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《江蘇大學學報》2016年第三期

摘要:

基于熱平衡原理，設計了瀝青混合料比熱容測試系統，闡述了系統各參數的確定方法及熱量損失的標定方法．采用已知比熱容的黃銅，驗證測試系統的可靠性．利用該測試系統，測定了多種瀝青混合料在60～70℃的比熱容．通過考察可知:瀝青混合料比熱容與空隙率大小成正相關;隨集料種類變化的瀝青混合料，比熱容大小排序為c(蛇紋巖)＞c(角閃巖)＞c(石灰巖)＞c(輝綠巖)＞c(花崗巖);隨瀝青種類變化的瀝青混合料，SBSI-C改性瀝青混合料比熱容大于基質瀝青混合料比熱容;所測試瀝青混合料比熱容大小為750～1150J•(kg•℃)－1．

關鍵詞:

瀝青混合料;比熱容;熱平衡原理;瀝青;集料

瀝青混合料的比熱容是其基本熱物理性質參數之一，比熱容不僅可以反映同等熱量條件下，物質升溫或降溫速率的快慢，也是瀝青路面溫度場和溫度應力計算分析過程中重要的熱物性參數［1－3］．但目前針對瀝青混合料比熱容的試驗和研究的相關報道都較少，在數值模擬和應用取值的過程中，往往將不同種類瀝青混合料的比熱容取為相同數值，影響了研究結果的準確性，因此，開展瀝青混合料比熱容試驗設計，并對瀝青混合料比熱容影響因素進行分析，是非常重要的．比熱容在溫度變化不大時，可近似地看作常量．在工程計算中大量應用定壓比熱容，定容比熱容的應用相對較少，故本研究對瀝青混合料比熱容的研究也是針對定壓比熱容［4－6］．目前混合法是測量固體比熱容的常用方法［7－8］．傳統混合法測量固體比熱容的試驗裝置主要包括量熱器和溫度計，這種測試方法沒有穩定的外部環境，沒有自動水溫攪拌裝置，溫度計的溫度數值一般人為讀取，這些都是誤差來源［9］．本研究依據熱平衡原理，參照目前國內外比熱容測試方法［10－13］，自制適合于瀝青混合料比熱容的試驗裝置，測試多種代表性瀝青混合料的比熱容，考察瀝青、集料和空隙率對瀝青混合料比熱容的影響．

1測試系統建立

1.1測試原理混合法試驗原理是熱平衡原理．為測試夏季高溫季節瀝青路面溫度約為60～70℃時的比熱容，將試件初始溫度恒定為t1=50℃，水的初始溫度設為高溫t2=70℃．依據熱平衡原理，將質量為m、t1=50℃、比熱容為cx的試件，投入量熱器中．

1.2測試系統

1.2.1組成要素本研究基于熱平衡原理，自制比熱容量熱器，配合精密測溫裝置，建立了瀝青混合料比熱容測試系統．其組成如下:①量熱器，由3層套壁、雙層隔熱材料組成，構造簡圖如圖1所示，實物圖如圖2所示;②磁力攪拌系統，由電力帶動磁鋼旋轉，磁鋼帶動磁力旋轉子攪拌，使水溫均勻(見圖1);③溫度采集系統，由溫度傳感器、數據記錄儀和電腦組成，用于采集溫度與時間數據(見圖2);④秒表，記錄打開儀器蓋放入被測試件到緊閉儀器蓋所需時間;⑤恒溫箱，提供穩定的試驗環境;⑥精密天平，感量不大于0.01g．

1.2.2參數確定1)質量．采用精密天平稱取試件和水的質量．為減小誤差，并考慮集料粒徑尺寸的影響，統一將待測試件尺寸定為140mm×40mm×40mm;水的質量規定為待測試件豎直放入量熱器中時，沒過試件頂端2cm時的質量，經反復試驗，最終取恒定值1975.00g．2)混合后試件和水溫達到平衡時的終溫度tx．采用對比法確定，用剛鉆在混合料試件中部打孔，用2個溫度傳感器，將其中一個溫度傳感器置入混合料試件正中，端部用環氧樹脂密封，在環境箱中將試件恒溫為50℃，如圖3所示;另外一個溫度傳感器置入量熱器水中，水初始溫度70℃;將試件迅速放入水中并密閉量熱器，起動溫度記錄儀，測定二者溫度達到均一穩定時的溫度，該溫度對應的時間，即為試驗時間，如圖4所示．由圖4可知:600s時，試件和水溫已達到均一穩定溫度，為使試驗更為準確，取tc=900s作為瀝青混合料比熱容的試驗時間．

1.2.3測試系統檢驗采用已知比熱容的黃銅對比熱容測試系統的準確度進行檢驗．由于試驗原理及方法相同，保持試驗用水量不變，因此，可以用相同方法計算黃銅比熱容．

2試驗分析

2.1原材料由于瀝青混合料是一種由瀝青、集料和空隙組成的復合材料，故本研究主要考察3個組成要素對瀝青混合料比熱容的影響．采用的90#和70#基質瀝青、SBSI-C改性瀝青，技術指標均符合規范要求．采用的輝綠巖、花崗巖、石灰巖、角閃巖、蛇紋巖等5種集料，技術指標均符合規范要求．采用AC16和AC20兩種瀝青混合料，混合料級配參照規范中值．

2.2試驗方案1)根據試驗要求將瀝青混合料成型為車轍板試件，待冷卻48h后脫模，切割成140mm×40mm×40mm標準尺寸的棱柱體試件，如圖5所示．2)準確稱取待測試件質量m(精確至0.01g)．3)將試驗儀器與待測試件一同置于50℃環境箱中，恒溫5h．4)設置數據記錄儀，每5秒記錄1次溫度數據．5)待數據記錄儀開始工作后，將溫度略高于70℃固定質量(1975.00g)的蒸餾水小心倒入量熱器中，并盡快緊閉儀器蓋．6)觀察數據記錄儀顯示的溫度．當儀器中水溫降到70℃時，立即打開儀器蓋，將已保溫待測試件置于儀器中，保證試件全部浸沒于水中，盡快將儀器盒蓋密封，并用秒表記錄儀器蓋打開的總時間t．7)將記錄儀與電腦相聯，導出記錄儀中的溫度數據，記錄900s時所對應的儀器內部水溫．8)根據式(8)計算瀝青混合料比熱容．

2.3試驗結果分析

2.3.1空隙率對比熱容的影響采用AC16級配類型、SBSI-C改性瀝青和蛇紋巖成型不同空隙率的混合料試件，比熱容測試結果見圖6．

2.3.2集料種類對比熱容的影響采用AC20級配類型和70#基質瀝青成型不同集料類型的混合料試件，比熱容測試結果見圖7．試驗結果表明:瀝青混合料比熱容隨集料種類有所變化;本試驗瀝青混合料比熱容大小排序為c(蛇紋巖)＞c(角閃巖)＞c(石灰巖)＞c(輝綠巖)＞c(花崗巖)，大小為750～1150J•(kg•℃)－1．

2.3.3瀝青種類對瀝青混合料比熱容的影響采用AC16級配類型和蛇紋巖成型不同瀝青種類的混合料試件，比熱容測試結果見圖8．試驗結果表明:瀝青混合料的比熱容與瀝青種類有相關性;采用改性瀝青成型的混合料比熱容較兩種基質瀝青混合料的比熱容大．

3結論

1)本研究基于熱平衡原理，開發了適合于進行瀝青混合料比熱容測試的系統，利用已知比熱容的黃銅對比熱容測試系統的準確度進行了檢驗，偏差僅為－3.516%，可以用來進行比熱容的測試．2)利用該測試系統，測定了多種瀝青混合料的比熱容，通過考察可知:瀝青混合料比熱容與空隙率大小成正相關;隨集料種類變化的瀝青混合料，比熱容大小順序為c(蛇紋巖)＞c(角閃巖)＞c(石灰巖)＞c(輝綠巖)＞c(花崗巖);隨瀝青種類變化的瀝青混合料，SBSI-C改性瀝青混合料比熱容大于基質瀝青混合料比熱容;所測試瀝青混合料比熱容大小約為750～1150J•(kg•℃)－1．3)為了更準確地測試瀝青混合料比熱容，建議后續研究者對測試系統的材質進行升級，以便進一步減小損失熱量誤差．

作者：鄒玲 鄭南翔 李煒 紀小平 張文剛 單位：長安大學 公路學院 山東理工大學 建筑工程學院