管弦 楊禮明

（1.北京華宏工程咨詢有限公司，北京 101101；2.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029）

0 引言

瀝青作為黏彈性材料，隨著溫度的升高會(huì)逐漸由半固體向流體狀態(tài)轉(zhuǎn)變，只有在較低黏度下瀝青才能與集料拌和均勻。此外，瀝青混合料的施工過程也要求瀝青混合料具有一定的溫度，才能得到性能均一且密實(shí)的瀝青路面。因此，溫度是影響瀝青混合料性能與施工質(zhì)量的重要因素[1]。但混合料從瀝青拌和站到施工現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸過程中將會(huì)與運(yùn)輸車、外部環(huán)境發(fā)生熱交換，特別是經(jīng)過長距離運(yùn)輸后，瀝青混合料的溫度往往低于規(guī)定壓實(shí)溫度，使其產(chǎn)生溫度離析，進(jìn)而造成瀝青路面密實(shí)度降低，影響路面使用壽命[2，3]。研究瀝青混合料在長距離運(yùn)輸過程中溫度的變化規(guī)律對(duì)提高瀝青路面施工質(zhì)量具有重要意義。

鄭鐘名等[4]研究了瀝青混合料在運(yùn)輸過程中的熱量傳輸機(jī)制，建立了基于運(yùn)輸車廂的瀝青混合料溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型。秦偉等[5]研究了長距離運(yùn)輸對(duì)瀝青混合料質(zhì)量的影響，提出了對(duì)運(yùn)輸車輛車廂四壁加裝保溫隔熱層的建議。李朋朋等[6]采用紅外成像測(cè)溫技術(shù)并結(jié)合ANSYS仿真軟件研究了運(yùn)輸過程中瀝青混合料的溫度變化，發(fā)現(xiàn)運(yùn)輸車帆布處和側(cè)板處溫度散失最為嚴(yán)重。詹小麗等[7]研究了長距離運(yùn)輸過程中溫度變化、短距離運(yùn)輸及碾壓過程溫度變化、風(fēng)速對(duì)溫度變化影響，提出了采取保溫措施的建議?，F(xiàn)有研究表明，在瀝青混合料的運(yùn)輸過程中，對(duì)于運(yùn)輸車的保溫，若采用良好的保溫材料與保溫技術(shù)，可以顯著降低混合料生產(chǎn)能耗、節(jié)約成本，增加瀝青拌和站的覆蓋范圍，對(duì)節(jié)能減排具有重要意義。

本文研究了長距離運(yùn)輸途中篷布覆蓋方式下的混合料溫度變化規(guī)律，并且分析了采用保溫材料覆蓋后瀝青混合料在長距離運(yùn)輸過程中的溫度衰減規(guī)律，最后基于瀝青混合料散熱特征提出了運(yùn)輸車外裹保溫材料的設(shè)計(jì)方法。本研究為瀝青混合料長距離運(yùn)輸施工質(zhì)量保障提供了參考。

1 傳統(tǒng)覆蓋保溫方法

1.1 傳統(tǒng)混合料溫度衰減規(guī)律

為了研究瀝青混合料在長距離運(yùn)輸過程中的溫度變化率，本文以廣西某高速公路施工項(xiàng)目為依托進(jìn)行分析。其中瀝青拌和站與施工地點(diǎn)距離大于60km，研究對(duì)象為AC-20SBS瀝青混合料，出廠溫度約為185℃，環(huán)境溫度為20℃，為保證瀝青混合料溫度，運(yùn)輸車廂頂部覆蓋了兩層篷布，車廂邊部夾塞泡沫。瀝青混合料溫度測(cè)量選取車廂3個(gè)部位，分別為車廂頂部5～6cm深度、車廂邊部5～6cm深度，車廂內(nèi)部25～30mm深度，測(cè)試方法均采用插入式熱電偶溫度計(jì)，測(cè)試位置如圖1所示，溫度變化如圖2和表1所示。

表1 2h 后不同位置降溫情況

圖1 車輛檢測(cè)部位

圖2 AC-20 長距離運(yùn)輸溫度變化過程

從圖2可以看出，隨著運(yùn)輸時(shí)間的增加，運(yùn)輸車廂3個(gè)部位的瀝青混合料溫度均發(fā)生降低，溫度隨時(shí)間變化曲線滿足一定的線性關(guān)系，降低幅度順序依次為：邊部＞頂部＞內(nèi)部。造成上述結(jié)果的主要原因是這3個(gè)部位處的傳熱方式不同。首先對(duì)于內(nèi)部瀝青混合料的降低主要是靠熱傳導(dǎo)，內(nèi)部溫度更高的瀝青混合料熱量自動(dòng)向溫度更低方向傳輸，這種熱傳導(dǎo)速率受溫度梯度的影響較大，但由于瀝青混合料內(nèi)部溫度較為均勻，最終造成內(nèi)部瀝青混合料溫度降低速率最慢。頂部瀝青混合料溫度降低主要受到與空氣熱對(duì)流的影響，在運(yùn)輸過程中空氣分子不斷與篷布表面發(fā)生熱交換，導(dǎo)致表層瀝青混合料溫度的降低。邊部瀝青混合料溫度降低速率最快，這是由于邊部瀝青混合料收到熱對(duì)流與熱傳導(dǎo)綜合作用，一方面瀝青混合料熱量傳導(dǎo)給篷布再與空氣發(fā)生熱交換，另一方面瀝青混合料的熱量會(huì)以熱傳導(dǎo)的方式向側(cè)面當(dāng)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移，由于擋板大多為導(dǎo)熱良好的鋼材質(zhì)，因此熱傳導(dǎo)速率最快。運(yùn)輸2h后邊部、頂部、內(nèi)部的溫度降低幅度分別為44℃、24℃和6℃，降溫速率分別為-22℃/h、-12℃/h和-3℃/h。邊部降溫速率約為頂部的兩倍、內(nèi)部的7倍，因此對(duì)于長距離瀝青混合料的運(yùn)輸應(yīng)采取保溫措施。

1.2 采取保溫措施后溫度衰減規(guī)律

基于上節(jié)瀝青混合料運(yùn)輸車廂不同部位的降溫規(guī)律，本課題對(duì)瀝青混合料采用一定的保溫措施，即在混合料出廠時(shí)在運(yùn)輸車輛雙層篷布之間加蓋棉被。以SMA13改性瀝青混合料為研究對(duì)象，其出廠溫度為195℃左右，環(huán)境溫度為25℃，車廂邊部夾塞泡沫，溫度變化如圖3和表2所示。

表2 2h 后不同位置降溫情況

圖3 SMA-13 長距離運(yùn)輸溫度變化過程

從圖3可以看出，采取保溫措施后的瀝青混合料溫度隨時(shí)間變化依然滿足一定的線性關(guān)系，但相對(duì)于不加保溫措施，瀝青混合料的溫度降低速率更慢。在加蓋棉被后，頂部的溫度變化速率顯著減小，趨近于內(nèi)部溫度變化曲線，這是因?yàn)槊薇痪哂休^好的隔熱效果，阻礙了瀝青混合料中熱量向外傳輸?shù)耐ǖ溃罱K降低空氣與篷布的熱對(duì)流。在加蓋保溫材料后，邊部的溫度降低速率也有顯著的提高，雖然邊部瀝青混合料依然受到熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流耦合作用，但由于保溫材料降低了表面瀝青混合料的傳導(dǎo)速率，使得熱對(duì)流的影響減弱，最終溫度變化速率降低。運(yùn)輸2h后邊部、頂部、內(nèi)部的溫度降低幅度分別為24℃、6℃和4℃，降溫速率分別為-12℃/h、-3℃/h和-2℃/h，顯著低于未采取措施下的降溫幅度。由此可見，采用雙層篷布之間加蓋棉被等保溫材料后，瀝青混合料的降溫速率顯著降低，對(duì)混合料具有保溫作用。

2 外裹保溫材料法

2.1 保溫隔熱材料選擇

GB/T8175-2008《設(shè)備及管道絕緣設(shè)計(jì)導(dǎo)則》指出，保溫材料是指在室溫（25℃）環(huán)境下，其導(dǎo)熱系數(shù)不高于0.08W/（m·℃），密度不大于300kg/m3的材料。目前組成保溫材料的種類較多，且具有不同的性能和優(yōu)缺點(diǎn)，可分為無機(jī)與有機(jī)兩種，無機(jī)類主要有礦渣棉、巖棉、玻璃棉、氣凝膠等，有機(jī)類主要包括模塑聚苯乙烯、聚氨酯、酚醛、海綿橡膠等。由于瀝青混合料在運(yùn)輸過程中溫度較高，因此對(duì)于運(yùn)輸車輛用保溫材料性能具有較高要求，如保溫材料使用溫度應(yīng)高于200℃以上且具有阻燃特性，同時(shí)還要求保溫材料具有較優(yōu)異的耐油性和化學(xué)穩(wěn)定性。由于傳統(tǒng)的有機(jī)類保溫材料大多在溫度較低條件下使用，因此無機(jī)類保溫材料更適用于瀝青混合料運(yùn)輸過程中的保溫。幾種常見無機(jī)類保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)與單位造價(jià)如表3所示。

表3 常見無機(jī)類材料

導(dǎo)熱系數(shù)越小，則其保溫材料隔熱效果越好，如表所示不同保溫材料具有不同的導(dǎo)熱系數(shù)，同時(shí)價(jià)格也差異巨大。因此，保溫材料應(yīng)根據(jù)瀝青混合料運(yùn)輸過程的散熱特性進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 運(yùn)輸車保溫層厚度設(shè)計(jì)

按照GB/T4272-2008《設(shè)備及管道絕緣設(shè)計(jì)通則》，在對(duì)瀝青混合料運(yùn)輸車輛保溫材料厚度設(shè)計(jì)時(shí)，要以規(guī)定的最大允許散熱損失為依據(jù)，并綜合節(jié)能減排、減少熱量損失、提高經(jīng)濟(jì)效益等需求。準(zhǔn)則中最大允許散熱損失如表4所示.

表4 最大允許散熱損失

按照GB/T 8175-2008設(shè)計(jì)導(dǎo)則，瀝青混合料運(yùn)輸車保溫材料表面散熱損失如下式所示；

式中，q為單位表面散熱損失，W/m2；Ri為保溫層熱阻，m2·℃/W；Ra為保溫層表面熱阻，m2·℃/W；T為運(yùn)輸車表面溫度，℃；Ta為環(huán)境溫度，℃；d為保溫層厚度，m；l 為保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；a為保溫層外表與大氣的換熱系數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)導(dǎo)則，在空氣對(duì)流較弱時(shí)a取3-10，較強(qiáng)時(shí)取20-100。

對(duì)（1）式進(jìn)行變換，建立保溫層厚度與單位表面散熱損失之間的關(guān)系，如（2）式所示：

根據(jù)運(yùn)輸車輛外的環(huán)境條件，結(jié)合保溫材料的性能參數(shù)，通過上式可以計(jì)算出瀝青混合料運(yùn)輸車的保溫層厚度。

2.3 保溫層材料與結(jié)構(gòu)優(yōu)選

在進(jìn)行保溫層材料設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)依托工程實(shí)際條件進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)廣西氣候環(huán)境特征，改性瀝青混合料出料溫度約為185℃，采用工業(yè)級(jí)紅外測(cè)溫儀測(cè)得車廂外表面溫度在90～100℃，取平均值95℃；由于車廂外表溫度為95℃，根據(jù)GB/T4272-2008設(shè)計(jì)通則，單位面積最大允許散熱損失選擇為147W/m2，一般瀝青混合料運(yùn)輸車散熱面積取40m2。廣西瀝青路面施工一般為季節(jié)性施工并考慮空氣對(duì)流，α取50W/（m2·℃），瀝青路面施工環(huán)境溫度Ta選取20℃。

通過式（2）以及表3中的材料參數(shù)，可以計(jì)算得到不同保溫材料保溫層厚度，如表5所示。

表5 幾種常見保溫材料厚度及造價(jià)

由于不同保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)不同，設(shè)計(jì)得到保溫層厚度的有一定差異性。導(dǎo)熱系數(shù)越小，保溫層厚度越小，礦渣棉、巖棉、玻璃棉和氣凝膠保溫層厚度分別為19mm、14mm、21mm、6mm。雖然氣凝膠保溫層具有最小的設(shè)計(jì)厚度，但其材料價(jià)格較高，從經(jīng)濟(jì)性來看礦渣棉和巖棉更適用于長距離運(yùn)輸過程中的瀝青混合料保溫。