吳 渝 玲

(重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402160)

?

基于有限元溫致變色瀝青路面路表熱特性研究

吳 渝 玲

(重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402160)

為了研究溫致變色材料對路面表面溫度特性的影響，通過將道路石油瀝青與溫致變色材料拌合制備溫致變色瀝青，采用有限單元法(FEM)建立模型對溫致變色瀝青及常規(guī)道路石油瀝青的路面溫度響應(yīng)進行研究。研究結(jié)果表明：摻入溫致變色材料的瀝青路面的表面溫度與常規(guī)瀝青路面相比大幅度降低；常規(guī)瀝青路面與溫致變色瀝青路面相比，表面溫度變化幅度較大：溫致變色路面降低了路表溫度且具有較低的熱流，這均有利于提高瀝青路面的使用性能。

道路工程；瀝青路面；有限單元法；溫致變色材料；熱特性

0 引 言

瀝青路面具有平整、美觀、行車的舒適性及易于修補等優(yōu)良特性已在公路建設(shè)中廣為使用，但黑色的瀝青會吸收大量的太陽能，這將導(dǎo)致瀝青路面的表面溫度較高，夏季時可能高達48～67℃[1-3]，某些路面失效(如車轍、推移、老化、疲勞損害、泛油等)均與路表溫度有關(guān)[4-7]。路表溫度增加容易影響瀝青路面的耐久性。

溫致變色材料是一種能夠根據(jù)溫度變化改變自身顏色的路用材料。在變色閥值(這邊是不是閥值溫度我不太確定)以上，路面反射太陽能(主要是紅外輻射)；在變色閥值溫度以下，路面主要吸收太陽能。根據(jù)溫度變化的可逆性，溫致變色材料中與溫度相關(guān)的分子也具有可變性，例如化合物中的相變；配位體幾何形狀的改變；晶體場中溶劑分子的數(shù)量變化，其顏色來自于晶體場的作用，而且在復(fù)雜的混合物中具有更多的可逆因素[8]。溫致變色材料具有夏天反射大量太陽能、冬天吸收大量太陽能的特性，這種特性常用于建筑材料的保溫功能[9-10]。Y．P．Ma等[11]通過將溫致變色材料與水泥結(jié)合來制備溫致變色水泥進行試驗，研究表明：溫致變色材料具有在冬季能夠給建筑物提供熱量，同時避免了建筑物在夏季過熱。

筆者將道路石油瀝青與溫致變色材料拌和制備溫致變色瀝青，采用有限單元法(FEM,Finite Element Method)建立模型對溫致變色瀝青及常規(guī)道路石油瀝青的路面溫度響應(yīng)進行研究。

1 溫致變色瀝青的制備

筆者采用海力實業(yè)有限公司提供的有機溫致變色顏料來制備溫致變色瀝青。選擇紅、藍、黑色溫致變色粉(圖1)。三種變色材料的閥值溫度為31℃，顏料均采用微膠囊化，平均粒徑約為3～10 μm。

圖1 溫致變色粉Fig.1 Thermochromic powders

通過將溫致變色粉與道路石油瀝青按照一定比例拌和來制備溫致變色瀝青進行試驗研究，在閥值溫度以上，溫致變色瀝青反射太陽能(主要是紅外輻射)，在閥值溫度以下，其主要吸收太陽能(圖2)。溫致變色瀝青的反射能量和吸收能量的特性有利于保持路面在一個合適的溫度范圍內(nèi)，從而提高了瀝青路面結(jié)構(gòu)耐久性能。

圖2 溫致變色瀝青的原理示意Fig.2 Schematic of the principle of thermochromic asphalt

2 數(shù)值模擬

瀝青路面的寬度和長度遠大于其厚度，路面溫度主要受其表面太陽能交換和熱流控制。因此，選擇一維熱傳遞模型來預(yù)測在路面層中溫度隨深度的分布。路面響應(yīng)的計算模型是基于路面瞬態(tài)的能量平衡，包括對流，熱傳導(dǎo)和太陽能和紅外輻射，如圖3。

圖3 瀝青路面與其周圍環(huán)境之間熱傳遞模型Fig.3 Heat transfer mode between asphalt pavement and its surroundings

3 一維熱傳遞模型

路面一維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程可表示為

(1)

式中：k為路面的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；ρ為路面密度，kg/m3；c為路面熱容， J/(kg·K)；T為路面溫度，K。

4 路表的熱流

路表有兩種太陽能熱輻射傳遞模型，即太陽能輻射的吸收模型與紅外輻射模型。有效入射路表的太陽能輻射可以采用式(2)表示[12]：

Qsun=(1-γ)I

(2)

式中：Qsun為太陽能輻射短波吸收強度，W/m2；γ為太陽能反射率；I為太陽能輻射強度，W/m2。

太陽能輻射很大程度上取決于大氣條件、白天時間的長短、太陽射線的入射角。在夜間，太陽輻射可以忽略不計；而在白天，太陽能輻射強度隨日照時間的改變可近似為正弦函數(shù)，日出和日落時均為0，正午時達到峰值[13-15]。另根據(jù)M．Saeli等[10]的研究，晴天太陽能輻射峰值約為1 000 W/m2，陰天約為300 W/m2，介于二者之間的天氣約為700 W/m2。筆者假設(shè)達到峰值的時間為中午12:00。太陽能輻射強度的表達式如式(3)：

(3)

式中：t為時間，h。

紅外輻射Qrad為自然地面和大氣之間的長波熱流，總的紅外輻射強度遵循Stefan-Boltzmann法則：

Qrad=εσ(Ts4-Tsky4)

(4)

式中：Qrad為發(fā)散的輻射強度，W/m2；ε為路面表面的輻射系數(shù)；σ為Stefan-Boltzemann常數(shù)(約為5.669×10-8)，W/(m2·K4)；Ts為路表溫度，K；Tsky為有效大氣溫度，K。

根據(jù)R．Tang等[13]的研究，Tsky可以通過式(5)計算：

Tsky=(0.754+0.004 4Tdp)0.25T∞

(5)

式中：T∞為環(huán)境溫度，K；Tdp為露點，K。

在舒適的環(huán)境中，Tdp通常取值262.59～264.26 K；該模擬中，露點溫度假設(shè)為289.15 K。根據(jù)記錄的溫度數(shù)據(jù)，環(huán)境空氣溫度隨著時間呈余弦函數(shù)變化。

5 對流熱傳遞

在路表，通過對流熱傳遞與大氣熱量的交換公式如式(6)：

Qconv=h∞(Ts-T∞)

(6)

式中：Qconv為對流熱流，W/m2；h∞為對流系數(shù)(基于氣象數(shù)據(jù)庫中的風(fēng)速確定對流系數(shù))，W/(m·K)。

在FEMMASSE有限元軟件中[12]使用以下方程：

h∞=5.6+4.0vwind，當(dāng)vwind≤5 m/s

(7)

(8)

在該模擬中，vwind=3.5m/s，因此，h∞=19.6W/(m2·K)。

因此，在路面表面縱的熱流可以表示為：

Qtotal=Qsun-Qrad-Qconv

(9)

6 模擬參數(shù)

在建模中輸入的瀝青路面熱物理特性參數(shù)包括：密度=2 300kg/m3、比熱=1 800J/(kg·K)和導(dǎo)熱系數(shù)=1.8W/(m·K)。以上參數(shù)均假定為與溫度無關(guān)的常量，路面厚度為20cm。黑色、藍色和紅色溫致變色瀝青及道路石油瀝青的路面的輻射系數(shù)和太陽能反射率委托中國建筑科學(xué)研究院測量，變色前后測得的結(jié)果如表1。路面初始溫度假定為25℃。

表1 模擬中使用的太陽能發(fā)射和反射率

7 計算模擬的結(jié)果

采用FEM模擬在太陽能輻射作用下路面的溫度響應(yīng)，在FEM模型中考慮太陽能吸收、太陽能反射、輻射系數(shù)和對流的溫度交換的機理。目的是在不同環(huán)境溫度下，評估溫致變色瀝青對瀝青路面表面溫度和熱對流影響。夏季環(huán)境溫度T∞(℃)認為是T∞=30+10cos[2π/24(t-12)]；冬季環(huán)境溫度認為是T∞=10+10cos[2π/24(t-12)]。對夏季條件，模擬的結(jié)果如圖4；對冬季條件如圖5。

圖4 夏季不同類型的路面(溫致變色與常規(guī)瀝青)對太陽能輻射的響應(yīng)Fig.4 Responses of different types of pavement (thermochromic versus conventional asphalt) to typical solar radiation in summer

圖5 冬季不同類型的路面(溫致變色與常規(guī)瀝青)對太陽能輻射的響應(yīng)Fig.5 Responses of different types of pavement (thermochromic versus conventional asphalt) to typical solar radiation in winter

圖4模擬了在典型夏季(較高的環(huán)境溫度)某天的路表溫度。圖4(a)給出了溫致變色材料對瀝青路表溫度的影響。常規(guī)的瀝青路面具有最高的表面溫度響應(yīng)，峰值表面溫度達68 ℃。而溫致變色瀝青路面的表面溫度與常規(guī)瀝青路面相比得到大幅度降低。對黑色、藍色和紅色溫致變色瀝青路面的峰值表面溫度與常規(guī)瀝青路面相比分別降低10，12，15 ℃，路表溫度峰值出現(xiàn)在13:00左右。

從圖4(b)可以看出，在瀝青路表溫致變色材料對熱對流的影響，與溫致變色瀝青路面相比，常規(guī)瀝青路面經(jīng)歷更高的熱量損失和熱量獲得的循環(huán)。在夜間，常規(guī)瀝青路面經(jīng)歷較少的熱量損失。總的熱對流峰值出現(xiàn)在13:00左右，此后總的熱對流降低。在較高的環(huán)境溫度下，黑色，藍色和紅色瀝青路面與常規(guī)瀝青路面相比，熱量損失大小分別約為59.5，74.8，93.1 W/m2。路面表面熱對流的減少也意味著溫致變色路面的溫度變化與常規(guī)路面相比更加緩和。

圖5表明，在10 ℃低溫環(huán)境溫度典型的一天所模擬的路面表面溫度。圖5(a)給出了溫致變色材料對瀝青路面表面溫度的影響。與常規(guī)瀝青路面相比，黑色，藍色和紅色瀝青路面表面溫度的最大降幅分別為9，12，13 ℃。溫度降低是由于溫致變色材料反射了部分太陽光，溫度降低且保持在合適的溫度范圍有助于提高瀝青路面的長期性能。

由圖5可以看出，溫致變色材料對瀝青路面表面熱對流相應(yīng)的影響，在該環(huán)境溫度下，與常規(guī)瀝青路面相比，黑色，藍色和紅色溫致變色瀝青路面熱量損失的大小分別約為66.1，83和88.3 W/m2?？赡艿脑蚴?，在路面表面太陽能吸收和紅外輻射的差異。

8 結(jié) 論

筆者描述了一種采用溫致變色瀝青的可持續(xù)瀝青路面。通過FEM模擬研究了溫致變色材料對瀝青路面熱響應(yīng)的影響。通過計算試驗與計算模擬可以得出以下結(jié)論：

1)溫致變色瀝青路表溫度與常規(guī)瀝青路面相比大幅度得到了降低。在具有較高環(huán)境溫度的夏季，采用溫致變色材料路面表面溫度的最大降幅可達15℃。

2)采用溫致變色路面材料也可顯著降低路面與空氣之間的熱交換。降低路面表面溫度和減少熱量損失和熱量獲得的循環(huán)的次數(shù)將有助于提高瀝青路面的耐久性。

3)溫致變色瀝青路面作為一種新型環(huán)保的綠色路面，其現(xiàn)場使用的長期性能還有待觀測。

[1] Santamouris M,Pavlou K,Synnefa A,et al.Recent progress on passive cooling techniques:advanced technological developments to improve survivability levels in low-income households [J].Energy and Buildings,2007,39(7):859-866.

[2] Synnefa A,Dandou A,Santamouris M,et al.Large scale albedo changes using cool materials to mitigate heat island in Athens [J].Journal of Applied Meteorology and Climatology,2008,47(11):2846-2856.

[3] Doulos L,Santamouris M,Livada I.Passive cooling of outdoor urban spaces:the role of materials [J].Solar Energy,2004,77(2):231-249.

[4] 沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社,2001. Shen Jin’an.Road Asphalt and Asphalt Mixture [M].Beijing:China communications Press,2001.

[5] 李佳坤,孔令云,陳先勇,等.Evotherm溫拌再生瀝青混合料路用性能研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2013,32(5)：958-960. Li Jiakun,Kong Lingyun,Chen Xianyong,et al.Pavement performance of evotherm warm-recycled asphalt mixture [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2013,32(5):958-960.

[6] Santamouris M,Synnefa A,Kolokotsa D,et al.Passive cooling of the built environment e use of innovative reflective materials to fight heat island and decrease cooling needs[J].International Journal Low Carbon Technologies,2008,3(2):71-82.

[7] Karlessi T,Santamouris M,Apostolakis K,et al.Development and testing of thermo chromic coatings for buildings and urban structures[J].Solar Energy,2009,83(4):538-551.

[8] White M A,LeBlanc M.Thermochromism in commercial products [J].Journal of Chemical Education,1999,76(9):1201-1205.

[9] Granqvist C G.Materials Science for Solar Energy Conversion Systems [M].Oxford,U K:Pergamon Press,1991.

[10] Saeli M,Piccirillo C,Parkin I P,et al.Energy modeling studies of thermochromic glazing [J].Energy and Buildings,2010,42(10):1666- 1673.

[11] Ma Y P,Zhu B R.Research on the preparation of reversibly thermochromic cement based materials at normal temperature [J].Cement and Concrete Research,2009,39(2):90-94.

[12] Hermansson A.A mathematical model for calculating pavement temperatures,comparisons between calculated and measured temperature [J].Transportation Research Record,2001,1764:180-188.

[13] Tang R,Etzion Y,Meir I A.Estimates of clear night sky emissivity in the Negev Highlands,Israel [J].Energy Convers Manage,2004,45(12):1831-1843.

[14] 郝增恒.瀝青品種對澆筑式瀝青混凝土疲勞性能的影響[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2013,32(5):950-952. Hao Zengheng.Influence of asphalt species on fatigue performance of gussasphalt concrete [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2013,32(5):950-952.

[15] 俞志龍,黃剛,何兆益,等.RAP離析對再生瀝青混合料性能的影響分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2013,32(5):953-957. Yu Zhilong,Huang Gang,He Zhaoyi,et al.Influence of RAP segregation on performance of recycled asphalt mixture [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2013,32(5):953-957.

Thermal Characteristics of Thermochromic Asphalt Pavement Based on FEM

Wu Yuling

(Chongqing Water Power Vocational Technology College, Chongqing 402160, China)

In order to study the influence of thermochromic materials on the pavement surface temperature characteristic.In this paper,FEM simulation is conducted to study the influence of thermochromic materials on the surface temperature of asphalt pavement.The results show that the surface temperature of asphalt pavement doped with thermochromic materials is significantly lower compared to that of conventional asphalt pavement.In the meanwhile,conventional asphalt pavement underwent higher magnitude of temperature variations compared with thermochromic asphalt pavement.The decreased surface temperature and lower heat flux of thermochromic pavement both contribute to better pavementperformance.

road engineering; asphalt pavement; FEM; thermochromic materials; thermal properties

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.08

2014-07-14；

2014-09-10

江蘇省交通科學(xué)研究計劃項目(2013Y39)

吳渝玲(1982—)，女，四川遂寧人，講師，主要從事工程項目管理及土木工程方面的研究。E-mail:zhaoweining41@163.com。

U414.3

A

1674-0696(2015)05-040-04