玻璃瀝青混凝土阻熱降溫性能

袁 峻， 黃 俊， 王 波， 許 濤

(南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院， 南京 210037)

玻璃瀝青混凝土是通過將回收的廢舊玻璃經(jīng)過一系列工藝處理后替換天然石料作為集料制成的新型綠色環(huán)保材料[1]。當(dāng)前美國已有超過10個州將玻璃瀝青混凝土設(shè)計要求納入了規(guī)范, 廢棄玻璃在瀝青混凝土中的應(yīng)用已初具規(guī)模[2]。澳大利亞、日本等國家也嘗試將玻璃瀝青混凝土應(yīng)用于城市道路[3-4]。已有實踐表明廢舊玻璃在道路工程中具有一定應(yīng)用價值，從廢物利用和環(huán)境保護角度看不僅處理了大量廢舊玻璃，減少廢舊玻璃的填埋從而節(jié)約了大量的土地資源，還減少天然砂石的使用，對可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義[5-7]。

使用導(dǎo)熱系數(shù)較小的熱阻材料替代普通礦物集料，可降低瀝青混合料整體的熱物性參數(shù)[8]。由于玻璃具有較低的導(dǎo)熱性能，將廢舊玻璃破碎加工成集料替代普通集料，便可以使玻璃瀝青混凝土具有較好的阻熱性能。在高溫環(huán)境下，具有較好阻熱性能的瀝青混凝土路面，其路表的溫度會低于普通瀝青混凝土路面的溫度，從而在一定程度上減緩由于高溫導(dǎo)致的車轍問題[9]。

目前，中國對玻璃瀝青混凝土的應(yīng)用著重于發(fā)揮其反光性能[10-11]。而關(guān)于玻璃集料瀝青混合料的阻熱性能的研究較少。瀝青混合料的阻熱降溫性能一般通過導(dǎo)熱系數(shù)來評價[12]。為此，基于傅里葉熱傳導(dǎo)原理設(shè)計了室內(nèi)平板導(dǎo)熱試驗裝置，測定不同玻璃集料摻量瀝青混合料在不同的溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)。通過試驗數(shù)據(jù)和理論計算評價玻璃瀝青混凝土的降溫效果，并驗證其作為降溫材料在道路工程中應(yīng)用的可行性。

1 原材料與試件制作

1.1 原材料

試驗采用東海牌70號A級瀝青，具體性能指標如表1所示。集料為玄武巖，礦粉為石灰?guī)r礦粉，試件的礦料級配如圖1所示。

表1 中石化東海牌70號瀝青技術(shù)指標Table 1 Technical indicators of Sinopec Donghai brand No.70 asphalt

圖1 級配設(shè)計曲線Fig.1 Gradation design curve

將回收的平板玻璃經(jīng)破碎獲得玻璃集料。使用玻璃集料對瀝青混合料中的粒徑為1.18 mm和2.36 mm的細集料進行等質(zhì)量的替換，替換量分別為10%、20%、30%和40%。經(jīng)路用性能試驗分析，當(dāng)玻璃摻量為40%時，動穩(wěn)定度不符合規(guī)范要求。而在摻量為30%，玻璃瀝青混合料各項路用性能均能滿足要求，因此確定玻璃集料代替細集料的最大摻量為30%。

1.2 試件制作

為了提高本次熱傳導(dǎo)試驗的準確性，本次試驗的試件是通過旋轉(zhuǎn)壓實制做，試件高度為16 cm，分別在高度7.5 cm和15 cm處鉆孔作為溫度測試點。

2 導(dǎo)熱試驗

2.1 導(dǎo)熱試驗原理

瀝青混合料導(dǎo)熱試驗采用常功率平面熱源法，基于常熱流邊界條件下半無限大物體內(nèi)研究混合料內(nèi)部溫度場變化規(guī)律，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)測定和對瀝青混合料的導(dǎo)溫系數(shù)進行計算[13]。

圖2 導(dǎo)熱試驗原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of heat conduction test principle

瀝青混合料試件是在一個密閉的環(huán)境下進行一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)試驗，原理如圖2所示。試件底側(cè)為溫控加熱板，加熱板的面積大于試件底部的面積，從而可以保證了試件的受熱均勻。試件的高度差逐漸形成穩(wěn)定的溫度差，達到熱傳導(dǎo)的穩(wěn)態(tài)。試件的內(nèi)部布置熱電偶傳感器，通過傳感器對混合料的內(nèi)部溫度進行測定。

當(dāng)混合料的初始溫度為t0時，混合料的表面被常功率熱流加熱時，溫度場由導(dǎo)熱微分方程[14]求解獲得。

(1)

式(1)中：θ為過余溫度；以τ0為基準，τ為時間，s；α為導(dǎo)溫系數(shù)，m2/h；q為熱流密度，W/m2；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；x為試樣內(nèi)部距熱源的距離，m。

在初始、邊界的條件下，求解式(1)得

(2)

根據(jù)式(2)假設(shè)被加熱的混合料初始溫度為t0，從開始加熱的時候開始計時，記為0，并且加熱以常熱流q加熱，然后對τ1時刻的混合料表面溫度進行測量，記為θ0，τ1以及τ2時刻距離混合料加熱的表面δ距離處混合料內(nèi)部的溫度，記為θδ1，τ2(δ為設(shè)定的測點位置)，由上述所測量的數(shù)據(jù)，先得出該混合料的導(dǎo)溫系數(shù)，然后根據(jù)導(dǎo)溫系數(shù)計算得出混合料的導(dǎo)熱系數(shù)。

在τ1時刻，θ0，τ1應(yīng)為

(3)

在τ2時刻，θδ1，τ2可表示為

(4)

式(3)除以式(4)，整理可得

(5)

由式(3)可得

(6)

2.2 導(dǎo)熱試驗裝置

如圖3所示，瀝青混合料導(dǎo)熱試驗裝置主要由控溫系統(tǒng)、絕熱系統(tǒng)和溫度采集系統(tǒng)組成。

(1)控溫系統(tǒng)：控溫系統(tǒng)為電加熱板，其溫度可以控制在20～400 ℃，溫度偏差為±1 ℃。加熱板從試件的下方對其進行加熱，能長時間對試件進行穩(wěn)定地?zé)崃總鲗?dǎo)。

(2)絕熱系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要由玻璃棉構(gòu)成，玻璃棉屬于玻璃纖維屬于一種人造無機纖維，具有體積密度小、熱導(dǎo)率低、保溫絕熱等性能。將試件用玻璃棉包裹嚴實，從而與外界隔絕達到保溫和隔熱效果，提高試驗數(shù)據(jù)的可靠性。

(3)溫度采集系統(tǒng)：溫度采集系統(tǒng)使用的是熱電偶測溫儀，分辨率為0.1 ℃，溫度感應(yīng)探頭插入試件內(nèi)部可實時采集溫度。

圖3 導(dǎo)熱實驗圖Fig.3 Heat transfer experiment

2.3 導(dǎo)熱試驗分析

對旋轉(zhuǎn)壓實試件底面進行打磨，使得在加熱試驗過程中試件的底部與加熱板充分接觸，確保熱量的全部傳輸。在試件測溫高度鉆孔至中心位置，將熱電偶測溫儀的溫度感應(yīng)探頭插入其中，用膠帶進行固定，確保探頭在試驗過程中始終處于試件內(nèi)部的中間位置。將試件除了底部外全部使用玻璃棉進行包裹，確保試件的在加熱過程中的熱量的無法散出和與外界隔離，減少外界溫度對加熱過程中的影響。試驗在溫度相對穩(wěn)定的室內(nèi)進行，每隔30 min記錄一次數(shù)據(jù)，并取前5 h數(shù)據(jù)進行分析。

2.3.1 不同玻璃摻量的瀝青混合料導(dǎo)熱系數(shù)

分別對0、10%、20%、30%玻璃摻量的瀝青混合料進行了60 ℃加熱溫度下的導(dǎo)熱試驗，對試件7.5 cm高度的溫度變化數(shù)據(jù)采集如圖4所示。

圖4 60 ℃下7.5 cm不同摻量的混合料溫度變化曲線圖Fig.4 Temperature variation curve of mixture with different dosages of 7.5 cm at 60 ℃

由圖4分析可知，相同的加熱溫度下，混合料內(nèi)部的溫度隨著玻璃摻量的增加而降低，溫差隨著摻量的增加而擴大。經(jīng)過5 h的加熱，在7.5 cm處的溫差玻璃集料摻量為30%的混合料與摻量為0的混合料溫差達到了10.9 ℃；即溫度同比下降了28.7%。所以玻璃摻量增大能夠延緩混合料內(nèi)部升溫速率，阻熱效果越好。

根據(jù)2.1節(jié)導(dǎo)數(shù)系數(shù)求解方法，求得不同摻量的混合料在60 ℃加熱溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)值，其隨時間的變化如圖5所示。

分析可知，在同一加熱溫度下導(dǎo)熱系數(shù)隨著混合料的內(nèi)部溫度提高而增大，隨著玻璃摻量的提高而逐漸減小。所以玻璃摻量越高瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù)越小，導(dǎo)熱性能越差，阻熱性能越好。

2.3.2 3種不同加熱溫度下的瀝青混合料導(dǎo)熱系數(shù)

分別對0、30%玻璃摻量的瀝青混合料進行了40、50、60 ℃加熱溫度下的導(dǎo)熱試驗，對試件7.5 cm高度的溫度變化的數(shù)據(jù)進行采集，結(jié)果如圖6所示。

分析可知，同一加熱時間下相同玻璃摻量瀝青混合料的溫度隨著加熱溫度的升高而升高，溫差隨著加熱溫度的升高而擴大。當(dāng)加熱溫度為40 ℃時，經(jīng)過5 h的加熱，玻璃集料摻量為30%的混合料與摻量為0的混合料在試件7.5 cm處的溫差最大達到了3.9 ℃，溫度同比下降了18.7%左右。當(dāng)加熱溫度為50 ℃時，最大溫差達到了4.8 ℃，相比0摻量下降了19.4%。當(dāng)加熱溫度為60 ℃時，最大溫差達到了10.9 ℃，相比0摻量下降了28.7%。所以當(dāng)加熱溫度越高時玻璃瀝青混合料升溫速率相比普通瀝青混合料滿，高溫時更加能夠發(fā)揮其阻熱性能。

圖5 60 ℃不同摻量的混合料導(dǎo)熱系數(shù)變化曲線Fig.5 Curve of thermal conductivity of mixed materials with different dosages at 60 ℃

圖6 7.5 cm處不同加熱溫度的混合料溫度變化曲線Fig.6 Temperature variation curve of the mixture with different heating temperatures at 7.5 cm

不同加熱溫度的混合料的導(dǎo)熱系數(shù)值，其隨時間的變化如圖7所示?？梢钥闯?，在同一加熱溫度下導(dǎo)熱系數(shù)隨著混合料的內(nèi)部溫度提高而提高，加熱溫度越高混合料導(dǎo)熱系數(shù)越大，在瀝青混合料中摻入玻璃集料可降低其導(dǎo)熱系數(shù)。

2.3.3 兩種不同導(dǎo)熱距離處的瀝青混合料導(dǎo)熱效果

分別對0、30%玻璃摻量的瀝青混合料進行了40、50、60 ℃加熱溫度下的導(dǎo)熱試驗，對加熱2.5 h后試件7.5 cm和15 cm高度的溫度數(shù)據(jù)采集如圖8所示。

圖7 不同加熱溫度的混合料導(dǎo)熱系數(shù)變化曲線Fig.7 Curve of thermal conductivity of mixed materials with different heating temperatures

圖8 不同加熱溫度下不同摻量混合料在7.5 cm和15 cm 高度處試件內(nèi)部溫度柱狀圖Fig.8 Histogram of internal temperature of specimens at 7.5 cm and 15 cm height for different mixes at different heating temperatures

可以看出，同一加熱溫度下，不同深度處，由于瀝青混合料中摻加了玻璃集料使得試件內(nèi)部溫度降低。當(dāng)加熱溫度為40 ℃時，經(jīng)過5 h的加熱，試件在7.5 cm處的和15 cm處的溫差達到了3.9 ℃；當(dāng)加熱溫度為60 ℃時，不同深度處的最大溫差達到了8.1 ℃。這說明了玻璃瀝青混合料在高溫環(huán)境下的阻熱效果更明顯。

2.4 瀝青混合料導(dǎo)熱性能對路面溫度影響分析

瀝青混合料的溫度場分布表明：夏季氣溫較高導(dǎo)致路面吸收大量熱量，瀝青路面的面層溫度很高，路表熱量向瀝青路面的內(nèi)部不停傳導(dǎo)，最后趨于穩(wěn)定；冬季氣溫較低導(dǎo)致路面處于放熱狀態(tài)，瀝青路面的面層溫度低，熱量從瀝青路面的內(nèi)部不停向上傳導(dǎo)，最后趨于穩(wěn)定。無論是在高溫還是低溫時期，熱量總是沿著結(jié)構(gòu)的高溫向低溫傳輸。瀝青路面的這種導(dǎo)熱性能是瞬態(tài)的，瞬態(tài)溫度分布在傳熱的集合方向上呈曲線。為了體現(xiàn)出瀝青混合料導(dǎo)熱系數(shù)對路面溫度的影響，采用巴勃模型研究分析[15]，則有

(7)

通過理論分析及試驗數(shù)據(jù)的采集和計算得到瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù)在1.18～2.14 W/(m·K)，所以固定其他環(huán)境參量，選取0～30%玻璃摻量瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù)，然后通過巴勃模型計算出相應(yīng)的溫度，得到瀝青混合料與溫度場之間的關(guān)系，計算結(jié)果如表2所示。

表2 氣溫40 ℃下不同導(dǎo)熱系數(shù)的路面溫度Table 2 Pavement temperature with different thermal conductivity at a temperature of 40 ℃

由表2可知，路面溫度隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增大而增大，玻璃集料摻量為30%的混合料與摻量為0的混合料路面溫度最大相差2.3 ℃。從而再次驗證了瀝青路面的溫度隨著玻璃摻量的增加而降低，玻璃瀝青混合料可以減輕高溫車轍所帶來的病害。

3 結(jié)論

(1)對瀝青混合料中的2.36 mm和1.18 mm的細集料用10%、20%、30%、40%等質(zhì)量的玻璃集料替代，對各組混合料的路用性能進行檢測發(fā)現(xiàn)玻璃集料的最佳摻量為30%。

(2)對不同玻璃摻量的瀝青混合料進行熱傳導(dǎo)試驗，試驗表明隨著玻璃摻量的增加，混合料的溫度上升速率越來越慢，混合料達到一定溫度所需要的時間更長，且提前進入升溫平緩區(qū)。溫度越高時，在同一溫度下，當(dāng)深度越深時混合料的上升幅度隨著玻璃摻量的增加而漸漸變緩?？梢哉f明具有低導(dǎo)熱性能的玻璃集料摻入瀝青混合料中可以使混合料的阻熱性能得到提高。

(3)通過巴勃模型計算結(jié)果可以看出，玻璃瀝青混合料中玻璃集料摻量越大，其導(dǎo)熱系數(shù)越小，相應(yīng)的瀝青路面溫度也較低。因此可以使用玻璃瀝青混合料對瀝青路面溫度進行有效控制，減輕瀝青路面的高溫病害。