耿巍，鄭冬，錢振東，趙塵

(1.南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210037; 2.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 211188;3.東南大學(xué)智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心，南京 210096)

路面材料在惡劣溫度環(huán)境下極易出現(xiàn)溫度應(yīng)力集中和溫度變形等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)車轍、開裂及疲勞破壞等病害，嚴(yán)重影響了路面結(jié)構(gòu)的使用性能和服役壽命[1]。除了太陽輻射、氣溫變化等人為無法控制的外界影響條件外，調(diào)節(jié)路面材料的熱物理參數(shù)是改善路面溫度效應(yīng)和溫度應(yīng)力的有效途徑之一[2-3]。

路面材料的熱物理參數(shù)一般包括有導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、反射率、密度和發(fā)射率等，其中導(dǎo)熱系數(shù)尤為關(guān)鍵[4-5]。目前，國內(nèi)外研究學(xué)者從導(dǎo)熱系數(shù)入手，通過改變路面材料的導(dǎo)熱系數(shù)，如使用導(dǎo)熱系數(shù)較低的集料或熱阻粘封層等，形成一系列熱阻式路面結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)而達(dá)到緩解城市熱效應(yīng)及路面材料溫度敏感性的目的[6-8]。通常，路面材料導(dǎo)熱系數(shù)的獲取方式主要有理論預(yù)估法和實(shí)測法[9-10]。其中，理論預(yù)估法由于無法較好地考慮環(huán)境溫度及濕度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響，存在一定的使用局限性[11-13]。而實(shí)測法則主要是借鑒非金屬固體材料的相關(guān)測試方法，如防護(hù)熱板法，其缺乏對路面材料特性的反映，測試結(jié)果相差較大，可比性差，且測試試件難于成型[14-16]。Carlson等[17]在亞利桑那州立大學(xué)(Arizona State University，簡稱ASU)提出了ASU圓柱試樣法。該方法是一種使用圓柱形試件來檢測路面材料導(dǎo)熱系數(shù)的試驗(yàn)方法，結(jié)果表明該測試方法能夠適用于路面材料導(dǎo)熱系數(shù)的測試，且具有較好的精度及可重復(fù)性。但是，該測試方法仍存在內(nèi)孔出口位置難以控制、填充的導(dǎo)電漿料難以使用、試驗(yàn)空間有限及試驗(yàn)操作相對復(fù)雜等實(shí)際問題。Morris[18]對上述試驗(yàn)方法進(jìn)行改進(jìn)，主要包括擴(kuò)大內(nèi)孔孔徑、采用硅橡膠海綿墊作填充物、設(shè)計熱電偶固定V形支架及設(shè)定恒溫試驗(yàn)環(huán)境等措施。試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)的ASU圓柱試樣法在典型材料導(dǎo)熱性數(shù)測定中表現(xiàn)優(yōu)異，但仍存在硅橡膠海綿墊壓縮導(dǎo)致本身導(dǎo)熱系數(shù)變化、V形支架難以維持熱電偶多觸點(diǎn)均勻接觸等問題?；诖?，本研究考慮到試樣可操作性、測試結(jié)果準(zhǔn)確度等因素，對ASU圓柱試樣法進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)和簡化，以期提高ASU圓柱試樣法的準(zhǔn)確度和可重復(fù)性，為路面材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量及路面結(jié)構(gòu)溫度場分析提供可靠的依據(jù)。

1 ASU圓柱試樣法改進(jìn)

1.1 ASU圓柱試樣法測試原理

ASU圓柱試樣法是根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)定律，以路面性能試驗(yàn)常用的圓柱形試件內(nèi)部形成圓筒壁一維穩(wěn)態(tài)熱場計算出材料導(dǎo)熱系數(shù)的測試方法，試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。所用圓柱形試樣按照路面材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)要求在道路現(xiàn)場鉆芯獲取或在實(shí)驗(yàn)室成型制備，其直徑為0.1 m，高度為0.15～0.20 m。該試驗(yàn)方法通過向試樣中心徑向鉆取直徑為0.013 m的孔洞，在孔中放置一個直徑為0.01 m的棒式加熱器作為中心熱源。此外，通過在試樣頂部和底部設(shè)置厚絕緣體形成熱隔離，以確保上下兩端的熱損失進(jìn)一步減少?；诖耍嚇釉趶较蛏峡梢孕纬蓮膬?nèi)孔到外圓一周的一維穩(wěn)態(tài)熱能流。最后，通過孔洞內(nèi)和圓柱體表面放置的熱電偶測得的溫度差值以計算試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。試件熱傳導(dǎo)原理圖如圖2所示。

圖1 ASU圓柱試樣法試驗(yàn)裝置示意圖[17]Fig. 1 Schematic diagram of ASU cylinder test device

圖2 ASU圓柱試樣法試件熱傳導(dǎo)原理圖[17]Fig. 2 Heat conduction principle diagram of ASU cylinder specimen method

導(dǎo)熱系數(shù)計算公式如式(1)[17]：

(1)

式中：k為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；V為試驗(yàn)結(jié)束時電壓記錄值，V；I為試驗(yàn)結(jié)束時電流記錄值，A；kinsul為上下絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)，本試驗(yàn)采用聚苯乙烯泡沫塑料,其導(dǎo)熱系數(shù)為0.03 W/(m·℃)；tins為上下絕緣層的厚度，m；r1為圓柱試樣中心孔洞半徑，m；r2為試件截面半徑，m；T1,ins為熱電偶在絕緣層與試樣接觸界面上測定的溫度，℃；T2,ins為熱電偶在絕緣層暴露于空氣一側(cè)測定的溫度，℃；T1為試件中心孔洞的平均溫度值，℃；T2為試件外表面的平均溫度值，℃；L為試件的高度，m。

1.2 ASU圓柱試樣法試驗(yàn)優(yōu)化

通過分析ASU圓柱試樣法原理，考慮ASU試驗(yàn)方法的可操作性和測量準(zhǔn)確性等因素，提出以下改進(jìn)及優(yōu)化方法：

1)將試件現(xiàn)場取樣高度設(shè)置為0.13 m，去除試樣上下表面不規(guī)則部分，以減少試件尺寸不規(guī)則對試驗(yàn)的影響，利于試驗(yàn)布置和試驗(yàn)中試件熱傳導(dǎo)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，從而減少試驗(yàn)總時長。

2)減小試件徑向鉆孔直徑為0.005 m，從而增加熱能在徑向上的傳導(dǎo)長度。

3)采用更牢固和更易操作的橡膠固定試件表面的熱電偶。一方面，橡膠固定帶的彈力可以確保在沒有外界特殊結(jié)構(gòu)的情況下，熱電偶尖端能與試件外表面之間充分接觸；另一方面，橡膠固定帶可以將實(shí)驗(yàn)室空氣溫度對熱電偶尖端的影響隔離開來。

4)采用有機(jī)砂和蒸餾水代替導(dǎo)熱膏或硅橡膠海綿墊以填充孔洞中加熱棒與試件內(nèi)壁之間的空隙，可有效消除導(dǎo)熱膏因溫度過高黏稠而造成填充操作困難，避免導(dǎo)熱膏在試驗(yàn)后難以清理帶來的試件污染；消除了因硅橡膠海綿墊導(dǎo)熱系數(shù)低，造成加熱棒溫度過高而產(chǎn)生的加熱故障等問題。

2 路面混凝土導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)

采用導(dǎo)熱系數(shù)較小的[0.42～0.46 W/(m·℃)]超高分子量聚乙烯材料校正改進(jìn)ASU圓柱試樣法的準(zhǔn)確度，并與原ASU圓柱試樣法測試結(jié)果進(jìn)行對比，以分析本研究提出的改進(jìn)型ASU圓柱試樣法的優(yōu)化效果。

2.1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

1)試樣處理：將直徑為0.1 m的試樣兩端表面粗糙部分打磨平整至0.13 m高。在處理后的試樣徑向中心位置鉆取直徑為0.01 m的孔洞，保證孔洞在徑向中心位置。

2)孔洞內(nèi)裝置安放(圖3)：將加熱棒在孔洞中固定，并將溫度傳感器T1和T2固定在孔洞與加熱棒之間的間隙中，分別距試件上下表面0.04 m；然后，分多次用干燥的細(xì)砂填滿加熱棒與孔洞間的空隙，同時采用柔軟的木槌從試件頂部和外部輕輕地敲打，直至空隙被填滿；最后，在室溫下用注射器將蒸餾水逐滴地從頂部注入中心孔洞的細(xì)砂中，直至2 min內(nèi)細(xì)砂不吸收水分為止(瀝青混凝土試件需4 g蒸餾水；水泥混凝土試件需6 g蒸餾水)。

圖3 改進(jìn)ASU圓柱試樣法試驗(yàn)布置示意圖Fig. 3 Schematic diagram of test arrangement of improved ASU cylinder specimen method

3)絕緣層及上層傳感器安放(圖3)：采用直徑0.15 m、厚0.05 m的泡沫塑料作為絕緣層材料。在下層絕緣層，將試件安放在兩個泡沫塑料上；在上層絕緣層，兩個泡沫塑料在中心位置切一個小楔形口，將第一層泡沫塑料置于試件上方，通過楔形口安置好加熱棒和T1、T2的導(dǎo)線并補(bǔ)回楔形小塊；然后，將第2層泡沫塑料通過楔形缺口加放在其上并同樣補(bǔ)回楔形小塊，使兩層楔形缺口180°錯開，并確保在絕緣層的中心導(dǎo)線引出位置沒有空隙；最后，將溫度傳感器F1放置在試件和第一絕緣層之間，將溫度傳感器F2放置在兩個絕緣層之間，并壓制重物放在上部絕緣片頂部，以使試件與頂部和底部絕緣片緊密穩(wěn)定地接觸。

4)外壁傳感器安放(圖3)：用標(biāo)記筆將試件外壁圓周的中心標(biāo)記出6個等距點(diǎn)(間距約0.05 m)，采用兩個橡膠固定帶分別緊繞在距試件上下表面0.04 m的外壁圓周上；然后，將溫度傳感器T3～T8分兩組各自固定在試件與橡膠固定帶之間，其中T3～T5每隔1個等距點(diǎn)固定在上層橡膠固定帶處(各自相距約0.1 m)，而T6～T8每隔1個等距點(diǎn)固定在下層橡膠固定帶處并保證其位置與上層各溫度傳感器均勻錯開(各自相距約0.1 m)；最后，在每兩個溫度傳感器之間的橡膠固定帶下面插入兩個塑料管間隔物，以保證橡膠固定帶最小程度地覆蓋溫度傳感器尖端，不影響試件熱量的正常擴(kuò)散。

5)裝置檢測：檢查所有溫度傳感器導(dǎo)線與數(shù)據(jù)記錄器的連接情況，檢查每個溫度傳感器導(dǎo)線是否處于正確的位置。

2.2 試驗(yàn)過程

1)打開數(shù)據(jù)記錄器并檢查所有溫度傳感器(T1～T8，F(xiàn)1～F2)讀數(shù)情況。試樣在試驗(yàn)開始時為室溫，所有的溫度讀數(shù)應(yīng)一致。

2)打開加熱棒，設(shè)置輸入電流安培值為較低值，緩慢調(diào)高加熱棒輸入電流安培值達(dá)到最高，保持加熱棒為50 ℃。T1和T2讀取時溫差應(yīng)在2 ℃以內(nèi)，可先使用1個試件通過試驗(yàn)來確定目標(biāo)電流安培設(shè)置，以確保在試驗(yàn)中加熱棒能夠達(dá)到50 ℃。在線路中應(yīng)連接1個電流表和電壓表，以便準(zhǔn)確地讀取加熱棒的輸入能量。

3)每隔30 min記錄T1～T8的所有溫度讀數(shù)并計算導(dǎo)熱系數(shù)k值，直到k值變化差小于2%，表明已達(dá)理想熱流穩(wěn)態(tài)，即可終止試驗(yàn)。

4)當(dāng)試驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，記錄加熱棒電流值、電壓值及各溫度傳感器的溫度值，下載數(shù)據(jù)記錄器的試驗(yàn)測試記錄并按式(1)計算材料導(dǎo)熱系數(shù)k值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 改進(jìn)ASU圓柱試樣法驗(yàn)證

分別采用改進(jìn)ASU圓柱試樣法和原ASU圓柱試樣法測試超高分子量聚乙烯材料溫度變化，根據(jù)公式1計算其導(dǎo)熱系數(shù)，并進(jìn)行統(tǒng)計分析，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。其中，A類不確定度(Ua)用于評價重復(fù)性測量對試驗(yàn)結(jié)果的影響，其數(shù)值越小，表明測量結(jié)果質(zhì)量越高，計算公式如式(2)所示。

(2)

式中：Xi為第i次的測量結(jié)果；M為測量結(jié)果的平均值；n為測量次數(shù)。

由表1可知，改進(jìn)ASU圓柱試樣法所得的結(jié)果均在超高分子量聚乙烯材料導(dǎo)熱系數(shù)的真值范圍[0.42～0.46 W/(m·℃)]內(nèi)，且多次重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差和A類不確定度均較原ASU圓柱試樣法得到顯著提高。表明通過改進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備和采用濕潤的有機(jī)砂填充試樣中心孔洞，能夠有效降低試驗(yàn)中溫度的損失，提高溫度數(shù)據(jù)讀取的精確性，改進(jìn)ASU圓柱試樣法的試驗(yàn)可重復(fù)性和試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確度均得到有效改善。此外，改進(jìn)ASU圓柱試樣法通過降低試樣高度和減小試樣中心孔徑，加速了試樣到達(dá)溫度穩(wěn)定狀態(tài)，試驗(yàn)用時較原ASU圓柱試樣法得到縮短。

表1 UHMWPE導(dǎo)熱系數(shù)兩種方法試驗(yàn)結(jié)果對比Table 1 Comparison of test results of two methods for UHMWPE thermal conductivity

3.2 路面混凝土導(dǎo)熱系數(shù)研究

對美國德克薩斯州(Texas)的11個現(xiàn)場取芯試件(5個瀝青混凝土試件和6個水泥混凝土試件)采用改進(jìn)ASU圓柱試樣法分別進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測定，試驗(yàn)中瀝青混凝土試件和水泥混凝土試件的導(dǎo)熱系數(shù)如圖4所示。同時，對密蘇里州(Missouri)、密西西比州(Mississippi)以及南卡羅萊納州(South Carolina)的不同混凝土路面進(jìn)行現(xiàn)場取樣，并按照改進(jìn)ASU圓柱試樣法進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測定。各州的混凝土試件的導(dǎo)熱系數(shù)測定標(biāo)準(zhǔn)差如圖5所示。

由圖4可知，水泥混凝土試件的導(dǎo)熱系數(shù)要高于瀝青混凝土試件，水泥混凝土試件導(dǎo)熱系數(shù)多次重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果的總不確定度(0.041)也明顯高于瀝青混凝土試件結(jié)果(0.022)。這主要是由于水泥混凝土材料的吸水率高于瀝青混凝土，試驗(yàn)中部分熱量被水分吸收，導(dǎo)致水泥混凝土試驗(yàn)結(jié)果誤差結(jié)果較瀝青混凝土組大，但與原ASU圓柱試樣法試驗(yàn)結(jié)果(水泥混凝土總不確定度：0.048，瀝青混凝土總不確定度：0.023)[17]相比，兩種混凝土采用改進(jìn)ASU圓柱試樣法的試驗(yàn)結(jié)果均較低，表明采用改進(jìn)ASU圓柱試樣法的試驗(yàn)結(jié)果更加可靠。由圖5其他3個州的瀝青混凝土路面和水泥混凝土路面的導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果也可進(jìn)一步說明，采用改進(jìn)ASU圓柱試樣法的試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差比原ASU圓柱試樣法試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差低(水泥混凝土標(biāo)準(zhǔn)差：0.062，瀝青混凝土標(biāo)準(zhǔn)差：0.014)，離散程度低，試驗(yàn)結(jié)果更加精確可信。

圖4 德克薩斯州路面混凝土取芯試件導(dǎo)熱系數(shù)Fig. 4 Thermal conductivity values of pavement specimen in Texas

圖5 不同地區(qū)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差對比Fig. 5 Comparison of standard deviation of concrete thermal conductivity in different regions

4 結(jié) 論

為提高導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)的可操作性和結(jié)果準(zhǔn)確度，在原ASU圓柱試樣法基礎(chǔ)上提出改進(jìn)ASU圓柱試樣法及優(yōu)化方案，采用改進(jìn)ASU圓柱試樣法和原ASU圓柱試樣法分別對已知導(dǎo)熱系數(shù)的超高分子量聚乙烯材料以及美國4個不同州的瀝青混凝土路面芯樣、水泥混凝土路面芯樣的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了研究，通過分析可得出以下結(jié)論：

1)相比于原有的ASU圓柱試驗(yàn)法，改進(jìn)ASU圓柱試樣法的試驗(yàn)可在3 h內(nèi)完成，改進(jìn)圓柱體試樣法測試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差較小，試驗(yàn)受人為和設(shè)備的因素影響降低，試驗(yàn)多次重復(fù)結(jié)果的離散性低，試驗(yàn)結(jié)果的質(zhì)量和可靠性提高。

2)改進(jìn)ASU圓柱試樣法適用于瀝青混凝土和水泥混凝土路面材料導(dǎo)熱系數(shù)的測定，兩種路面材料試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差均在合理范圍內(nèi)，且明顯低于原ASU圓柱試樣法試驗(yàn)結(jié)果。比較美國4個州不同路面材料的導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果，改進(jìn)圓柱體試樣法的試驗(yàn)用時縮短，試驗(yàn)方法更科學(xué)、便捷，試驗(yàn)結(jié)果可信度更高。

3)與水泥混凝土材料相比，瀝青混凝土材料的導(dǎo)熱系數(shù)多次測試結(jié)果的準(zhǔn)確性更高。這主要由于瀝青混凝土材料吸水率更低，使得試驗(yàn)中受水影響小，試驗(yàn)結(jié)果精確性更高。

綜上表明，改進(jìn)ASU圓柱試樣法較原ASU圓柱試樣法有較大優(yōu)化，但對提高加熱的工作性能及鉆孔的精度仍需進(jìn)一步研究，還需要對不同地區(qū)、不同設(shè)計配比的更多類型路面材料進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。