沥青和水泥混凝土导热特性研究.pdf

1 68 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 8 卷第 1 期 2 0 1 2年 2月 沥青和水泥混凝土导热特性研究 张仁义 ， 顾强康 ， 林超群 ， 何培 ( 1 空军工程大学工程学院， 陕西 西安7 1 0 0 3 8 ； 2 陕西华瑞勘察设计有限公司， 陕西 西安7 1 0 0 0 4 ) 摘要： 通过试验， 依据热线法研究了干燥和潮湿两种状态下的沥青混凝土和水泥混凝土这两种道面材料的导热 系数。测量出了不同环境温度下道面材料温度随时间变化情况， 经过计算确定了干燥和潮湿状态下沥青混凝土和 水泥混凝土道面材料的导热系数， 并用数值回归的方法得出了导热系数随温度变化的公式。 关键词： 导热特性； 导热系数； 沥青混凝土导热； 水泥混凝土导热 中图分类号： T U 5 2 8 4 2 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) 0 11 6 8- 0 3 He a t t r a n s f e r f e a t ur e r e s e a r c h o f a s p h a l t a nd c e me n t c o n c r e t e Z H A N G R e n y i ， G U Q i a n g k a n g ， L I N C h a o q u n ， H E P e i ( 1 E n g i n e e ri n g I n s t i t u t e ， A i r F o r c e E n gi n e e ri n g U n i v e r s i t y ， X i a n 7 1 0 0 3 8 ， C h i n a ； 2 H u a n fi S u r v e y a n d D e s i g n L i m i t e d C o m p a n y ， X i an 7 1 0 0 0 4， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h r o u g h e x p e ri me n t ， t h i s p a p e r a n a l y z e s t h e h e a t t r a n s f e r f e a t u r e o f a s p h alt a n d c e me n t c o n c r e t e u n d e r d r y an d d a mp c o n d i t i o n s Af t e r me a s u r i n g o u t t h e t e mp e r a t u r e v a rie t y a t an y t i me u n d e r d i f f e r e n t e n v i r o n me n t t e mp e r a t u r e ， p a p e r ma k e s u r e h e a t t r a n s mi t c o e ff i c i e n t o f asp h alt a n d c e me n t c o n c r e t e t h r o u g h o u t c a l c u l a t i o n An d t h e t e x t g e t t h e f o r mula o f t r a n s mi t h e a t c oeffic i e n t w i t h t h e v a r i e ty o f t e mper a t u r e ， b y u s i n g n u mb e r r e t u r n e d me t h o d Ke y wo r d s ： f e a t u r e o f h e a t i n g t r ans f e r ； c o e ffic i e n t o f t r a n s mi t t i n g h e a t ； a s p h alt c o n c r e t e t r an s mi t h e a t ； c e me n t c o n c ret e t r a n s mi t h e a t O 引 言 在寒冷的冬季 ， 机场道面积雪或结冰会影响飞 机起飞与降落， 严重时会造成机场关闭， 它不仅给国 民经济和人民生活造成较大 的影 响， 也是飞行安全 的重要隐患。道面自发热技术在机场冬季融雪除冰 问题上优势明显。道面材料的导热系数是 自发热道 面设计中的重要参数 ， 本文依据 国家 G B T 1 0 2 9 7 1 9 98 1 J ，采用热线法对沥青和水泥混凝 土两种主要 的道面材料进行试验 ， 分别研究二者在 干湿不同状 态下的导热系数与温度之间的关系。 1 试验原理 机场道面板混凝土的导热系数由于受材料的物 质构成、 孔隙率、 温度、 湿度、 压强及热流方向的影 响， 常采用试验的方法对道面混凝土的导热系数进 线 置于半尤 务 大均质 体 上 ， 则 兵 温度 场 口 J 用 一 维 圆 柱坐标来描述。其导热微分方程和单值性条件为： = ( + 了 I 箬 ) ( ) I + 了 J 【 j 初始条件 ： = 0时， 0 = 0 。 边 界 条 件 ： = o 时 ， g 。 = 一 耵 A ( 箬 ) 。 = 常 数 ； 如 图 1所 示 图 1 热线在半无限大均质体中传热示意 F i g 1 T h e s k e t c h ma p o f h e a t w i r e h e a t t r a n s f e r i n t o 行测定。 由热传导理论 ， 若有一产生恒定热流率的热 式中 收稿 日期： 2 0 1 0 - 0 7 1 5 作者简介： 张仁义( 1 9 8 5 一 ) ， 男， 湖南常德人， 硕士研究生， 研究方向 为道路 与铁道工程 。 E ma i l ： z h a n g r e n y i 0 0 7 1 2 6 G o m s e mi i n fin i t e b o d y 半无 限体 以 t 。时刻为基 准 的过余 温 度 ； 距热线距离为 r 处经 时间的温度变 化值 ； ( 箬 ) 。 在 热 线 上 介 质 表 面 的 温 度 梯 度 ； 2 0 1 2 N o 1 张仁义， 等： 沥青和水泥混凝土导热特性研究 1 6 9 q 热线单位长度传输给半无穷大物体的 热流率。 结合导热微分方程和单值性条件， 可得到在热 线作用下半无穷大物体内部温度场的数学解为： e _ ln + ( 一 吉 ( + 】 式 中e 常数 ； A 介质的导热系数； 介质的热扩散系数。 如果在热线附近选点P为测温点， 则 P点的温 度随时间变化的规律应遵循式( 2 ) 。由于 P点设在 热线的近旁， r 很小， 所以式( 2 ) 可以简化为： = ( k ( 3 ) 倘若在不同时刻 t 与 t ： 分别测得 P点的温度 0 1 ， 0 p T 2 ， 贝 0 一 = l n T _ L ) ( 4 ) 由上式可见 ， 式 ( 4 ) 中不含有 r 与 O t 两个参数 ， P点的温度变化 只和时间的 自然对数呈线性关系。 由式( 4 ) 求取导热系数 A时， 必须测得热线传输给 半无穷大介质 的热流率 g 。为 了准确测定 q ， 将热 线置于两块相同的试件之间， 如图2所示。 一 这样， 热线所产生的总热流率 Q将平分地传给 上下两块试件 ， 即 Q= 2 q l 由 Q的公式计算导热系数时 ， 公式应为： A ： ： 4 ,t r L R ( O r , 2-O p , 1 ) A 式中 热线的有效加热长度； 0 ， ， 加热时间 。 ， 时距离热线 r 处的温度 升高值； -一导电发热体两端电压； R 导电发热体的电阻。 2 试 验及试验数据的分析 2 1 导热系数测定试验模型 试验时， 采用铁铬铝合金丝作为发热线， 将发热 线及热电偶预埋在混凝土试件中间。发热线通电发 热后， 热电偶测出混凝土试件的温度变化， 如图3 所 示 。 图 3 热线法试验示意 Fi g 3 Th e s k e t c h m a p o f h e a t wi r e h e a t t r a n s f e r 2 2 试样的制备 试 验试样材料有沥青 混凝土和水泥混凝土两 种 ， 统一规格为两块 3 0 a m3 0 a m 5 c m， 发热丝为 直径 0 5 m m铁铬铝合金丝。沥青混凝土试件骨料 配合 比为碎石： 砂： 矿粉 = 4 6 ： 4 6 ： 8 ， 沥青用量 占4 8 5 。水泥混凝土试件配合比为 3 4 5 ： 1 4 5 ： 6 7 1 ： 1 3 02。 2 3 试验方法 试验前， 将试件放置在高低温环境箱内 1 2 h ， 使试件温度场恒定到设定的试验温度。测量环境温 度范围为一 2 0 4 0 ， 每 1 0 为一级。试验开始 后， 调整调压变压器的输出电压， 使导电体通电发热 产生热量。程序 自动记录并显示热电偶的输出两端 的电压数据。在潮湿状态下进行试验 ， 试件首先要 在水 中浸没 4 8 h 。 2 4试验数据分析 以干燥的沥青混凝土在 一1 0 o I = 下的试验结果为 例， 测量结果如图4所示。其纵坐标为导电体的温 度变化0 ， 横坐标是时间的自然对数值 ln T 。由图4 图4 l I l r一 关系 F i g 4 Th e r e l a t i o n b e t we e n e l e c t r i c c o n d u c t o r c h a n g e o f t e mp e r a t u r e a n d n a t u r l o g a r i t h m o f t i m e 1 7 0 四川建筑科学研究 第 3 8 卷 可见 ， 测试结果分布在一条直线附近 ， 这验证了 0 与 I n ,二者的确呈线性关系。 试验 的起 始 温 度 为 1 0 C， 热 线 的 电 阻 为 2 1 3 9 Q( 在试验温度范围内) ， 热线两端的电压为 4 V， 故 Q= U 2 = = 7 4 8( w)( 6 ) 由图4中的斜率可得： l n f 5 2 2( 1 )( 7 ) 根据上述数据， 代人式( 5 ) 可得沥青混凝土的 导热系数为： 扩l n f 1 、 一 7 4 8 0 52 2 一4 , r L R( O矿 2 0 1 )一 4 耵x 0 3 =1 0 3 6( W m ) ( 8 ) 同理， 计算出沥青混凝土和水泥混凝土在干燥 与潮湿状态下的导热系数， 并对计算结果按Y=A+ 式线性拟合。结果分别如图5 ， 6所示和见表 1 ， 2。 图 5 干燥混凝 土导 热系数随温度变化 曲线 F i g 5 He a t t r a n s mi t c o e f f i c i e n t o f d r y a s p h a l t a n d c e m e nt c o nc r e t e t ： 赛 。0 番 0 8 图 6 潮湿混凝土导 热系数随温度变化 曲线 F i g 6 He a t t r a n s mi t c oe f fi c i e n t o f d a mp asp h a l t a n d c e me nt c o nc r e t e 表 1 干燥混凝土的导热系数与温度的线性回归结果 Ta b l e 1 Th e H n e a r r e g r e s s i o n r e s u l t b e t we e n h e a t t r a n s mi t c o e ffi c i e n t a n d t e mp e ra t u r e o f d r y c o n c r e t e 、 、参数 材料 沥青混凝土 水泥混凝土 相关 数 线性回归表达式 B 系熬 R 一 二=二= 一0 0 0 5 1 6 0 9 8 9 4 1 Y =0 9 9 4 9 10 0 0 5 1 6 t 一0 0 0 3 2 8 0 9 6 0 5 7 =1 0 8 5 2 40 0 0 3 2 8 t 表2 潮湿混凝土的导热系数与温度的线性回归结果 Ta b l e 2 Th e H n e a r r e gr e s s i o n re s ul t b e t we e n h e a t t r a ns mi t c oe ffi c i e n t a n d t e m pe r a t u r e o f d a mp c o n c r e t e 多 数 材料 沥青混 凝土 水泥混凝土 相关 数 线性回归表达式 B 系数 R -0 0 0 9 01 0 9 9 0 2 8 Y=1 0 2 7 5-0 0 0 9 0 1 t 一0 0 0 6 7 3 0 9 8 9 6 2 v=1 1 1 6 7 90 (3 0 6 7 3 t 2 5 试验结果分析 从结果 中还能看出， 试验所用 的水泥混凝土的 导热性能略高于沥青混凝土 ； 潮湿状态的混凝 土在 负温度下的导热性能略高于干燥混凝土； 潮湿状态 的混凝土在常温下的导热性能略低于干燥混凝土。 3 结论 本文采用热线法对沥青和水泥混凝土进行 了干 湿两种状态下的试验研究， 通过对试验数据的分析 获得了沥青和水泥混凝土导热系数随温度的变化规 律 。取得的成果有 ： 1 ) 试验结果与理论计算结果符合较好， 验证了 热线法测试道面材料导热系数的可行性； 2 ) 本文采用的试验方法 ， 为沥青 和水泥混凝土 导热系数的测定提供 了参考 ； 3 ) 论文所得的公式 ， 可估算 自发热道面的导热 系数， 为设计和施工提供了参考。 参 考 文 献 ： 1 国家质量技术监督局 G B T 1 0 2 9 7 一l 9 9 8非金属固体材料导 热系数的测定一热线法 s 北京： 中国标准出版社， 1 9 8 9 2 奥齐西克 热传导 M 俞昌铭， 译 北京： 高等教育出版社， 1 9 8 3： 6 5 - 6 7 3 侯作富， 李卓球， 唐祖全 碳纤维导电混凝土的交直流电性能 对比研究 J 混凝土， 2 O O 2 ( 4 ) ： 3 2 - 3 3 4 訾冬毅， 缪小平， 范良凯 导电混凝土在机场飞行区道面融冰 化雪的应用 J 环境与可持续发展， 2 o o 9 ( 1 ) ： 3 8 - 4 0 5 武海琴 发热电缆用于路面融雪化冰的技术研究 D 北京： 北京工业大学 ， 2 0 0 5 6 蔡良才， 岑国平， 史保华 机场管理与维修 R 北京： 空军后 勤部机场管理部， 2 0 0 4 7 史保华， 冷培义， 黄灿华 机场沥青混凝土加层道面的铺筑与 质量控制的探讨 J 石油沥青， 1 9 9 2 ( 3 ) ： 2 9 - 3 4 8 章熙民， 任泽霈， 等 传热学 M 2版 北京： 中国建筑工业出 版社 ， 1 9 8 4： 1 4 1 9 罴 一 一