熱線法測瀝青混合料導熱系數(shù)試驗的改進

季亞萍，劉林松

（1.蘇州市吳江區(qū)交通工程質量監(jiān)督站，江蘇 蘇州 215200；2.東南大學交通學院，江蘇 南京 210000）

1 導熱系數(shù)的基本概念

在穩(wěn)定均勻傳熱的條件下，1m厚的材料其兩側表面的溫差為1K或1℃時，在1h內單位面積所傳遞的熱量值，就是該材料的導熱系數(shù)，單位為W／（m·K）或者W／（m·℃）。 并且，導熱系數(shù)與物體導熱性呈正相關[1]。

ASTM（美國材料與試驗協(xié)會）把在穩(wěn)定傳熱的條件下，通過非均質材料單位面積熱流時間變化率與垂直于面積方向的單位溫度梯度比值定義為表觀導熱系數(shù)，用λ來表示。

2 導熱系數(shù)的測試方法簡介

對于導熱系數(shù)的測試方法一般可分為：穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法兩大類[2]。在用穩(wěn)態(tài)測試方法時，試樣內的溫度分布不隨時間而變化，因而形成穩(wěn)態(tài)的溫度場，當試樣溫度達到熱平衡后，利用穩(wěn)態(tài)導熱微分方程，通過測量計算就可得到試樣的導熱系數(shù)。而用非穩(wěn)態(tài)測試方法時，試樣內的溫度分布是隨著時間變化的，形成非穩(wěn)態(tài)溫度場，利用非穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)導熱微分方程，同樣能夠得到其材料的導熱系數(shù)。

在對固體導熱系數(shù)測定時，不同的試驗溫度范圍和不同導熱系數(shù)數(shù)值范圍的各類材料，需要用不同的測試方法進行測試。表1所示為現(xiàn)有導熱系數(shù)的測試方法總結。

表1 現(xiàn)有導熱系數(shù)測試方法

熱線法是非穩(wěn)態(tài)法中測量熱導系數(shù)的一種標準方法，盡管國家制定了《非金屬固體材料導熱系數(shù)的測定標準——熱線法》，但是用熱線法測瀝青混合料導熱系數(shù)的相關經(jīng)驗較少，因此仍需要進一步的研究。

3 熱線法測導熱系數(shù)原理

熱線法測量導熱系數(shù)的原理是在進行試驗時，用電爐絲作為熱線，在測試試件成型的時候，把電爐絲和熱電偶預埋在測試試件中相應的位置。經(jīng)過一定時間穩(wěn)定后，根據(jù)熱電效應將電爐絲通電讓其發(fā)熱，通過測量熱電偶溫度就能夠得到測試試件內溫度與時間的關系[3]。根據(jù)熱傳導理論，由邊界條件根據(jù)熱傳導方程可間接地得到試件的導熱系數(shù)，如式（1）所示：

式中：λ——表觀導熱系數(shù)；

L——有效加熱長度，m；

t1，t2——加熱開始到測量時刻的時間，s；

θrt2，θrt1——加熱時間t1，t2時距離熱線r處的溫升，℃。

試驗原理如圖1所示[3]。

圖1 熱線法測量導熱系數(shù)原理圖

4 熱線法測瀝青混合料導熱系數(shù)試驗的缺點

在試驗室沒有專門測試導熱系數(shù)儀器的條件下，熱線法測量導熱系數(shù)是一種比較方便、簡單、迅速的導熱系數(shù)測定方法。但利用熱線法測量瀝青混合料的導熱系數(shù)時，用輪碾法成型試驗試件，需要提前埋置電爐絲和熱電偶，因此導致此方法有一定的不足。

首先，熱線法試件中所埋置的電爐絲是一種用途比較廣泛、用量比較大的發(fā)熱材料，但是它具有以下幾方面的缺點：

a）由于電爐絲在工作時處于很高的溫度下（熾熱狀態(tài)），導致其在空氣中容易發(fā)生氧化反應而燒斷；

b）從電熱能量轉換方面來分析，由于電爐絲發(fā)熱變紅而產(chǎn)生部分可見光，使能量損耗過多；

c）在試件成型時由于瀝青混合料一直處于碾壓狀態(tài)而很難保證電爐絲處于直線狀態(tài)，也即可能在曲線狀態(tài)甚至在螺旋狀態(tài)下使用，通電時會使電爐絲產(chǎn)生感抗效應，影響試驗；

d）電爐絲在試件中埋置時，由于電爐絲的絲徑是根據(jù)其功率大小選擇的，不能夠保證在碾壓時電爐絲會不被擠壓而遭到破壞；

e）在普通瀝青混合料的成型溫度范圍內，對于電爐絲能否處在穩(wěn)定狀態(tài)以及在冷卻之后是否會變脆，均不能確定。

其次，在試驗完成后，電爐絲在通電使用后就會固定在試件中而不能回收再利用，或者其在回收后性能方面會有所下降而不能夠再次使用，從而導致試驗材料的浪費。同時在試件制作時埋置電爐絲的步驟比較繁瑣。

最后，與電爐絲一起埋置在試件中間的熱電偶，在試件成型的時候，由于其位置恰處于試件的中間，操作很難保證其位置的準確性，并且在輪碾的時候不能夠保證熱電偶處于良好的工作狀態(tài)；或者熱電偶因擠壓而被破壞掉，也可能導致試驗的不成功；再者由于碾壓而導致熱電偶的位置改變過大而使得測量偏差過大，從而導致試驗不必要的失敗。

雖然熱線法測量非金屬固體材料的導熱系數(shù)是一種比較標準的方法，但是在用于測量瀝青混合料導熱系數(shù)方面，由于瀝青混合料自身特殊的性質，導致用熱線法測量其導熱系數(shù)存在不可避免的缺點。因而在熱線法基礎上進行改進，并且使改進后的試驗方法能夠操作簡單、應用方便、測量準確、經(jīng)濟合理。

5 熱線法測瀝青混合料導熱系數(shù)試驗的改進及優(yōu)點

在熱線法的基礎上，針對其在測量瀝青混合料導熱系數(shù)時所出現(xiàn)的缺點，對熱線法進行了一定的設計改進。

首先，針對電爐絲在很高的溫度下容易發(fā)生氧化反應而燒斷，在試件成型時由于瀝青混合料一直處于碾壓狀態(tài)而很難保證電爐絲處于直線狀態(tài)，以及在試驗完成后電爐絲在通電使用后就會固定在試件中不能在回收利用而造成材料的浪費等缺點，以硬質紅外線燈產(chǎn)生的熱量為熱源來代替電爐絲發(fā)熱產(chǎn)生的熱源，這樣既能解決電爐絲高溫下容易發(fā)生氧化造成試驗失敗的問題，也能克服在試件成型時容易造成電爐絲彎曲的缺點。

其次，移動與電爐絲一起埋置在試件中間的熱電偶的位置，使熱電偶在瀝青混凝土試件成型時能夠處于良好的工作狀態(tài)。其改進方法是將熱電偶的位置由原來的試件中間移動到試件的表面中心。

總之，改進后的試驗方法克服了熱線法測量導熱系數(shù)存在的缺點和不足，并且能夠簡單、方便、迅速地測得瀝青混合料的導熱系數(shù)。其改進后的試驗原理如圖2所示。

圖2 改進后的試驗方法原理圖

6 自行設計改進試驗的可行性

自行設計改進試驗后與原熱線法測量瀝青混合料的導熱系數(shù)的不同之處有：

a）用硬質紅外線燈所產(chǎn)生的熱源代替電爐絲所產(chǎn)生的熱源；

b）硬質紅外線燈所產(chǎn)生的熱源位于試件的外部，電爐絲所產(chǎn)生的熱源位于試件的內部，用于與電爐絲一起埋置在試件中間的熱電偶的位置；

c）熱線法中與電爐絲的一起埋置在試件中間位置的熱電偶移動到試件的底部，其余試驗的條件以及邊界條件等都保持不變，其測量的基本原理仍然屬于非穩(wěn)態(tài)的方法，在外加熱源條件下試樣的溫度將會升高，通過測量熱電偶的溫度，就可以得到溫度隨時間的變化，隨之就可確定所測試樣的導熱系數(shù)。

自行改進試驗在理想的情況下：假設硬質紅外線燈所產(chǎn)生的光線全部呈圓柱形均勻散射到瀝青混凝土試件的表面，并且硬質紅外線燈自身所產(chǎn)生的熱量隨光線全部到達試件表面均勻、均質、均溫地向試件下方傳導，此時所處狀態(tài)和電爐絲通電呈圓柱型發(fā)熱傳熱下半部分基本相同。于是，根據(jù)熱傳導理論，以及熱線法推算的導熱系數(shù)的公式，將熱線法單位時間、單位長度上所產(chǎn)生的熱量變?yōu)樽孕性O計改進試驗后的單位時間硬質紅外線燈所產(chǎn)生的熱量到達試件表面的熱量，也可以間接地推算出瀝青混合料導熱系數(shù)的公式：

式中：W——硬質紅外線燈的功率，W；

L——試件表面?zhèn)鳠衢L度，m；

θ——轉化熱量系數(shù)，%。

其余參數(shù)的含義同式（1）。

7 結語

本文分析了熱線法測量導熱系數(shù)的基本原理，總結了熱線法在測量瀝青混合料導熱系數(shù)中的缺陷和不足，在此基礎上提出了熱線法測瀝青混合料的改進方法，并對其進行了可行性研究及推導出了改進后熱線法測量瀝青混合料的計算公式。

[1]田喆.城市熱島效應分析及其對建筑空調采暖能耗影響的研究[D].天津：天津大學，2005.

[2]胡芃，陳則韶.量熱技術和熱物性測定[M].安徽：中國科學技術大學出版社，2009.

[3]GB/T 10297—1998，非金屬固體材料導熱系數(shù)的測定方法 熱線法[S].