王小慶 馬 骉 劉豐瑋

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院1) 西安 710064) (山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院2) 濟(jì)南 250031)

0 引 言

瀝青混合料性能受溫度及溫度變化速率影響顯著，瀝青黏度隨溫度的升高而降低，當(dāng)溫度達(dá)到40 ℃以上時(shí)，結(jié)合料的黏結(jié)作用顯著降低，在行車荷載反復(fù)作用下，容易產(chǎn)生各種高溫病害，影響道路的使用壽命和性能.

相變材料具有相變潛熱特性，在相變過(guò)程中會(huì)吸收或釋放大量潛熱[1]，將其用于主動(dòng)調(diào)控瀝青混合料路面溫度，減小路面溫度域，減小路面病害頻發(fā)溫度區(qū)間內(nèi)升降溫速率，可減輕瀝青路面高、低溫病害，提高路面的使用性能[2-4].目前，國(guó)內(nèi)外主要從路用相變材料研發(fā)與優(yōu)選、相變材料調(diào)溫性能、相變材料對(duì)瀝青及瀝青混合料性能的影響等方面做了一定研究.路用相變材料常包括聚乙二醇[5-6]、負(fù)載型復(fù)合相變材料[7-8]，以及微膠囊相變材料[9-10].Athukorallage等[11]通過(guò)有限元模擬分析在上面層下鋪設(shè)相變材料層與含不同體積分?jǐn)?shù)相變材料的瀝青混合料層的調(diào)溫情況，得出鋪設(shè)相變材料層時(shí)路面表層溫度高于普通路面，而鋪設(shè)體積摻量小于60%的瀝青混合料，可有效降低路表溫度.Du等[12]分析了摻與未摻相變材料瀝青混合料的溫度差異，并建立了調(diào)溫瀝青混合料溫度預(yù)測(cè)模型.針對(duì)瀝青路面溫度場(chǎng)，研究學(xué)者均以實(shí)測(cè)普通瀝青路面溫度研究外界因素與路面溫度場(chǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及建立路面溫度場(chǎng)預(yù)估模型為主要研究?jī)?nèi)容.延西利等[13]建立了全厚式路面溫度數(shù)據(jù)庫(kù)，利用數(shù)值方法確定了路表溫度，最終建立了瀝青路面全厚度范圍的溫度場(chǎng).單景松等[14]利用有限元模型得到路表最高溫與大氣溫度與太陽(yáng)輻射量等氣候因素之間的關(guān)系式，建立了路面不同深度處溫度隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)預(yù)估模型.Ariawan等[15]針對(duì)高溫、潮濕地區(qū)，研究了大氣溫度和濕度對(duì)瀝青路面溫度的影響，并以溫度和濕度作為獨(dú)立變量，建立了路面溫度預(yù)估的線性回歸模型.

相變調(diào)溫瀝青混合料以其調(diào)溫特性區(qū)別于普通瀝青混合料，具體體現(xiàn)為在相變材料處于相變溫度區(qū)間內(nèi)時(shí)，混合料的表觀比熱發(fā)生較大變化進(jìn)而影響瀝青路面溫度場(chǎng)分布.而國(guó)內(nèi)外，就相變調(diào)溫瀝青混合料溫度場(chǎng)變化研究較少.

由此，關(guān)于相變調(diào)溫瀝青混合料的溫度場(chǎng)研究缺乏.為進(jìn)一步研究相變材料在瀝青混合料內(nèi)部具體調(diào)溫進(jìn)程與影響相變調(diào)溫效果的外在因素，制作微膠囊相變調(diào)溫瀝青混合料室外調(diào)溫模型，以大量實(shí)測(cè)的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)比分析不同環(huán)境下模型溫度場(chǎng)的變化情況，并分析出現(xiàn)相應(yīng)溫度變化的成因.同時(shí)，進(jìn)一步分析特征溫度界面在調(diào)溫模型內(nèi)部的移動(dòng)情況，以期為MEPCTA的調(diào)溫過(guò)程及其影響因素的研究提供一定的參考依據(jù).

1 原材料

試驗(yàn)采用韓國(guó)SK90#A級(jí)道路石油瀝青，技術(shù)指標(biāo)均符合文獻(xiàn)[16]要求.粗集料為閃長(zhǎng)巖，表觀相對(duì)密度2.775，吸水率0.52%；細(xì)集料為機(jī)制砂，表觀相對(duì)密度2.745，砂當(dāng)量83%；礦粉為石灰?guī)r質(zhì)，干燥、潔凈、無(wú)團(tuán)粒結(jié)塊，表觀相對(duì)密度2.712，含水量0.4%，各技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求.

MEPCTA以白炭黑與十四烷制備的定形相變材料為囊心、乙基纖維素(EC)為囊壁、二乙酸甘油酯(GD)和無(wú)水乙醇混合為溶劑，通過(guò)微膠囊法制備而成，其相變特性見(jiàn)圖1.

圖1 MEPCT的DSC曲線

由圖1可知，MEPCTA的相變吸熱溫度區(qū)間為4.54～26.64 ℃，峰值溫度為11.61 ℃，相變焓值為80.24 J/g；相變放熱溫度區(qū)間為2.16～-31.65 ℃，峰值溫度為-4.83 ℃，焓值為80.31 J/g.

瀝青混合料類型為AC-13，不同粒徑規(guī)格礦料質(zhì)量比為：10～15 mm∶5～10 mm∶0～5 mm∶礦粉=22%∶34%∶41%∶3%；通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)確定最佳油石比為4.9%；調(diào)溫劑摻量為0.3%，以干法工藝摻入.

2 室外調(diào)溫模型的建立

調(diào)溫模型由三塊30 cm×30 cm×10 cm的車轍板由下至上依次疊放而成.為保證熱量在模型內(nèi)傳遞的連續(xù)型，使用與車轍板相同瀝青、礦粉與細(xì)集料制備瀝青砂漿填補(bǔ)車轍板間縫隙，為保證模型各表面空氣均勻流動(dòng)，室外調(diào)溫模型通過(guò)支架架空，模型內(nèi)溫度通過(guò)埋設(shè)于其內(nèi)的溫度傳感器采集.室外調(diào)溫模型整體效果與內(nèi)部傳感器的分布見(jiàn)圖2.

圖2 室外調(diào)溫模型整體效果和傳感器分布圖

在模型內(nèi)特定位置處布設(shè)溫度傳感器，見(jiàn)圖3.以相變調(diào)溫瀝青混合料調(diào)溫模型內(nèi)傳感器布設(shè)為例，沿模型中心位置豎直方向由上至下布設(shè)M1～M3；沿模型上層水平縱向中線由前向后，編號(hào)依次為L(zhǎng)1，L2，M1，L3和L4；沿模型下層水平橫向中線由左向右布設(shè)，編號(hào)依次為T1，T2，M3，T3和T4.普通瀝青混合料模型內(nèi)傳感器布設(shè)位置與所例相同，以編號(hào)前均加N區(qū)別.

圖3 室外調(diào)溫模型溫度傳感器布設(shè)平面圖及剖面圖(單位：mm)

3 微膠囊相變調(diào)溫瀝青混合料室外模型溫度場(chǎng)分析

室外模型溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)間為2016年12月10日08:00—12日09：00(10日晴轉(zhuǎn)多云，環(huán)境溫度為0.7 ～8.6 ℃；11日晴，環(huán)境溫度為-0.6～11.7 ℃).通過(guò)實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)，分析摻與未摻MEPCTA調(diào)溫模型溫度場(chǎng)變化差異，并具體分析相變調(diào)溫瀝青混合料室外模型在不同溫度、光照環(huán)境條件下的各層位溫度變化情況.

3.1 摻與未摻微膠囊型相變調(diào)溫劑瀝青混合料室外模型溫度場(chǎng)對(duì)比分析

對(duì)比分析摻與未摻微膠囊型相變調(diào)溫劑模型內(nèi)L1、L4與T1三個(gè)位置的溫度變化情況，具體溫度變化及溫度變化速率見(jiàn)圖4.

圖4 摻與未摻MEPCTA瀝青混合料室外調(diào)溫模型溫度變化和溫度變化速率

由圖4a)可知，升溫階段，摻MEPCTA室外模型內(nèi)部各點(diǎn)溫度低于未摻的；而降溫階段，前者又高于后者.由此可知MEPCTA發(fā)揮了一定的潛熱調(diào)溫作用，能夠在升溫時(shí)段抑制瀝青混合料溫度上升過(guò)高和在降溫時(shí)段防止瀝青混合料溫度下降過(guò)低.

升溫階段，摻與未摻MEPCTA瀝青混合料模型內(nèi)同一位置溫度在某一時(shí)刻開始出現(xiàn)差異，且溫差隨時(shí)間逐漸增大；降溫階段，溫差逐漸減小，并出現(xiàn)反溫差；峰值溫度越大，溫差越大，各位置溫差為1 ℃左右，最大1.7 ℃.由圖4b)可知，相變調(diào)溫模型內(nèi)各位置溫度變化速率及幅度均低于普通瀝青混合料模型，隨模型溫度達(dá)到相變起始溫度5 ℃時(shí)，溫度變化速率差值逐漸增大，此差異在溫度變化較快時(shí)較為顯著，最大溫變速率差值為0.8 ℃/h.由此可知，當(dāng)溫度達(dá)到MEPCTA相變起始溫度時(shí)，MEPCTA開始發(fā)揮潛熱調(diào)溫作用，延緩模型內(nèi)溫度變化.不同升降溫階段內(nèi)，摻與未摻MEPCTA瀝青混合料模型內(nèi)各位置溫差從出現(xiàn)至達(dá)到最大值歷經(jīng)不同溫度變化范圍和持續(xù)時(shí)間；同時(shí)，在相同環(huán)境溫度下，摻與未摻MEPCTA模型各位置處溫差也不相同.由此推斷，外界溫度變化以及模型內(nèi)調(diào)溫劑分布位置的不同會(huì)影響MEPCTA潛熱調(diào)溫過(guò)程的持續(xù)時(shí)間和調(diào)溫效率.

3.2 微膠囊相變調(diào)溫瀝青混合料室外模型溫度場(chǎng)分析

監(jiān)測(cè)所得模型內(nèi)各位置溫度變化見(jiàn)圖5.

圖5 微膠囊相變調(diào)溫瀝青混合料室外調(diào)溫模型溫度變化

由圖5可知，模型整體溫度隨環(huán)境溫度同步變化.10日為陰天，模型溫度與環(huán)境溫度相差較小，且升溫速率較小，熱傳遞的滯后效果不明顯，模型各位置同一時(shí)刻溫度相差較?。?1日太陽(yáng)光照強(qiáng)度較強(qiáng)，模型整體溫度高于環(huán)境溫度，由于模型表面在光照下迅速升溫，該升溫過(guò)程中，MEPCTA潛熱效率較高，熱量向模型內(nèi)部傳遞減少，模型各位置的溫度變化響應(yīng)隨深入模型距離的增加而逐漸滯后，溫度變化幅度及速率也逐漸降低.為了更直觀的分析調(diào)溫模型內(nèi)各位置處的溫度變化情況及規(guī)律，對(duì)模型沿豎直方向、縱向、橫向的溫度變化做進(jìn)一步分析.

3.2.1豎直深度方向溫度變化情況

相變調(diào)溫模型沿豎向溫度變化及溫度變化速率見(jiàn)圖6，圖中坐標(biāo)標(biāo)注分別為環(huán)境及模型溫度峰值點(diǎn).

圖6 微膠囊相變調(diào)溫瀝青混合料室外調(diào)溫模型沿豎向溫度變化

由圖6可知，升溫階段，由于模型上部首先受到太陽(yáng)輻射且熱量傳遞具有滯后性，峰值溫度依次延后出現(xiàn)，這種滯后性較多云天氣(10日)在晴天(11日)時(shí)較為顯著，這是由于溫度變化速率較快，同時(shí)在溫度較高情況下MEPCTA以潛熱形式存儲(chǔ)熱量效率較高；降溫階段，模型中熱量由下到上向外釋放，模型底部降溫速率較低、最低溫出現(xiàn)最晚，但各位置差別及相對(duì)于環(huán)境溫度的溫度滯后效果并不明顯，這是由于MEPCTA的相變放熱溫度區(qū)間為2.16～-31.65 ℃，而實(shí)測(cè)時(shí)環(huán)境最低溫度僅為-0.6 ℃，MEPCTA未能較好的產(chǎn)生調(diào)溫作用.由12月11日溫度變化及峰值點(diǎn)坐標(biāo)可知，環(huán)境溫度于11:50達(dá)到峰值溫度，而模型上部峰值溫度滯后約2 h，此時(shí)環(huán)境溫度僅為其峰值溫度的60%，避免了模型峰值溫度與環(huán)境峰值溫度的重合.

3.2.2上層縱向溫度變化情況

相變調(diào)溫模型沿上層縱向的溫度變化及溫度變化速率見(jiàn)圖7.

圖7 微膠囊相變調(diào)溫瀝青混合料室外調(diào)溫模型沿上層縱向溫度變化

由圖7可知，升溫階段，模型內(nèi)由前向后各位置升溫速率逐漸減小，環(huán)境溫度變化越大，各位置溫度峰值相差越大，峰值溫度的出現(xiàn)時(shí)間也依次延后；降溫階段，熱量由內(nèi)向外逐漸釋放，限于試驗(yàn)場(chǎng)地條件模型后側(cè)有障礙物，而前部散熱條件良好，熱量主要由前部向外輻射，模型上層縱向各點(diǎn)最低溫度由前向后依次出現(xiàn).12月11日，環(huán)境溫度于11:50達(dá)到峰值溫度，而模型前部峰值溫度滯后約1 h.

3.2.3下層橫向溫度變化情況

相變調(diào)溫模型沿下層橫向溫度變化及溫度變化速率見(jiàn)圖8.

圖8 微膠囊相變調(diào)溫瀝青混合料室外調(diào)溫模型沿下層橫向溫度變化

由圖8可知，升溫階段初期，模型左側(cè)受太陽(yáng)光照輻射，模型溫度沿橫向由左向右逐漸降低；正午時(shí)太陽(yáng)光直射模型上部與前部，下層橫向各位置吸熱狀態(tài)相近，溫度峰值相差較小；降溫階段，太陽(yáng)光直射模型右側(cè)，此時(shí)光照強(qiáng)度已明顯減弱，各位置溫度趨于相同.12月11日，環(huán)境溫度于11:50達(dá)到峰值溫度，而模型左側(cè)峰值溫度滯后約1.5 h.由此，升溫階段模型下層橫向各位置峰值溫度出現(xiàn)時(shí)間依次延后；降溫階段，各位置溫度變化無(wú)較大差異.

由此可見(jiàn)，外界溫度環(huán)境和太陽(yáng)光照條件是微膠囊相變?yōu)r青混合料室外模型溫度場(chǎng)分布及變化主要決定因素，同時(shí)，模型內(nèi)不同朝向、不同深度位置處熱量交換狀態(tài)的不同，會(huì)影響MEPCTA的調(diào)溫進(jìn)程.

4 微膠囊相變調(diào)溫瀝青混合料室外模型特征溫度界面

由室外模型溫度場(chǎng)變化情況可知，在升降溫過(guò)程中，模型外側(cè)形成正(負(fù))溫度梯度界面，并隨環(huán)境溫度變化逐漸向模型內(nèi)部移動(dòng)，當(dāng)模型內(nèi)某位置處界面溫度達(dá)到相變初始溫度時(shí)，該位置處MEPCTA相變特性被激發(fā)，以潛熱形式儲(chǔ)存(釋放)熱量達(dá)到調(diào)溫效果.將MEPCTA相變起始溫度及峰值溫度作為特征溫度，其所在界面為特征溫度界面.

升溫階段，取5 ℃作為起始特征溫度、10 ℃作為峰值特征溫度值，分析5，10 ℃特征溫度界面在模型中的移動(dòng)情況；降溫階段，僅取降溫階段相變起始溫度3 ℃作為起始特征溫度進(jìn)行分析.以環(huán)境溫度達(dá)到特征溫度值的時(shí)刻為起始時(shí)間，根據(jù)各特征溫度界面的移動(dòng)情況分析不同位置處MEPCTA的調(diào)溫狀態(tài).各特征溫度界面起始時(shí)間點(diǎn)見(jiàn)表1.

表1 升降溫階段內(nèi)特征溫度界面起始時(shí)間點(diǎn)

由表1可知，升溫階段，環(huán)境最高溫越高，相變起始特征溫度界及峰值特征溫度界面越早出現(xiàn)，模型內(nèi)MEPCTA越早發(fā)生相變潛熱作用；降溫階段，環(huán)境最低溫越低，相變起始特征溫度界面出現(xiàn)的時(shí)間也越早.

4.1 升溫階段特征溫度界面分析

以表1中各起始時(shí)間為零點(diǎn)，按觀測(cè)點(diǎn)在模型內(nèi)的不同排列方式計(jì)算各特征界面依次到達(dá)模型各位置所用的時(shí)間，模型前部、左側(cè)、上側(cè)表面分別為按上層水平縱向、下層水平橫向、中心豎直排列的各觀測(cè)點(diǎn)的距離零點(diǎn).

1) 5 ℃面特征溫度界面5 ℃特征溫度界面變化情況見(jiàn)圖9.

圖9 5 ℃特征溫度界面沿模型變化情況

由圖9可知，隨著環(huán)境最高溫度的增大，5 ℃特征溫度界面由起始位置按各排列方式依次到達(dá)各位置的時(shí)間整體縮短.在同一溫度環(huán)境條件下，5 ℃特征溫度界面依次到達(dá)各位置所需的時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，所需時(shí)間延長(zhǎng)的幅度逐漸減小.表明環(huán)境最高溫越高，MEPCTA越早發(fā)揮潛熱調(diào)溫作用.鑒于模型各表面均與外界環(huán)境接觸，選取起始位置至中心位置區(qū)域內(nèi)界面移動(dòng)情況進(jìn)行計(jì)算.5 ℃特征溫度界面沿上層縱向由5 cm移至10 cm各溫度條件下平均耗時(shí)16.5 min，同樣沿下層橫向平均耗時(shí)17.7 min，對(duì)于沿豎向選取由10 cm移至15 cm，平均耗時(shí)6.7 min.

2) 10 ℃特征溫度界面10 ℃特征溫度界面變化情況見(jiàn)圖10.

圖10 10 ℃特征溫度界面沿模型變化情況

由圖10a)可知，與5 ℃特征溫度界面相反，環(huán)境最高溫度越高，10 ℃特征溫度界面到達(dá)縱向各位置所用時(shí)間越長(zhǎng)，MEPCTA相變調(diào)溫作用越明顯.同一溫度環(huán)境下，由于模型表面溫度逐漸升高向內(nèi)傳遞熱量增加，且模型內(nèi)MEPCTA調(diào)溫效果減弱，10 ℃特征溫度界面沿縱向加速依次到達(dá)模型縱向各位置，該現(xiàn)象在最高溫較高時(shí)較為明顯.10 ℃特征界面沿模型上層縱向由5 cm移至10 cm耗時(shí)27.5 min，較5 ℃特征溫度界面延后66%，說(shuō)明相變材料在模型溫度由5 ℃升至10 ℃過(guò)程中較大程度的發(fā)揮了潛熱調(diào)溫作用.由圖10b)可知，環(huán)境最高溫度的變化對(duì)10 ℃特征溫度界面沿模型下層橫向移動(dòng)并無(wú)明顯影響，這是因?yàn)樵摃r(shí)間段內(nèi)陽(yáng)光直射模型上部和前部，熱量沿垂直橫向排列方向傳遞，模型下層橫向各位置接收相同熱量.由圖10c)可知，隨著環(huán)境最高溫度的增高，10 ℃特征溫度界面到達(dá)豎向各位置的時(shí)間逐漸延后.同一環(huán)境條件下，該時(shí)段太陽(yáng)直射模型上部，熱量豎直向下傳遞，部分被MEPCTA以潛熱形式吸收，10 ℃特征溫度界面沿豎向依次到達(dá)模型各位置的時(shí)間逐漸延后，并且時(shí)間延長(zhǎng)的幅度逐漸減緩.同樣，10 ℃特征界面在沿模型下層橫向與中心豎直方向移動(dòng)相同距離較5 ℃特征界面耗時(shí)分別增加20%、45%.綜上，環(huán)境升溫越快，MEPCTA越快完成相變調(diào)溫過(guò)程，其延緩模型溫度上升的效果越顯著.

4.2 降溫階段特征溫度界面分析

3 ℃特征溫度界面變化情況見(jiàn)圖11.由圖11可知，環(huán)境最低溫度越低，3 ℃特征溫度界面越早達(dá)到模型各位置，MEPCTA越早發(fā)揮相變調(diào)溫作用.由圖11a)可知，在同一降溫環(huán)境下，由于模型后側(cè)有障礙物干擾，前部空氣流動(dòng)暢通，模型內(nèi)熱量主要由后向前逐漸向外釋放，因此3 ℃特征溫度界面沿縱向到達(dá)各位置的時(shí)間隨距離的增加而延后.由圖11b)可知，在相同降溫環(huán)境下，由于模型左右側(cè)均有障礙物遮擋，且底部距地面較近，模型下層橫向各位置熱量散失無(wú)明顯差異，3 ℃特征溫度界面到達(dá)位置時(shí)間大致相同.由圖11c)可知，3 ℃特征界面由15 cm移動(dòng)至20 cm較由10 cm移至15 cm所用時(shí)間平均延后30 min，這是由于3 ℃特征界面先至處MEPCTA發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變放出潛熱，延后低溫向模型深處的傳遞.

圖11 3 ℃特征溫度界面沿模型變化情況

各位置處MEPCTA對(duì)周圍熱量傳遞的響應(yīng)程度不同，潛熱調(diào)溫過(guò)程存在差異.升降溫速度過(guò)快，調(diào)溫劑相態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程響應(yīng)滯后；升降溫速度過(guò)慢，調(diào)溫劑相態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程未能完全激活.因此調(diào)溫劑是否發(fā)揮潛熱作用取決于其周圍溫度是否達(dá)到相變溫度，特征溫度界面的移動(dòng)情況，可明確反映出所至模型各位置處MEPCTA的調(diào)溫狀態(tài)，同時(shí)也是模型溫度場(chǎng)的微觀表現(xiàn).特征溫度界面的移動(dòng)速度即為特定溫度條件下模型的溫度響應(yīng)的快慢程度，特征界面移動(dòng)越慢混合料模型的溫度敏感性越低.

5 結(jié) 論

1) 摻與未摻MEPCTA瀝青混合料室外調(diào)溫模型的溫度變化趨勢(shì)與環(huán)境溫度同步，但模型內(nèi)溫度變化整體相對(duì)滯后.摻MEPCTA的瀝青混合料調(diào)溫模型內(nèi)部各點(diǎn)的升降溫速率與幅度均低于未摻的，最大溫差可達(dá)1.7 ℃.

2) 微膠囊相變?yōu)r青混合料室外調(diào)溫模型各位置的溫度響應(yīng)隨深度增加而逐漸滯后.環(huán)境溫度處于4.54～26.64 ℃及2.16～-31.65 ℃的時(shí)間越長(zhǎng)，且溫差變化越大，模型內(nèi)MEPCTA調(diào)溫作用越強(qiáng)，模型內(nèi)各位置溫差越大、溫度變化滯后效果越明顯.

3) 特征溫度界面在不同升降溫環(huán)境下到達(dá)模型內(nèi)部的時(shí)間隨深度距離增加逐漸滯后，模型內(nèi)MEPCTA開始相變以及基本完成相變是由外而內(nèi)逐步進(jìn)行.

4) 升溫階段，環(huán)境最高溫越高，10 ℃征溫度界面由起始位置依次到達(dá)各位置處的時(shí)間逐漸后，MEPCTA潛熱效果越明顯；降溫階段，環(huán)境最低溫度越低，3 ℃特征溫度界面依次到達(dá)各位置的時(shí)間越快，MEPCTA越早發(fā)揮調(diào)溫作用.