相变材料在沥青结构层内掺混方案优化研究_王世万.pdf
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1、第41卷 第4期2023年4月河 南 科 学HENAN SCIENCEVol.41 No.4Apr.2023收稿日期:2022-11-03基金项目:国家自然科学基金(41502292,51574037)作者简介:王世万(1997-),男,硕士研究生,主要研究方向为路基病害防治文章编号:1004-3918(2023)04-0552-08相变材料在沥青结构层内掺混方案优化研究王世万,解浩杰,于小洋,张亚星,朱玉(长安大学 地质工程与测绘学院,西安710000)摘要:为研究相变材料掺混位置对路基沥青层高温的调控效果,以京新高速伊吾巴里坤区段整体式路基结构为依托,建立地气耦合计算模型,利用Fluent
2、软件分别计算了未掺混相变材料(方案0)、沥青上面层掺混相变材料(方案1)和整体沥青层掺混相变材料(方案2)三种方案下的路面和沥青层温度,并分析了各方案对路面和沥青层的降温效果.结果表明:方案2对路面的降温效果优于方案1;当路面温度为5565 时,方案1和方案2对沥青上面层靠近路面3 cm区域的降温效果基本一致,此时选择方案1更符合经济性原则;当路面温度为6575 时,方案2对整个沥青层的降温效果明显优于方案1,此时选择方案2更有利于沥青层的降温;方案2更有利于削减整个沥青层的高温日平均持续时长和沥青下面层的高温天数,但其对沥青上面层高温天数的削减效果与方案1基本相同.综合分析可知,在沥青结构层
3、内掺混相变材料对路面具有较好的降温效果,但其对路面的降温效果与路面的初始温度相关,当路面温度为5565 时,采用在沥青上面层掺混相变材料的方案即可达到较好的路面降温效果,当路面温度为6575 时,采用在整体沥青层掺混相变材料的方案对路面的降温效果更佳.关键词:相变材料;沥青结构层;掺混位置;降温性能;地气耦合计算模型中图分类号:U 416文献标识码:AOptimization of Scheme of Mixing Phase Change Material inAsphalt Structural LayerWANG Shiwan,XIE Haojie,YU Xiaoyang,ZHANG Y
4、axing,ZHU Yu(College of Geology Engineering and Geomatics,Chang an University,Xi an 710000,China)Abstract:In order to study the regulation effect of phase change material mixing position on the high temperatureof asphalt layer of subgrade,an earth-atmosphere coupling calculation model is established
5、 based on the integralsubgrade structure of Yiwu-Balikun section of Beijing-Xinjiang Expressway.The Fluent software is used to calculatethe temperature of the pavement and asphalt layer under three schemes:unmixed phase change material(scheme 0),mixing phase change material in the upper asphalt laye
6、r(scheme 1)and mixing phase change material in the wholeasphalt layer(scheme 2),and the cooling effect of each scheme on the pavement and asphalt layer is analyzed.Theresults show that:The cooling effect of scheme 2 on pavement is better than that of scheme 1.When thepavement temperature is between
7、55 and 65,the cooling effect of scheme 1 and scheme 2 on the region of the3 cm upper asphalt layer near the pavement is basically the same.In this case,selecting scheme 1 is more in linewith the economic principle.When the pavement temperature is between 65 and 75,the cooling effect ofscheme 2 on th
8、e whole asphalt layer is obviously better than that of scheme 1.In this case,selecting scheme 2 ismore conducive to the cooling of asphalt layer.Scheme 2 is more conducive to reducing the average daily durationof high temperature of the whole asphalt layer and the high temperature days of the lower
9、asphalt layer,but itsreduction effect on the high temperature days of the upper asphalt layer is basically the same as that of scheme 1.Comprehensive analysis shows that mixing of phase change material in asphalt structure layer has a good coolingeffect on pavement,but its cooling effect on pavement
10、 is related to the initial pavement temperature.When thepavement temperature is between 55 and 65,a better cooling effect can be achieved by mixing phase changematerial in the upper asphalt layer.When the pavement temperature is between 65 and 75,the scheme ofmixing phase change material in the whol
11、e asphalt layer has a better cooling effect on the pavement.Key words:phase change material;asphalt structural layer;mixing position;cooling effect;earth-atmospherecoupling calculation model相变材料是利用相变过程中吸收或释放的热量来进行潜热储能的物质,具有在相变过程中将热量以潜热的形式储存于自身或释放给环境保持材料本身温度恒定的性能1-4.高等级公路使用的沥青混合料是一种温度敏感性材料,受热变软,遇冷变硬,
12、且热胀冷缩,由此导致沥青混凝土路面夏季容易出现车辙,冬季容易出现裂缝5.因此,将相变材料掺混于沥青混合料中以增强沥青混合料的环境适应性成为一种新的研究趋势.近年来,已有较多关于在沥青混合料中添加相变材料的研究6-9.张一博等10针对沥青路面铺筑的实际情况,通过试验筛选出了一种比较适宜作为沥青路面储热材料的相变材料(聚乙二醇4000),并用筛选出的聚乙二醇4000模拟了沥青混合料试件成型过程中的温度变化.谭忆秋等11采用复合相变材料制备了潜热沥青混合料,并通过试验证明所制备的潜热沥青混合料具有良好的调温效果.李文虎等12通过试验研究了PEG/SiO2相变颗粒对沥青混合料温度敏感性和高温稳定性的影
13、响,结果发现PEG/SiO2相变颗粒的掺入可降低沥青混合料发生高温车辙病害的可能性.何红丽13以等体积替代法将相变材料颗粒替代部分细集料应用于热拌沥青混合料中,发现复合相变储热沥青混合料降温幅度与相变材料颗粒掺量相关.谭海勤14研究了相变材料的配比和掺量对沥青混合料调温效果的影响.Du等15通过室内试验研究了聚乙二醇对沥青结合料及混合料性能的影响.边鑫16研究了相变材料种类和掺量对沥青混合料性能的影响.前人通过研究虽证明了将相变材料添加到沥青混凝土中有利于其温度的调节,但大多研究局限于短期的试验,目前关于将相变材料应用于沥青路面后其对沥青路面长期的降温效果和相变材料添加位置是否会对沥青路面降温
14、效果产生影响的研究还鲜有报道.基于此,本研究以京新高速夏季路面高温频发的伊吾巴里坤区段为依托,参照该段整体式路基典型断面建立二维地气耦合计算模型,并调取2020年59月高温季下的日气温、风速和辐射作为模拟的外部输入条件,通过数值模拟的方法对比分析了未掺混相变材料、沥青上面层掺混相变材料、整体沥青层掺混相变材料的路面温度和高温频率,进而提出一种经济合理的相变材料掺混方案,以期为相变材料在沥青路面中的应用提供一定的参考.1试验材料1.1相变材料的选择近年来,在道路用相变材料的筛选中,石蜡(导热系数为0.2 W/(mK),密度约为0.9 g/cm3)因其价格低、相变潜热高、使用方便和绿色无污染等优点
15、17被优先选用.因此本研究选取由杭州鲁尔能源科技有限公司生产的三种型号的石蜡作为相变材料,不同型号石蜡的具体参数如表1所示.当相变材料周围温度达到相变区间,相变材料通过吸收周围热量进行相变,进而对周围环境温度产生作用.沥青路面的沥青软化点一般在4555 之间17,然而单一相变材料提供的相变区间较小,对温度跨度较大的路面高温调节效果不佳,因此为扩大相变材料的相变区间,本研究将三种不同型号的石蜡进行混合,以便得到相变温度范围较大的相变材料.混合过程中为保证每种型号的石蜡都能发挥相对应温度区间的调温作用,材料配比在等比范围左右调动.经过试验发现,将OP55E、OP52E、OP47E按照体积比为4 3
16、 3的比例进行混合时得到的相变材料的相变区间扩大至4555,且在此相变区间内其平均比热容最大,比热最稳定.因此,本研究最终将OP55E、OP52E、OP47E以体积比为4 3 3的比例进行混合后得到的相变材料作为模拟所用相变材料.表1不同型号石蜡的参数Tab.1Parameters of different types of paraffins石蜡型号OP47EOP52EOP55E相变区间/414849535157平均相变焓/(Jg-1)17.8518.1019.57引用格式:王世万,解浩杰,于小洋,等.相变材料在沥青结构层内掺混方案优化研究 J.河南科学,2023,41(4):552-559
17、.-553第41卷 第4期河 南 科 学2023年4月1.2相变材料掺混方案图1是京新高速伊吾巴里坤区段的路基结构层分布示意图,从地面到路面依次为235 cm的路基填土层、53 cm的水稳碎石层和12 cm的沥青混凝土层,其中12 cm的沥青混凝土层在铺设过程中细化为5 cm的沥青上面层(所用沥青为AC-16C SBS改性沥青)和7 cm的沥青下面层(所用沥青为AC-25C 沥青).为了研究相变材料掺混位置对路面温度调节的影响,本研究根据相变材料在沥青层掺混位置的不同提出了两种掺混方案,分别是在5 cm沥青上面层掺混相变材料和在12 cm整体沥青层掺混相变材料,每种掺混方案中掺混的相变材料比例
18、(相变材料体积与沥青混合料体积之比)都是5%,同时设置一个未掺混相变材料的方案作为对照,相变材料具体掺混方案如表2所示.2研究方法2.1计算模型以京新高速伊吾巴里坤区段整体式路基典型断面为参考,建立地气耦合计算模型,如图2所示,其中路面宽27 m,高3 m,左右坡面比为1 1.5,路基左右各有0.75 m的土路肩,路基主要结构层如图1所示.路基下天然土层依次为0.7 m粉土层、5 m砂砾层和24.3 m未钻透的砂土层,地下总深度取30 m.计算过程中为避免入口效应对计算产生影响,路基两侧天然地表取路基高度的20倍,即左右各60 m.为减少模型上部壁面边界条件对计算的影响,空气区总高度取30 m
19、.2.2热物性参数在数值计算时,将流体区域的空气热物性参数设为定值18-19,参考实际地区气候测量值,本研究将流体区域空气热物性参数分别设定如下:密度 =1.29 kg/m3,比热容CP=1005 J/(kgK),导热系数=0.058 6 W/(mK),空气黏度 =1.75110-5kg/(ms).计算模型中固体材料的热物性参数选取均为该材料的测量标准值,具体如表3所示.图1路基结构层分布示意图Fig.1Schematic diagram of subgrade structural layer distribution注:表示未掺混相变材料,表示掺混相变材料.表2相变材料掺混方案Tab.2M
20、ixing scheme of phase change material掺混位置5 cm沥青上面层7 cm沥青下面层方案0方案1方案2图2计算模型示意图Fig.2Schematic diagram of calculation model5 cm沥青上面层7 cm沥青下面层53 cm水稳碎石层235 cm路基填土层风流方向空气区27 m60 m3 m60 m1 1.530 m0.7 m5 m24.3 m粉土层砂砾层砂土层-554表3计算模型中固体材料的热物性参数Tab.3Thermal and physical parameters of solid materials in the cal
21、culation model结构层沥青上面层沥青下面层水稳碎石层路基填土层粉土层砂砾层砂土层厚度/cm5753235705002430热物性参数/(gcm-3)2.302.402.201.981.922.001.70Cp/(Jg-1K-1)1.001.050.801.101.500.800.73/(Wm-1K-1)1.301.201.201.631.260.902.69将相变材料与路基的固体材料按照不同比例混合后,其混合物的热物性值参考Yan和Davidson20的研究,根据公式(1)(3)进行计算,计算结果赋予数值模型的相应区域.CPm=1CP1+(1-)2CP21+(1-)2,(1)m=1
22、+(1-)2,(2)m=mCPm1+(1-)21CP1+(1-)2CP2.(3)式中:CPm为掺混相变材料后混合沥青的定压比热容,J/(gK);m为掺混相变材料后混合沥青的密度,g/cm3;m为掺混相变材料后混合沥青的导热系数,W/(mK);为相变材料添加的体积比,%;1是相变材料的密度,g/cm3;CP1为相变材料的定压比热容,J/(gK);1为相变材料的导热系数,W/(mK);2是沥青材料的密度,g/cm3;CP2是沥青材料的定压比热容,J/(gK);2为沥青材料的导热系数,W/(mK).2.3外部边界条件将京新高速伊吾巴里坤区段的太阳辐射、气温、风速等影响条件纳入计算模型中,在边界条件设
23、置中,空气区左边为空气速度入口,右边为自由出流边界条件,空气由左边界处垂直进入,从左向右流动.风速v的取值按照京新高速伊吾巴里坤区段的日平均风速编写UDF程序作为模拟的输入条件.其中辐射、气温、风速均取自于中国气象数据网(http:/).1)温度条件数值计算时,温度变化结合京新高速伊吾巴里坤区段每天的最低气温、最高气温和平均气温,参照公式(4)(5)进行计算,将计算结果输入模型中.Tmean=Tmax+Tmin2,(4)Tapt=Tmax-Tmin2,(5)T=273.15+Tmean+Taptsin2t86 400-34.(6)式中:Tmean为每天的平均气温,;Tapt为每天气温的振幅,;
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