双向热传导路面

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1、特殊路段双向热传导路面的应用分析摘要：地球本身是一个巨大的热平衡体，距离地面15米以下的土壤温度几乎常年恒定，受地面温度波动影响不大。因此夏季地下土壤的温度低于地面温度，而在冬季，地下土壤温度却远高于地面温度【1】。双向热传导路面就是根据这一现象在夏季将地面一定量的热量通过导热方式传至介质并通过介质在地下，冬季通过换热介质将这些热量提取出来为路面融雪化冰，从而达到夏季提高路面高温稳定性和舒适度，冬季改善路面状况，减少交通事故的目的。这种技术实质是通过对可再生能源的蓄存利用来进行路面的夏季制冷和冬季制暖的环保技术，具有良好的可持续发展前景

2、。关键词：双向热传导；热传导系数；石墨；传热管道1.概述路面在夏季高温状态下路表的最高温度可能达到七十摄氏度作用，所产生的高温病害将严重影响道路路用性能和结构耐久性，并且在城市道路中还会加重热岛效应；在冬季低温时，路面易积雪结冰，严重影响道路行车安全。而地球本身是一个巨大的热平衡体，距离地面15米以下的土壤温度几乎常年恒定，这里用到路面双向热传导技术就是利用路面和地下土壤存在的温度差，夏季利用道路循环热流体将强烈的太阳能辐射热能传至地下土壤储存,即地下蓄能;冬季循环热流体再将热量提取至路面提高路面温度融雪化冰。实际上,集热蓄能一方面收集

3、道路太阳能热量蓄积,实现夏蓄能冬利用;另一方面夏季有效降低路面温度,减少路面热蚀破坏,提高道路寿命。对于交通负载较重的特殊路段区域(机场跑道、高速公路端口、桥梁、坡路和弯道等)的路面降温是尤为必要的【2】。还有一个重要的问题是如何提高这种传热技术的传热效率，大连理工大学王庆艳的研究表明通过提高沥青路面材料导热系数的方法可以有效提高路面的传热效率【3】。但是普通沥青混凝土是热的不良导体，要想在道路结构中实现双向热传导，将普通沥青混凝土材料改为热传导率高的传导沥青混凝土材料就成为提高系统工作效率的重要前提。2.石墨在道路中应用的可行性分析【

4、4】2.1应用背景目前常用的导热相填料包括金属填料和非金属填料，形状为粉末、晶须和纤维。金属填料由于耐腐蚀性能较差，对有防腐性能要求的导热材料，往往选用具有耐腐蚀性能的非金属材料，如石墨、碳纤维等。石墨具有导热率高，耐腐蚀性能好，与沥青相容性强等优点，易形成导热网络，有利于材料导热系数的提高，片状结构的石墨具有润滑作用，有利于在沥青混凝土中的分散，石墨填料具有较高的耐热性能，在沥青混合料的制备过程中不会因拌合温度高而变色。下面本文就双向热传导路面的可行性进行具体的分析。下表所示为河北邢台矿业有限公司生产的鳞片状石墨，其主要性能如表2-1

5、所示表2-1但在沥青混凝土中掺入过多的石墨，易削弱其力学性能。本文选用碳纤维作为导热沥青混凝土的增强剂。碳纤维是一种由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合碳，具有一般碳素材料耐高温、耐摩擦、耐腐蚀、化学稳定以及导热、导电等特性，而且碳纤维对沥青混凝土既有良好的加筋增强作用。碳纤维的性能指标如表2-2所示表2-12.2石墨应用的试验分析石墨的加入可能对沥青路面性能产生一定影响，故需对添加石墨材料的沥青路面进行试验分析2.2.1试验用原材料原材料主要包括粗集料、细集料、矿粉、沥青以及导热相填料。沥青是形成沥青混合料粘弹特性的重要组成部分，

6、对路面的使用性能有很大影响。目前，沥青在我国的使用情况大致为:南方炎热多雨地区选择较硬的50号或70号沥青;长江流域采用70号沥青;黄河流域采用90号沥青;东北地区则用90号或110号沥青。本文所用沥青为生产的90号道路石油沥青，其基本指标和指标要求如表2-3所示。表2-3试验所用集料，粗集料(16-9.5mm)、细集料(0-2.36mm)均为玄武岩，矿粉为石灰岩矿粉。各种集料性能实验按文献【5】相关规程进行，指标要求和具体性能指标如表2-4，2-5，2-6所示表2-4表2-5表2-62.2.2级配本试验采用Superpave级配设计方

7、法进行导热沥青混凝土级配设计。美国公路战略研究计划((SHRP)改进级配设计方法，采用0.45次方最大级配线图，同时特定了级配的控制点和禁区。控制点为级配曲线必须通过的几个特定尺寸，禁区为级配曲线在最大理论密度线0.3-2.36mm附近不希望通过的区域，为集料间留有一定的空隙，以便导热相填料的填充。采用Superpave12.5的级配，合成级配如图2-1所示:图2-12.2.3试验方法2.2.3.1沥青及沥青混合料基本性能依据中华人民共和国行业标准JTJ052-2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行沥青胶浆的软化点、针入度、延

8、度及沥青混合料的体积性能、水稳定性、高温稳定性试验【6】。2.2.3.2沥青胶浆粘度采用美国BrookfieldEngineering公司生产的Brookfield粘度计(ModelDV-II+)测试沥青胶