《高原凍土區單向散熱瀝青路面材料與結構研究》是依託東南大學，由王聲樂擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：高原凍土區單向散熱瀝青路面材料與結構研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：王聲樂
- 依託單位：東南大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
在高寒凍土區全線鋪築黑色瀝青路面是世界首例和創舉。瀝青路面與凍土互為災害根源，屬於國際難題。隨著全球環境的退化，高原凍土區的公路安全正面臨嚴峻的考驗。本申請基於青藏高原公路建設、養護、再生的常規技術，擬通過對路面層瀝青材料的微、納米改性技術，及從複合體系的導熱有效媒質理論出發，研究設計具有單嚮導熱功能的瀝青路面層結構和材料,即熱半導體型瀝青路面結構。綜合考慮微納米顆粒的形狀效應、物理各向異性，建立單嚮導熱瀝青路面模型傳熱學數值模型；模擬改性瀝青路面新結構的溫度場變化；實驗研究改性瀝青和瀝青混合料在新結構設計中組份選取、配比、導熱參數變化情況。該功能結構既能阻止太陽輻射熱下傳，又能加速路基中多年積熱'的上傳，進而減輕高原凍土區黑色瀝青路面的病害。目標的實現，可為高原凍土區瀝青路面、路基的的穩定性提供新原理，在政治、國防、經濟方面具重大意義。
結題摘要
基於微分顆粒複合體系的有效媒質理論，我們提出了單嚮導熱瀝青路面結構。首先，通過研究複合材料導熱的顯微結構特徵，建立了考慮界面熱阻的導熱和阻熱熱傳導理論預測模型。預測模型表明片狀、微米級石墨能夠有效增強瀝青混合料的熱導率，而球狀、微米級漂珠能夠有效降低瀝青混合料的熱導率。利用ANSYS有限元軟體對改性混合料的傳熱特性進行了數值模擬。結果表明熱量流經石墨時，熱量發生“越界遷移”效應; 熱量流經漂珠時，熱量發生“沿界遷移”效應。為解決複合材料的界面問題，採用偶聯劑對粉體進行表面改性，改性後的粉體與瀝青攪拌，形成改性瀝青膠漿，在集料表面形成瀝青與粉體混合的熱量傳輸網路體系。通過對粉體改性瀝青混合料的主要熱物理參數進行測量發現，在低體積含量時，石墨瀝青混凝土的有效熱導率與石墨含量成線性關係。例如，當漂珠摻量為5%時，瀝青混凝土的熱導率降低了22.2%，這表明少量漂珠的添加可使瀝青混凝土獲得較好的阻熱性能。基於IEC標準，研製了試驗測試模型，其絕熱的邊界條件保證了試件測試的穩定性。通過瀝青膜測試篩選各面層粉體的配比，優選了最優比例粉體搭配為上面層10%石墨、中面層10%漂珠和下面層40%漂珠。根據IEC標準，對最佳配比試件進行3個循環的熱效應試驗，結果表明試驗組測試試件底部表面溫度比對照組降低了2.5℃。對冬季基層熱量釋放模擬的研究表明，實驗組的表面溫度與對照組相比提高約1.0 ℃，證明了單向散熱試件結構可以有效地增強測試試件的熱量釋放能力，冷卻試件的底部溫度。依據“五道梁”工程背景，通過ANSYS軟體分析了帶有相變的瀝青公路路基溫度場的變化，結果表明對照組路基下多年凍土融土核的厚度降低、融化深度降低、凍結深度增加，多年凍土的年平均地溫出現下降。因此，所設計的單嚮導熱瀝青路面結構對路基具有明顯的降溫效果，有望減緩凍土退化，保護路基下多年凍土。 總之，通過改變瀝青路面材料的熱傳導特性，並建立單向散熱層狀路面結構，可實現低吸熱瀝青路面，保護路基下凍土。由於該項技術容易結合常規瀝青路面建設、養護和再生技術，因而施工容易、建設成本相對較低。項目組基本完成計畫任務書確定的研究內容，申報國際專利1項，發表SCI論文2篇，目前正在開展更深入的理論研究以及路用性能的測試。
