換熱量與風(fēng)速、氣溫有關(guān)，其中風(fēng)速對其影響甚大，不同的風(fēng)速表現(xiàn)為不同的對流流態(tài)；p 隨著風(fēng)速的增大，邊界層內(nèi)的流態(tài)發(fā)生變化，依次為：層流，層流-湍流，湍流p 邊界層流態(tài)的轉(zhuǎn)變點(diǎn)一般由臨界雷諾數(shù)Rex.c來確定，Rex.c=51

28、05wxxRex為距前沿的距離，m；w為風(fēng)速，m/s ;v 運(yùn)動(dòng)粘度四、路面溫度場的分布TglGr234.3 路面溫度場模擬研究（4/12）2 2 模型的計(jì)算原理模型的計(jì)算原理 對流換熱對流換熱 （2）無風(fēng)時(shí)，路面的對流換熱可按平板自然對流來計(jì)算：a. 判定流態(tài) 層流與湍流的分解點(diǎn) GrPr=109Gr 葛拉曉夫準(zhǔn)數(shù)Pr 普朗特爾準(zhǔn)數(shù)kCpPr 流體的體積膨脹系數(shù)b. 利用經(jīng)驗(yàn)公式換算對流換熱系數(shù)3/115. 0LLRaLNu107 RaL 1010，RaL =PrGr ，As和P分別為平板的表面積和周長 PALsNu 努謝爾特準(zhǔn)數(shù)四、路面溫度場的分布4.3 路面溫度場模擬研究（5/12）2

29、2 模型的計(jì)算原理模型的計(jì)算原理 對流換熱對流換熱 （3）有風(fēng)時(shí)，路面的對流換熱可按平板強(qiáng)迫對流來計(jì)算：a. 判定流態(tài) 層流與湍流的分解點(diǎn) Rex.cb. 利用經(jīng)驗(yàn)公式換算對流換熱系數(shù)Pr0.6，Rex,c5105 風(fēng)力等級。0級：00.2m/s；1級：0.31.5 m/s；2級：1.63.3 m/s；3級：3.45.4 m/s；4級：5.57.9 m/s；5級：8.010.7 m/s；6級：10.813.8 m/s；7級：13.917.1 m/s；8級：17.220.7 m/s；9級：20.824.4 m/s；10級：24.528.4 m/s；11級：28.532.6 m/s；12級：32.

30、7 m/s。 層流 3/12/1PrRe664. 0 xxxNu湍流 3/15/4PrRe0296. 0 xxxNu0.6Pr60，Rex,c5105 層流-湍流混合流動(dòng) 3/15/4Pr)871Re037. 0(xxxNu0.6Pr60，105Rex,c3106 四、路面溫度場的分布4.3 路面溫度場模擬研究（6/12）3 3 前提條件（假設(shè)）前提條件（假設(shè)） 瀝青路面是連續(xù)的整體，是固態(tài)且不可變形的 瀝青混凝土的溫度隨著深度變化，在水平方向無溫度波動(dòng) 瀝青路面各層之間接觸良好，無熱阻 溫度和熱流在各面層之間的傳遞是連續(xù)的 四、路面溫度場的分布gstrcqqqq4.3 路面溫度場模擬研究（7

31、/12）4 4 邊界條件的確定邊界條件的確定 太陽直接輻射熱流密度 ：總流入熱流密度：總流入熱流密度： sstqI輻射引起的熱流密度： 44trasqTT對流引起的熱流密度：casqh TT四、路面溫度場的分布4.3 路面溫度場模擬研究（8/12）5 5 模擬的過程模擬的過程 溫度的傳遞過程四、路面溫度場的分布4.3 路面溫度場模擬研究（9/12）6 6 模擬的結(jié)果（模擬的結(jié)果（1 1）采用了2007年8月8號(hào)的氣象資料 石墨摻量對0cm、2cm、10cm深度溫度分布的影響 p 石墨的摻量越大，路面內(nèi)部的最高溫度越高。p 路面越深，其最高溫度的增幅越大。 四、路面溫度場的分布4.3 路面溫度場

32、模擬研究（10/12）6 6 模擬的結(jié)果（模擬的結(jié)果（2 2）10cm處導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系 p 在10cm處，導(dǎo)熱系數(shù)每增加0.1 W/mC，溫度將增加0.459C；p 摻量為22時(shí)，最高溫度增加了3.4 C。四、路面溫度場的分布4.3 路面溫度場模擬研究（11/12）6 6 模擬的結(jié)果（模擬的結(jié)果（3 3）0-4-8-2-6-10-12-141234567neat12% 18% 22% 最大降溫速率 / /h最大升溫速率 / /h2cm10cm0cm0-4-8-2-6-10-12-141234567neat12% 18% 22% 最大降溫速率 / /h最大升溫速率 / /h2cm10cm0

33、cm石墨摻量對溫度變化速率的影響 石墨摻量對不同深度處最大變溫速率的影響 p 添加石墨后，瀝青路面出現(xiàn)了更大的升溫速率和更小的降溫速率， 表明導(dǎo)熱瀝青混凝土升溫快，降溫也快，有利于提高系統(tǒng)的集熱效率。 p 隨著石墨摻量的增加，2cm、10cm處最大增溫速率增大， 最小降溫速率減小四、路面溫度場的分布4.3 路面溫度場模擬研究（12/12）6 6 模擬的結(jié)果（模擬的結(jié)果（4 4）00.511.522.53-0.52cm10cm-1-1.5-2-2.5-3-3.5-4最小負(fù)溫度梯度 /cm最大正溫度梯度 /cmneat12% 18% 22% 00.511.522.53-0.52cm10cm-1-1

34、.5-2-2.5-3-3.5-4最小負(fù)溫度梯度 /cm最大正溫度梯度 /cmneat12% 18% 22% 石墨摻量對不同深度處最大溫度梯度的影響 石墨摻量對溫度梯度的影響 p 添加石墨后，瀝青路面正溫度梯度減小，負(fù)溫度梯度增大， 表明導(dǎo)熱瀝青混凝土溫度波動(dòng)減小。 p 隨著石墨摻量的增加，2cm、10cm處最大正溫度梯度減小， 最小負(fù)溫度梯度增大。四、路面溫度場的分布4.4 路面埋管后溫度場模擬（1/5）1 1 有限元網(wǎng)格的劃分有限元網(wǎng)格的劃分 pipe管道邊界與介質(zhì)水為對流換熱Tamb水流的溫度T（m, n)M.N格點(diǎn)的溫度需考慮的參數(shù)：水溫、質(zhì)量流率、管徑、深度等一系列參數(shù)四、路面溫度場的

35、分布nfffNuPrRe023. 08 . 014. 03/13/1)()()Pr(Re86. 1wffffldNu4.4 路面埋管后溫度場模擬（2/5）2 2 管內(nèi)對流換熱管內(nèi)對流換熱 湍流加熱流體，n=0.4， 104 Ref 1.2*105水30層流過渡流Ref 2300，水30，w流體粘度2300 Ref 10414. 03/23/13/2)()(1 Pr125Re116. 0wffffldNu四、路面溫度場的分布4.4 路面埋管后溫度場模擬（3/5）3 3 模擬的過程模擬的過程 埋管后溫度的傳遞過程四、路面溫度場的分布4.4 路面埋管后溫度場模擬（4/5）4 4 模擬的結(jié)果（模擬的結(jié)

36、果（1 1） 不同的管距，表面溫度的變化速度四、路面溫度場的分布4.4 路面埋管后溫度場模擬（5/5）4 4 模擬的結(jié)果（模擬的結(jié)果（2 2） 表面最高溫度與管徑的關(guān)系四、路面溫度場的分布4.5 室內(nèi)試驗(yàn)研究（1/6）1 1 試樣的成型（試樣的成型（1 1） 四、路面溫度場的分布4.5 室內(nèi)試驗(yàn)研究（2/6）2 2 試驗(yàn)過程試驗(yàn)過程 電測部分：溫度：最高達(dá)0.01電阻：0.002%F.S.+0.005%讀數(shù)整體誤差（電測+傳感器）：溫度：（0.10.2）試驗(yàn)中精密溫度巡檢儀燈：鎢絲燈輻照強(qiáng)度：800W/m2 四、路面溫度場的分布4.5 室內(nèi)試驗(yàn)研究（3/6）2 2 試驗(yàn)結(jié)果（試驗(yàn)結(jié)果（1 1）

37、 p 路面溫度的垂直分布，石墨的添加明顯地降低了試塊內(nèi)部溫度路面溫度的垂直分布，石墨的添加明顯地降低了試塊內(nèi)部溫度室內(nèi)無風(fēng)試樣垂直溫度分布四、路面溫度場的分布4.5 室內(nèi)試驗(yàn)研究（4/6）2 2 試驗(yàn)結(jié)果（試驗(yàn)結(jié)果（2 2） p 表面對流換熱對傳熱過程形成了熱阻，最高溫度出現(xiàn)在表面對流換熱對傳熱過程形成了熱阻，最高溫度出現(xiàn)在25mm50mm處，為相應(yīng)最佳埋管深度處，為相應(yīng)最佳埋管深度室內(nèi)開放條件下試樣垂直溫度分布四、路面溫度場的分布4.5 室內(nèi)試驗(yàn)研究（5/6）2 2 試驗(yàn)結(jié)果（試驗(yàn)結(jié)果（3 3） p 石墨的添加明顯地降低了試塊石墨的添加明顯地降低了試塊75mm處溫度處溫度試樣內(nèi)部各點(diǎn)溫度隨照

38、射時(shí)間的變化四、路面溫度場的分布4.5 室內(nèi)試驗(yàn)研究（6/6）2 2 試驗(yàn)結(jié)果（試驗(yàn)結(jié)果（4 4） 照射8小時(shí)后自然冷卻16小時(shí)l研究背景l(fā)導(dǎo)熱瀝青混凝土的制備l導(dǎo)熱瀝青混凝土的性能l路面溫度場的分布l導(dǎo)熱瀝青混凝土路面集熱效率l導(dǎo)熱瀝青混凝土路面融雪化冰l展望提 綱五、導(dǎo)熱瀝青混凝土路面集熱效率5.1 試驗(yàn)方法5.2 試樣的成型與制備5.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析五、導(dǎo)熱瀝青混凝土路面集熱效率5.1 試驗(yàn)方法（1/1）()oiMC TTER集熱效率： 在試樣內(nèi)部埋設(shè)有換熱管道，管道內(nèi)部通有換熱介質(zhì)水； 瀝青混凝土表面吸收到的熱量傳遞給介質(zhì)水，實(shí)現(xiàn)熱量的傳輸； 介質(zhì)水在進(jìn)出口溫度的不同，可以轉(zhuǎn)化為瀝青

39、混凝土集熱器的集熱效率5.2 試樣的制備與成型（1/4）(b) The schematic of tested slab 埋管的試樣結(jié)構(gòu)示意圖五、導(dǎo)熱瀝青混凝土路面集熱效率1 試樣的尺寸設(shè)計(jì)5.2 試樣的制備與成型（2/4）五、導(dǎo)熱瀝青混凝土路面集熱效率2 試樣的傳感器鋪設(shè)溫度傳感器布置分布圖3 3 試樣的成型試樣的成型5.2 試樣的制備與成型（3/4）五、導(dǎo)熱瀝青混凝土路面集熱效率4 4 試驗(yàn)過程試驗(yàn)過程1. 瀝青試樣 2. 循環(huán)管路 3. 循環(huán)計(jì)量泵 4. 保溫瓶 5. 氙燈 6. 數(shù)據(jù)采集儀5.2 試樣的制備與成型（4/4）五、導(dǎo)熱瀝青混凝土路面集熱效率五、導(dǎo)熱瀝青混凝土路面集熱效率5.

40、3 試驗(yàn)結(jié)果與分析（1/4）試驗(yàn)結(jié)果（試驗(yàn)結(jié)果（1 1）管內(nèi)通入循環(huán)水，不同深度溫度隨時(shí)間的變化p 石墨的添加試塊各點(diǎn)的溫度降低幅度更大，CAC有利于熱量向介質(zhì)水傳遞五、導(dǎo)熱瀝青混凝土路面集熱效率5.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析（2/4）試驗(yàn)結(jié)果（試驗(yàn)結(jié)果（2 2）管內(nèi)通入循環(huán)水，不同深度溫度隨時(shí)間的變化p 進(jìn)口水溫和出口水溫差值用以判斷集熱效率p 可明顯測出使用CAC后集熱效率增加了，但定量需要綜合考慮各因素，從小試樣轉(zhuǎn)變大試樣或復(fù)雜多變的工程環(huán)境需要進(jìn)一步確認(rèn)五、導(dǎo)熱瀝青混凝土路面集熱效率5.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析（3/4）試驗(yàn)結(jié)果（試驗(yàn)結(jié)果（3 3）水流速度對進(jìn)出口溫度差的影響p 進(jìn)口水溫和出口水溫差值用以