双根热管对沥青混合料热特性及路用性能的影响

马锦元 邓新龙

（长安大学公路学院，陕西西安 710064）

沥青路面由于优良的路用性能在我国道路建设中具有广泛的应用，但是沥青为一种粘弹性材料，因此在高温环境下沥青路面极易产生车辙等病害[1-2]。目前国内外已经开展了一系列提高沥青路面高温稳定性的研究，主要的沥青路面降温方法有蒸发降温、使用改性沥青、添加相变材料、添加重力热管、设置隔热层、改善沥青混合料级配等[3-4]。重力热管由于构造简单和传热效率高等优点在各种领域具有广泛应用[5-7]，目前，其对沥青路面降温效果的影响已经在学界引起了一定的关注。王家主在2011 年研究了热管在沥青混合料温度场调节中的作用，并在2015 年研究了沥青混合料和热管的一些参数对沥青混合料传热效率的影响[8-9]；冯振刚在2018 年研究了热管工质对沥青混合料降温特性的影响[10]；凡俊涛在2019 年研究了热管充液率对沥青混合料降温特性的影响[11]。

然而，以上研究大多着眼于单根热管对沥青混合料温度场的影响，目前鲜有关于双根热管对沥青混合料热特性影响的研究报道，此外，热管的埋置对沥青混合料路用性能的影响亦需进行评价。鉴于此，本文基于重力热管降温原理，使用温度传感器对一定工况下沥青混合料内部的温度进行监测，进而分析了双根热管对沥青混合料的降温幅度及热应力的影响，最后通过车辙试验对含双根热管沥青混合料的高温稳定性进行了评价。

1 材料与试验

1.1 沥青混合料车辙试件。采用AC-16C 沥青混合料，使用特制的车辙板模具成型长、宽、高分别为30cm、30cm 和10cm 的车辙试件，如图1 所示。

1.2 重力热管。重力热管采用丙酮作为工作介质，技术参数如表1 所示。

表1 重力热管技术参数

1.3 温度监测。经60℃烘箱保温1h 后取出车辙试件，在含双根热管的沥青混合料车辙试件表面、3cm 深度和6cm 深度处分别布设16 个测温点，在不含热管的沥青混合料车辙试件表面、3cm 深度和6cm 深度处分别布设20 个测温点，同一深度传感器的布设方案如图2 所示。采用自行组装的多路温度巡检仪实时监测车辙板试件不同深度处的温度，采集时间间隔为2min，采集时长120min。

1.4 车辙试验。根据《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中沥青混合料车辙试验方法，对沥青混合料的抗车辙性能进行评价，车辙试验的测试温度为60℃。

2 结果与讨论

2.1 双根热管对沥青混合料降温幅度的影响。将某时刻沥青混合料车辙试件测点温度与初始时刻温度之差定义为此时刻该测点的降温幅度。取某时刻同一深度处所有测点降温幅度的均值作为此时刻该深度的降温幅度，则空白组、12cm 管距组（简称双管Ⅰ组）和18cm 管距组（简称双管Ⅱ组）沥青混合料车辙试件降温幅度随深度的变化规律如图3 所示。从图3 中可以看出，随着时间增加，各组车辙试件在同一深度处的降温幅度均逐渐增大。且同一深度处，含热管组车辙试件在相同时刻的降温幅度大于空白组车辙试件（双管II 组100min 和120min 的表面处、20min 的3cm 深度处除外），且随着深度的增加，含热管组的降温优势更加突出；双管II 组车辙试件在相同时刻的降温幅度均小于双管I 组车辙试件，且随着深度增加，双管I 组的降温优势更加明显。这表明，热管的加入可以显著提高沥青混合料车辙试件的降温幅度，并且12cm 热管间距比18cm 热管间距的降温效果更为突出，这一效应随着深度的增加而更加明显。这是由于热管内的工作介质气化吸热引起沥青混合料内部温度下降，并且距离热管越近的层位热管的降温效应越明显；当管距较小时，热管的降温效应被充分利用，当管距较大时，在有限时间内蒸发段的降温作用未能传递到两热管中间部分的沥青混合料，导致降温效果较差。

图3 沥青混合料降温幅度随深度变化规律

2.2 双根热管对沥青混合料热应力的影响。沥青混合料沿深度方向的温度差会导致其产生翘曲应力。选取车辙试件表面处与6cm 深度处之间的部分作为研究对象，将某时刻表面处所有测点温度的平均值作为此时刻表面处温度的代表值，将某时刻6cm 深度处所有测点温度的平均值作为6cm 深度处温度的代表值，假设计算范围内沿深度方向的温度呈线性变化，则各组沥青混合料深度方向上温度梯度随时间的变化规律如图4 所示。从图4 可以看出，含热管组沥青混合料的温度梯度在监测开始一定时间后逐渐增大且均为正值，同一时刻双管I 组的温度梯度大于双管II 组；空白组沥青混合料的温度梯度在监测开始一定时间后均为负值且波动较大。这是由于沥青混合料刚取出时热管出露段管壁温度较高而埋入段管壁温度较低，因此热管对沥青混合料起到再加热的作用，此时沥青混合料降温主要依靠自然散热，因此在20min 前含热管组表面温度低于内部温度，温度梯度值为负；20min 后热管启动，此时沥青混合料内部温度低于表面温度，并且随着时间增加温度差逐渐增大，因此温度梯度值为正。对于含热管组而言，较密的热管密度会在沥青混合料内部产生较大的降温幅度，因此同一时刻双管I 组的温度梯度大于双管II 组。空白组沥青混合料的温度场和周围环境的温度场存在耦合效应，因此在监测初期温度梯度出现正值，并且整个监测过程温度梯度波动较大；监测后期由于沥青混合料表面和空气的对流换热导致表面温度低于内部温度，故此时温度梯度值为正。这表明，热管的加入会使沥青混合料在深度方向上产生一定的翘曲应力，并且12cm 热管间距会比18cm 热管间距产生更大的翘曲应力。

图4 沥青混合料深度方向上温度梯度变化规律

沥青混合料的温度变化速率过快会导致其产生较大的温缩应力。将某时刻沥青混合料同一深度处所有测点温度的平均值作为此时刻该深度温度的代表值，则各组沥青混合料温度变化速率随时间的变化规律如图5 所示。从图5 可以看出，在表面处，空白组沥青混合料由于和环境温度场的耦合效应导致其温度变化速率波动较大，含热管组沥青混合料由于内部热管稳定的换热效率受环境影响较小，温度变化速率未出现较大波动且大部分时间小于空白组。在3cm 深度处，空白组沥青混合料由于受空气温度的影响明显减弱，任一时刻温度变化速率小于含热管组，温度变化速率曲线比同时刻表面处空白组更加平缓，并且平均温度变化速率相较于同时刻表面处有所下降；含热管组沥青混合料在监测初期的温度变化速率小于同时刻表面处的温度变化速率，随着热管启动，热管的降温效应逐渐凸显，含热管组沥青混合料3cm 深度处的温度变化速率开始大于同时刻表面处的含热管组。在6cm 深度处，同一时刻沥青混合料温度变化速率从大到小排序为：双管I 组，双管II 组，空白组（120min 除外），空白组沥青混合料的温度变化速率大于同时刻3cm 深度处空白组的温度变化速率（10min 除外），含热管组沥青混合料任一时刻的温度变化速率均高于同时刻含热管组的温度变化速率。这表明，空白组沥青混合料的温度变化速率受深度和环境的综合影响，含热管组沥青混合料的温度变化速率和深度呈正相关，且随着深度增加，12cm 热管间距对沥青混合料温度变化速率的提高作用比18cm 热管间距更为明显，即热管的加入会使沥青混合料在深度方向上产生一定的温缩应力，并且12cm 热管间距会比18cm 热管间距产生更大的温缩应力。

图5 温度变化速率随时间变化规律

2.3 双根热管对沥青混合料高温稳定性的影响。各组沥青混合料车辙试验的结果如表2 所示。从表2 可知，双管I 组沥青混合料的动稳定度相较空白组提高了20.82%，双管II 组沥青混合料的动稳定度相较空白组提高了13.46%，这表明热管的埋设可以显著提高沥青混合料的高温稳定性。这是由于热管的埋设可以对沥青混合料车辙试件起到加筋的作用，并且12cm 的热管间距比18cm 的热管间距加筋作用更为明显。

表2 沥青混合料动稳定度

3 结论

3.1 热管的加入可以显著提高沥青混合料车辙试件的降温幅度，并且12cm 热管间距比18cm 热管间距的降温效果更为突出。

3.2 热管的埋设会使沥青混合料在深度方向上产生一定的翘曲应力和温缩应力，且12cm 热管间距会比18cm 热管间距使沥青混合料产生更大的翘曲应力和温缩应力。

3.3 热管的埋设可以对沥青混合料起到加筋作用从而显著提高其动稳定度，且12cm 热管间距比18cm 热管间距更能提高沥青混合料的高温稳定性。