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。关键词：双向热传导；热传导系数；石墨；

2、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 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

3、, 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】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

4、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 所示表 2-1化学密度莫氏粒径碳元素灰份铁含盘导热系数成分(g/cm1)硬度伽)含星:(%)(%)(%)(W/nvK)C2.1-2.3卜215

5、098.90.20.036B-72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 2-1指标名称抗拉强度(GPa)拉伸模董(GPa)单丝直径伽)碳元素含量(嚅)氏度(mm)导热系数(W/rnK)指标1.6875210-14905120-1252.2 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

6、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，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原始试样单-位检厠结果指标要求针入度.25*C, I00g 5s0,1mmS5.9so-ioo延度* Scm/mint 15匸cm50100软化点（坏球法

7、）r44 J42密度（15Dg/cm1L030实测记求蜡含址（W法|%,1 虽245溶解度（二氧乙烯）99799.5嶽膜烘箱窘化麻残留物性能廉赴损失%-0.05S0.8嚴廊延度，5cm/minT 159cm150|20残留针入度比，25*C, 100g, 5s%6854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性能指标试验值规范要求压碎值（）13.226洛杉矶磨耗（）15.62.6吸水率（）0.62粘附性（级）5N4级针片状

8、含量（）1442.5坚固性(0,3mm, %)0.2860表 2-6性能指标试验值规范耍求视密度（g/cn?）2.7272.5含水量（）0.31粒度范ffl (% 0.6mm100100。咲97.490-100 0.075mm88.975-90外观无团粒结块无团粒结块亲水系数0.82 12.2.2 级配本试验采用 Superpave 级配设计方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2.2.3 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

9、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 Brookfield Engineering 公司生产的 Brookfield 粘度计(ModelDV-II+) 测试沥青胶浆的粘度。2.2.3.3 沥青胶浆流变性能利用奥地利Anton Paar公司生产的Physical MCR 101型动态剪切流变仪测试 不同石墨掺量下沥青胶浆的复数剪切模量(G)和相位角(s),以分析其流变性能。2.2.3.4 导热沥青混凝土热学参数采用瑞典Hot Disk

10、公司生产的导热系数仪测试石墨掺量对沥青混凝土热学 参数的影响。2.2.3.5 导热沥青路面温度场分布 利用有限元软件,建立基于材料热学参数的二维、瞬态路面温度场分布模型,以评价材料的热学参数对路面温度场分布的影响。2.2.3.6 沥青混凝土的动态及疲劳特性利用澳大利亚 IPC 公司生产的 UTM-25 动态侍服液压试验系统测试导热沥 青混凝土的动态模量及疲劳特性。2.2.4试验结果分析(1) 适量石墨掺入后,沥青胶浆表现出针入度下降、软化点升高、延度减小、 粘度增大、当量脆点降低、温度敏感性下降的趋势,表明适量石墨既能提高胶浆 的高温稳定性,又能改善其低温抗裂性能,但延度下降表明石墨会削弱沥青

11、之间 的内聚力。(2) 适量的石墨能够增大沥青胶浆的复合剪切模量,降低其相位角,表明石 墨能够增加沥青胶浆的弹性部分,尤其在较低温度时,石墨对弹性部分的改善效 果更为明显,但过多的石墨会造成复合剪切模量的下降及相位角的升高。车辙因 子随着石墨掺量的增加而增大,表明石墨能提高沥青胶浆的高温稳定性,且石墨 的这种改善作用在复合剪切模量主曲线的低频端表现得更加显著。(3) 当石墨掺量由0%增加至 22%时，沥青混凝土的导热系数增大了37导温 系数增大了 63，说明石墨能大大加快热量及温度在沥青混凝土中的传递速率。(4) 材料的热学参数对路面温度场的分布具有很大影响，沥青混凝土的导热性能越好，路表温度

12、稍有下降，但路面内部温度随之增大;在10cm处，导热系数 每增加1W/m K，温度将增加0.4590；当石墨掺量为22%时，10cm处的最高 温度增加了 3.40C。(5) 石墨掺入后，沥青路面具有更大的变温速率，即路面升温快，降温也快; 同时，路面的温度梯度减小了，即路面具有小的正温度梯度和大的负温度梯度， 这表明石墨掺入后，能加快热量从路表传到路面内部，从而减少由温度梯度引起 路面的热应力破坏。(6) 掺入石墨后，沥青混凝土的温度一与频率依赖性没有变化;在37.8C以下, 动态模量随石墨掺量的增加而增大，相位角随石墨掺量的增加而减小 ;在 37.80 摄氏度以上，动态模量随石墨掺量的增加而

13、增大，相位角随石墨掺量的增加先减 小，当石墨掺量超过 18%时，相位角又增大。沥青混凝土的车辙因子随石墨掺量 的增加而增加，但过多的石墨对车辙因子己无进一步改善效果。(7) 掺入石墨后，水稳定性评价指标满足规范要求，但沥青混合料的强度大 大下降，碳纤维的掺入能够起到明显的增强效果 ;石墨能够大幅提高沥青混合料 的高温稳定性，碳纤维的掺入能够进一步提高其高温稳定性。在间接拉伸的应力 模式下，当应力小于 1.2MPa 时，掺入石墨的沥青混凝土具有更好的耐疲劳性能， 且掺入碳纤维后，疲劳寿命有进一步的改善效果。(8) 综合考虑沥青及沥青混凝土的路用性能、沥青混凝土的热学参数及其对 路面温度的影响，可

14、得:当石墨掺量为 12%时，沥青混凝土具有较好的路用性能; 石墨掺量越大，路面传热效果越好，但石墨掺量为 18%和 22%的沥青混凝土， 两者对路面温度场的影响已相差不大;掺入碳纤维对导热性能无改善作用，但能 显著改善沥青混凝土的路用性能。因此，对于导热沥青路面太阳能集热面层来说， 宜同时掺入石墨与碳纤维作为导热相填料，且石墨的用量不宜超过 18%。2.3 石墨在道路中应用的可行性由以上试验结果可知，石墨的掺入对沥青路面的路用性能不会产生大的不利 影响，甚至在有些方面还会对路面进行加强。另一方面，从成本的角度来看，一 吨石墨粉的价格大概在 1200 元左右，并不会对道路造价产生太大影响。综合以

15、 上两方面来说，加入石墨的传导沥青混凝土路面的应用是完全可行的。3. 利用传热管道实现路面双向热传导的可行性分析在本文的第二部分考虑了加入石墨来提高沥青路面的热传导系数，虽然这样 能起到一定调节路面温度的效果，但是单纯依靠路面本身进行的热传导并不能起 到很好的调节效果。这里可以利用距离地表15 米以下土壤的温度常年相对恒定 的特点，选取路面中的合适位置加铺传热管道，利用如图 3-1【7】所示装置来实现行。图 3-13.1应用背景路面的双向热传导实质就是对能量的一种蓄存利用，在夏季通过热传导一方 面降低路表温度，另一方面实现了能量的储存；冬季时通过热传导使热量由下往 上传递，可以达到冬季路面的融

16、雪化冰目的。能量的储存利用技术是未来能源领域可持续发展的重要组成部分和发展战 略, 是实现能源可再生化和高效利用的一种有效途径。在能源系统中, 通过可再 生能源的蓄存再利用, 提高能量利用率和实现能源补充 , 可很好地解决用能效 率, 弥补能量耗失。地下作为一个良好的蓄能体和清洁能源库, 越来越被人类所 认识。将地能、太阳能、地下蓄能等多种能源整合利用, 并实现于道路安全技术 中, 必将成为能源工程的创新技术和极具可持续发展前景的工程技术。依托蓄能 再利用, 一直是能源领域的国际前沿问题, 也为21 世纪能源环境领域的绿色用 能提出了新的机遇和挑战。它将减少对常规能源的依赖, 减轻环境污染和改

17、善能 源结构。近年来, 美、日以及北欧瑞士、冰岛、挪威、波兰等国家开展道路热融雪研 究比较多, 并在循环热流体融雪化冰系统中, 已经实现了季节性蓄能再利用。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。如果再通过地 源热泵实现升温、控温运行, 可进一步提高能量的利用程度【8】。 3.2在路面中加入管道的可行性分析加入传热管道可以实现路面和地下土壤之间的热交换，但是加入这种管道对 路面结构有什么影响，还需要下面进一步的探究。3.2.1路面埋管承重强度的计算路基受力包括两部分:(1)路面和路基自重引起的静载

18、荷(2)车轮载荷引起的动载荷路基土在车轮载荷作用下所引起的垂直应力，1可用如下公式计算。讦P/l+2. 5*(Z/D)2其中:P 车轮的单位压力 (kpa)D圆形均布荷载作用面积直径(m)Z圆形均布荷载中心下应力作用点深度(m)路基土自重在路基内深度Z处所引起的压应力可用如下公式计算0 2= r*Z其中R 土的重度(KN/m3)Z应力作用深度(m)路基内任一点出的车轮荷载所产生的垂直力，土重自重引起的垂直应力 2及两者的应力曲线如图 3-1 所示如图埋管深度为Z =O.lm，在工作区深度内a标准轴载 P=1/2*100KN单轮传压面当量圆直径 D=21.30cm由计算可得管道所受到的压强为43

19、.3kpa,如果采用的是高密度的聚乙烯管, FE80 （GB/T13663, PrEN1220. 2, IS004427）其能承受的压强为 1.25Mpa,所以在路 面以下埋管从受力上看是可行的。3.2.2管道耐久性分析1948 年, 美国就开展尝试利用地下热水的路面融雪化冰技术, 并在美国俄 勒冈州 Klamath 的一段 140 m 的道路上实施试验工程, 直到 1997 年该系统运 行了近50 年, 系统的铸铁管路由于外部腐蚀泄漏, 而于1998 年秋季采用聚乙 烯管路翻新系统重新启用。在我国要求最高的高速公路和一级公路的设计年限是 15 年,其他等级公路 设计年限更少,所以在这里管道的

20、耐久性也是不用考虑的。3.3双向传热管道参数分析3.3.1传热管道布置间距分析图 3-2为融雪时间随管间距的变化（外界环境温度为-5度）。由图可以得融雪 所需时间随着管间距的增大而增大。我们注意到当管间距在0.3m以内变化时， 融雪所需时间变化不大，而当管间距超过0.3m（取0.35m）时，融雪所需时间飞速 上升,需要3 倍以上的时间才能融化完。可见管间距对于融雪时间影响较大。所 以在设计系统时要注意管间距的选择不要过大。同时，通过该图我们图我们还可 以得出在管间距相同的情况下，管径取不同的值对于融雪时间的影响并不明显。也就是说，虽然管径图 3-23.3.2管道埋置深度与管径分析增大能在一定程

21、度上够缩短融雪时间，但是如果我们用增大管间距同时增大管径的方法来融雪，效果不会有很大的改善。图3-3为融雪时间随 pipe diameter 0.025m-pipe diameter 0.035m埋管深度的变化(外界环时间影响较大。3.4双向传热管道传热效果分析境为-5 度)。由图可以得出融雪所需时间随着埋管深度的增大而增大，同埋管深度下管径大融雪所需时间小。相对于等管间距而言，等埋管深度时取不同的管径对于融雪3.4.1 冬季传热融雪效果应用前文提到的掺入导热相填料石墨的传导沥青混凝土，这里还是采用Superpave 级配设计，沥青铺装层上面层和中间层采用 Superpave12. 5 级配,

22、 下 面层采用 Superpave19. 0 级配, 如表 3-1 所示。表3-1通过下列筛孔(mm)的百分率/%251913.29.54.752.361.180.6(1 30.150.07512. 5 mm10010098.577.250.02K 921. 916. 812.6&55. 119 min10097： 569.459.839. 129. 1|19. 51128. 55.53. 9试验采用掺入 18% 石墨的沥青混合料作为传导沥青混合料, 制备出实验用 传导沥青混凝土。由于目前还未铺筑实验路, 受实验条件的限制, 用于整个传导 沥青混凝土道路结构的实验条件还不具备 , 本章实验主要

23、研究传导沥青混凝土 板（ 无基层及其它边界层） 的冬季融雪性能, 在传导沥青混凝土板底部采用保 温材料包裹。受室内环境条件的限制 , 传导沥青混凝土路面冬季融雪化冰试验采用大板 试件在场外进行试验研究。试件设计如图 3-4 所示。便于制样, 选用铜管作为 大板试样中的换热管道。试样中沥青混合料均为导热沥青混凝土, 铺装层分上下 2 层, 上面层为 4 cm 厚, 下面层为 6 cm 厚, 换热管道置于上面层与下面层之 间。为研究该试样的融雪效果, 将该试样置于空旷环境中。2010 年 1 月 5 日下 午13: 50 起湖北省武汉市下起了 2010 年来第一场雪, 降雪达到 10 cm 厚,

24、降 雪一直持续到 1 月 6 日凌晨 2 点多。为了避免降雪影响实验效果, 该项试验在 降雪停止后于 2010 年 1 月 6 日凌晨 6 时许在室外进行。当天气象资料来自于 湖北省气象自动监测网, 如图3-5 所示。在埋管内持续通入 25 C 水用于大板 融雪的热源。时阖/hoV0 o O 0 O 氐5,4.左2.L 广8 - m鬲区图 3-4 图 3-5积雪覆盖的传导沥青混凝土大板在换热管道入口处持续通入25C的水后 融雪效果如图 3-6 所示。结果表明: 埋管内通水约 2 h 后, 大板上部积雪明显 开始从距离入口最近处从下至上融化, 此后融化速度开始加快, 到上午 9 点半 左右融化的

25、积雪位置形成明显的 U 型管形状, 随着环境温度的升高, 即使埋管 内无需通水大板上部积雪亦在逐渐融化【10】。图 3-63.4.2夏季传热降温效果分析对于双向热传导路面在夏天的降温效果，决定于这个系统能带走多少热量。 对于这类系统的集热装置的集热效率约为 15%【11】。所以理论上分析其降温效果可 以达到这个效果，即如果夏季路面最高温度为 60度时，可以大概降低 9 度左右。白天气温高时路面吸收太阳能温度升高，而到晚上气温降低时，路面就放出 热量，温度降低。可见，路面表层在一天之内经历的温度变化幅度是最大的，这 种大幅度的温度变化对路面表层的沥青混合料性质产生很大的影响。利用有限元计算，结果

26、如图3-7，我们可以得出，在一天之内，沥青路面的 上层经历了 25 C的变化幅度。这种大幅度的温度变化对于路面表层的沥青混合料产生很大的影响。而 加入传热管道以后，路 面的温度大大降低，从 图中可以看出，平均可 降低20C左右。这对沥 青路面的温度变化起 到缓冲作用，可以大大 降低由于温度对沥青 路面带来的影响，增加 沥青路面的使用寿命 和承载能力。对高速公图 3-7路的保养起到不可忽略的作用【3】。有限元的分析和预估差距比较大，可能是还涉及到一个管道里流体的流速问 题，还有理论估计里达到的集热效率没有考虑过程中的能力损耗等因素，但是其对夏季路面的降温确是相当显著的。4结论与展望4.1 结论本

27、文通过试验和讨论分析得出了双向热传导路面应用的可能性。其中的重点 一个是改善沥青路面的热传导性能，通过加入石墨，并加入碳纤维作为增强剂制 备出的传导沥青混凝土路面，本文得出了石墨的适宜掺量是18%，并且对路面的 路用性能还有一定的提升。另一个重点是利用传热管道对实现双向热传导，本文简要谈论排除了管道在 路面中的承载能力和耐久性方面的技术问题，并且就管道的排列间距和埋管深度 做了简要计算分析，得出了较为合理的间距是 0.3 米，埋管深度最好在 0.1 米以 内。还有就是就其冬季融雪做了试验分析，取得了较为明显的效果，另据有关资 料可知，如果根据天气预报在降雪前提前开启系统，将会得到更好的效果，夏

28、季 对路面的降温效果经过理论的简要分析和模拟计算，可以保守的估计如果开启系 统的话可以使路面平均温度降低 10度左右。4.2 展望本文更多的是通过理论和模拟计算来分析，缺乏实践经验，下一步可以考虑 进行实践环节的分析学习；还有对于传热管道的利用，虽然是相对来说节能环保 的办法，但是还是有能量的浪费，所以，可以考虑进行综合利用，将道路与建筑 的地热空调系统综合起来形成一个大的热循环系统，以实现能源的最高效利用。参考文献：【1】 朱强，赵军，刘益青 太阳能一一土壤蓄热技术在公路融雪中的应用J建设科技,2005, (4) 【2】黄立葵，贾璐，万剑平，万智沥青路面温度状况的统计分析J 中南公路工程,2

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