劉小明，顏大雄，趙昱，魏子奇

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙，410083)

隨著我國“71118”高速公路網(wǎng)絡(luò)的建成和道路網(wǎng)絡(luò)不斷完善，道路建設(shè)已經(jīng)進入“全面養(yǎng)護時代”，道路養(yǎng)護將迎來高速發(fā)展的黃金時期。交通運輸部統(tǒng)計結(jié)果顯示，近年來我國收費公路養(yǎng)護費用逐年上升，2015年底公路養(yǎng)護支出為232.30 億元，到2019年底則達825.93 億 元[1-2]。傳統(tǒng)瀝青路面養(yǎng)護技術(shù)存在高污染、高耗能的缺陷。公路日益增長的養(yǎng)護需求巨額的養(yǎng)護費用，以綠色發(fā)展為核心理念推進新型公路養(yǎng)護技術(shù)勢在必行。微波加熱不會產(chǎn)生氣體或液體污染物，并且達到相同加熱效果所需的電量遠低于電磁感應(yīng)所需的電量，具有節(jié)能、環(huán)保、高效的優(yōu)點。微波還能夠進行選擇性加熱、體積加熱和瞬時加熱[3]，具有隨時可調(diào)的特性，因此，將微波用于瀝青路面發(fā)展綠色新型公路養(yǎng)護技術(shù)是目前的研究熱點。但瀝青混合料微波吸收能力差和微波加熱不均勻現(xiàn)象嚴重限制了該技術(shù)在瀝青混凝土路面養(yǎng)護中的應(yīng)用。傳統(tǒng)瀝青混合料作為一種非電磁材料，只能將20%的電磁能轉(zhuǎn)化為熱能[4]，實際試驗中500 W微波功率下石灰?guī)r瀝青混凝土馬歇爾試件的升溫速率僅為10.02 ℃/min[5]，同時，仿真模擬結(jié)果表明20 ℃的玄武巖瀝青混凝土在800 W 微波功率下加熱540 s，其內(nèi)外面溫差能達45 ℃[6]。溫差過大會導(dǎo)致在加熱瀝青混合料時出現(xiàn)表層溫度過高發(fā)生焦化而底層溫度仍然很低的情況。提高瀝青混凝土的溫升速率和加熱均勻性對微波加熱技術(shù)的推廣具有重要意義。

目前，提高瀝青混凝土微波吸收能力的主要方法是向瀝青混合料中添加微波吸收劑。常見的微波吸收劑主要有石墨、炭黑、碳纖維、鋼纖維、金屬微粉和羰基鐵粉等[7-12]。雖然它們在一定程度上提高了瀝青混凝土的溫升速率，但石墨和炭黑會對瀝青混凝土力學(xué)性能造成嚴重影響，纖維容易形成團聚，加劇熱量分布不均勻現(xiàn)象，金屬粉末和羰基鐵粉的銹蝕問題也阻礙了它們在瀝青混凝土中的進一步應(yīng)用。針對微波加熱均勻性問題，DU 等[13]發(fā)現(xiàn)提高瀝青混凝土的導(dǎo)熱能力可以加快熱量在瀝青路面內(nèi)部的傳導(dǎo)，促進熱量的均勻分布，為此，選擇適合瀝青混凝土的微波增強劑至關(guān)重要。

SiC作為典型的介電材料和高導(dǎo)熱材料被選用為本研究的微波增強劑[14]。SiC 具有良好的微波吸收性能，LI 等[15]發(fā)現(xiàn)SiC 粉末附著在LDHs 上并制成改性瀝青時，改性瀝青的介電儲存和損耗能力在相同頻率下提升了約1 倍。LIU 等[16]在SiC 粉末中摻加25%的Fe3O4并等體積替代25%的礦粉制成瀝青混凝土，微波加熱速率提高約83%。另一方面，SiC還是高導(dǎo)熱材料，導(dǎo)熱系數(shù)約125 W/(m·K)，常被用于提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能[17-18]。如在環(huán)氧樹脂中添加質(zhì)量分數(shù)為40%、粒徑為2 um 的SiC 可以將復(fù)合材料的導(dǎo)熱能力提高3.3 倍[19]。在天然橡膠中添加質(zhì)量分數(shù)為50%的SiC可以將天然橡膠的導(dǎo)熱能力提高37.21%[20]。此外，SiC 還具有硬度大、抗氧化能力強、熱穩(wěn)定性強、耐化學(xué)腐蝕的特點[21]，因此，以長期穩(wěn)定性為前提將SiC作為微波吸收劑和導(dǎo)熱劑制備微波增強的高導(dǎo)熱瀝青混凝土是可行的。

目前研究多以摻量受限的微觀和納觀SiC 為主，對宏觀SiC研究較少。為增加SiC摻量，本研究用SiC砂替代細集料，研究宏觀SiC對瀝青混凝土微波加熱和導(dǎo)熱能力的影響。粒徑作為吸波劑的體積參數(shù)，其對微波加熱速率和導(dǎo)熱能力有顯著影響。如趙華[22]采用磁鐵礦替代普通骨料時發(fā)現(xiàn)，細集料的微波加熱能力要強于粗集料，但通過灰關(guān)聯(lián)熵分析發(fā)現(xiàn)粒徑為9.5 mm 的磁鐵礦與溫升速率關(guān)聯(lián)度最高。GAO 等[23]研究鋼渣瀝青混凝土微波除冰時發(fā)現(xiàn)粒徑大于0.6 mm 的鋼渣能使微波加熱速率保持較高水平，而9.50，2.36 及0.60 mm 則為導(dǎo)熱的最佳粒徑。因此，有必要對SiC 的粒徑進行研究。

本研究以粒徑為0.15～2.36 mm的宏觀SiC為研究對象，采用替代細集料的方法，研究SiC砂及其粒徑對瀝青混凝土微波吸收和導(dǎo)熱能力的影響效果，然后制備一種既具有高微波吸收能力又具有高導(dǎo)熱性的瀝青混凝土，以解決普通瀝青混凝土微波吸收能力差和微波加熱不均勻的問題。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

瀝青采用江陰阿爾法瀝青有限公司生產(chǎn)的AH-70號重交通瀝青。參照JTG E20—2019“公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程”對瀝青的針入度、軟化點、延度等指標進行測量。表1所示為瀝青的性能指標。

表1 瀝青性能指標Table 1 Performance indexes of asphalt

骨料為石灰?guī)r，參照JTG E42—2005“公路工程集料試驗規(guī)程”進行測試，主要指標見表2。

表2 石灰?guī)r主要特性Table 2 Main characteristics of limestone

圖1所示為本研究中使用的SiC砂由河南四成研磨有限公司生產(chǎn)。表3所示為SiC 砂的粒徑分布。

圖1 2種規(guī)格的SiC砂Fig.1 Two specifications of SiC sand

表3 不同粒徑SiC砂所占質(zhì)量分數(shù)Table 3 Percentage of each particle size of SiC sand%

使用電鏡和X 射線衍射儀對粗SiC 砂(樣品A)和細SiC 砂(樣品B)進行掃描，結(jié)果如圖2所示。從圖2可見：樣品A 和樣品B 這2 種規(guī)格的SiC 砂微觀結(jié)構(gòu)具有高度一致性，顆粒均呈不規(guī)則的棱角狀，表面存在大量凹陷和褶皺，這非常有利于在瀝青混凝土中相互嵌擠形成互鎖結(jié)構(gòu)；樣品A和樣品B在相同的掃描角度均出現(xiàn)了衍射峰，說明這2 種規(guī)格的SiC 砂晶型一致，屬于同一類型的α-SiC。

圖2 樣品A和樣品B的SEM及XRD掃面圖Fig.2 SEM and XRD scan images of samples A and B

1.2 試件制作

為了使不同粒徑的SiC砂對細集料進行充分取代并在瀝青混凝土中構(gòu)成完整的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，試驗按照JTG 40—2004“公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范”要求選用AC-13 連續(xù)密實型級配類型，級配曲線如圖3所示。

圖3 合成級配圖Fig.3 Aggregate synthesis grading

本研究采用直徑為101.6 mm、高度為63.5 mm的標準馬歇爾試件進行試驗。因為馬歇爾試件是按體積法進行配合比設(shè)計的，所以，SiC砂采用等體積法對細集料進行取代，等體積法換算式為

式中：MSi為SiC 砂的質(zhì)量；MF為替代的細集料的質(zhì)量；ρSi為SiC 砂的密度；ρF為普通細集料的密度。

試件成型方法按照JTG E20—2019“公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程”執(zhí)行。設(shè)計油石比(瀝青質(zhì)量占石料質(zhì)量的百分比)為5.5%。

1.3 SiC砂電磁性能測試

保持樣品A 和B 的顆粒原貌，按質(zhì)量比1:1 將樣品與石蠟均勻混合制成內(nèi)徑為3.04 mm、外徑為7.00 mm、厚度為2.00 mm的環(huán)狀測試樣品，然后，采用同軸法對樣品A和B的復(fù)介電常數(shù)與復(fù)磁導(dǎo)率進行測試，測試波段為2～18 GHz，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀型號為安捷倫E5071C。

據(jù)測試結(jié)果可以計算表征材料電磁損耗的損耗正切角tanδ，計算式為

式中：ε′和μ′為材料電磁參數(shù)的實部，分別表征吸波材料在電場和磁場作用下儲存電能或磁能的能力；ε″和μ″為材料電磁參數(shù)的虛部，分別表征材料在電場和磁場中引起能量損耗的能力。

根據(jù)傳輸線理論，試樣反射損耗計算式[24]如下：

式中：RL為反射損耗(單位為dB)，-10 dB 表示入射波有90%進入物體內(nèi)部；Z0為自由空間阻抗；μ0和ε0分別自由空間的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率；Zin為輸入阻抗；c為真空中的光速；f為電磁波的頻率；d為吸波材料的厚度；μr和εr分別為材料的相對介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率。

1.4 微波加熱性能測試

為探究不同粒徑SiC砂對瀝青混凝土微波加熱性能的影響，用樣品A和B制備瀝青混凝土馬歇爾試件進行室內(nèi)微波加熱試驗。試驗采用微波爐(類型為Galanz C2，功率為900 W，微波頻率為2.45 GHz)進行微波加熱，采用FLIR E6 紅外熱成像儀對試件表面溫度進行測試，如圖4所示。同時，使用專用的支架將制試件固定放于微波爐中心位置進行加熱，設(shè)定總加熱時長定為180 s，每隔30 s 采集1 次試件表面溫度，并利用FLIR tools專用軟件對采集的溫度數(shù)據(jù)進行處理分析。

圖4 溫度測量流程圖Fig.4 Flow chart of temperature measurement

1.5 導(dǎo)熱性能測試

導(dǎo)熱系數(shù)能直觀表征材料的導(dǎo)熱性能。本次試驗試樣的導(dǎo)熱系數(shù)使用湘潭儀器公司生產(chǎn)的DR-2C 導(dǎo)熱系數(shù)儀進行測量，采用瞬態(tài)平面熱源法測定瀝青混凝土的熱學(xué)參數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)測量圖見圖5。測量用的Hot Disk 探頭為一平薄面，測量時，該探頭既是對試樣加熱的熱源，又是記錄溫度變化的溫度傳感器。在測量過程中，探頭會輸出恒定的直流電，使探頭溫度升高，改變探頭電阻，進而使探頭兩端的電壓發(fā)生變化。通過記錄一定時間內(nèi)電壓變化，得到探頭電阻隨時間變化的關(guān)系，最后求出試樣的導(dǎo)熱系數(shù)[25]。

圖5 導(dǎo)熱系數(shù)測量圖Fig.5 Measurement chart of thermal conductivity

探頭電阻隨時間變化的關(guān)系ΔR(t) 為

式中：R0為探頭在t=0 時的電阻；α為電阻溫度系數(shù)；ΔTi為薄膜保護層中的溫差；為與試樣處于理想接觸狀態(tài)時探頭的平均溫升；F0為無因次時間。

當保護層厚度很小以及時間很短時，可以將F0看作定值，因此，能表示為

式中：Q為恒定的輸出功率；r0為探頭半徑；λ為被測試樣的導(dǎo)熱系數(shù)；D(F0)為無因次時間的函數(shù)。

令R*=R0(1+αΔTi)，則 式(6)可表示為

儀器測量時，會得到關(guān)于R(t)和D(F0)的1條直線，該直線截距為R*，斜率為C。通過改變熱擴散系數(shù)α不斷對直線進行擬合，使R(t)和D(F0)的直線相關(guān)性最大，即可由斜率C求試樣的導(dǎo)熱系數(shù)λ。

2 結(jié)果與討論

2.1 SiC砂電磁性能

材料的電磁性能表征微波吸收和損耗的能力，為了解樣品A和B的電磁性能，對這2種不同粒徑的SiC 砂電磁參數(shù)進行測量，測量結(jié)果如圖6所示。

圖6(a)和圖6(b)所示分別為樣品A 和B 復(fù)介電常數(shù)的實部和虛部，可見在2～18 GHz 的測試頻率范圍內(nèi)，這2種SiC砂的復(fù)介電常數(shù)曲線的共振峰位置基本一致，說明這2種SiC砂的極化弛豫機制是一致的。這2種SiC砂的ε′為7.6～8.8，而ε″隨頻率變化較大，在0.4～1.65內(nèi)波動；在S波段和C波段(2～8 GHz)內(nèi)，細SiC砂的ε′和ε″都要比粗SiC砂的高，說明該波段內(nèi)細SiC砂不僅介電存儲能力比粗SiC砂的強，而且介電損耗能力也比粗SiC砂的強。但在頻率較高的K 波段(12～18 GHz)出現(xiàn)了相反的情況，粗SiC 砂的ε′和ε″總體上比細SiC 砂的高，且在16.9 GHz 時ε′達到最大(為8.70)，在17.3 GHz時ε″達到最大(為1.64)。

2種粒徑SiC砂的復(fù)磁導(dǎo)率如圖6(c)和圖6(d)所示。從圖6(c)可知：在2～18 GHz頻率范圍內(nèi)，這2種SiC 砂的μ′分別在0.81～1.07 和0.84～1.13 范圍內(nèi)波動并且均在2 GHz 處達到最大值(分別為1.07 和1.13)；此外，頻率相同時細SiC砂的μ′比粗SiC砂的高。圖6(d)顯示2～18 GHz 頻率范圍內(nèi)，這2 種SiC 砂的μ″分別在0.11～0.26 和0.13～0.31 范圍內(nèi)波動，也均在2 GHz 處達到最大值(分別為0.26 和0.31)，同時，在相同頻率下，細SiC 砂的μ″也比粗砂的高，表明細SiC砂的磁儲存及損耗能力都比粗SiC 砂的強，但測量結(jié)果也表明這2 種SiC 砂的磁儲存和損耗能力都極弱。

經(jīng)計算，2 種SiC 砂的損耗角正切如圖6(e)所示。在16.8 GHz處細SiC砂損耗正切角達到最大值(0.456)，17.44 GHz 處粗SiC 砂達到最大值(0.365)。總體上看，在相同頻率下，細SiC砂的損耗角正切均比粗SiC 砂的高，并在13.68 GHz 處達到最大差值0.175。所以，總體來說，細SiC 砂的電磁損耗能力比粗SiC砂的強，即細SiC砂能在相同時間內(nèi)將更多入射的電磁波轉(zhuǎn)化為熱能。

圖6 電磁參數(shù)測量結(jié)果Fig.6 Measurement results of electromagnetic parameters

2 種粒徑SiC 砂的反射損耗計算結(jié)果如圖7所示。從圖7(a)可見：當細SiC砂在厚度為2 mm、頻率為13.68 GHz時，反射損耗最大為-22.34 dB。從圖7(b)可見：當粗SiC 砂在厚度為10 mm、頻率為8.08 GHz 時，反射損耗達到最大，為-15.27 dB。在實際工程中使用的頻率為2.45 GHz，所以，重點關(guān)注該頻率下反射損耗的變化情況。從圖7(c)可見：隨著厚度增加，反射損耗不斷減小，且在相同厚度下，細SiC 砂的反射損耗比粗SiC 砂的?。划敽穸冗_到10 mm 時，粗SiC 砂的反射損耗為-10.51 dB，細SiC 砂為-13.55 dB，兩者均小于-10 dB，對電磁波的吸收率均高于90%，說明在相同用量下，細SiC 砂對電磁波的吸收能力比粗SiC砂的強。綜上可見：在頻率為2.45 GHz時，細SiC砂不僅對電磁波的損耗能力比粗砂的強，而且對電磁波的吸收能力也比粗砂的強。

圖7 反射損耗計算結(jié)果Fig.7 Calculation results of reflection loss

2.2 SiC砂瀝青混凝土的微波加熱性能

SiC砂比普通集料具有更好的介電性能，在微波作用下可以迅速發(fā)熱并作為熱源向周圍的集料與附著于其表面的瀝青傳遞熱量，使瀝青混凝土整體溫度上升，從而提高瀝青混凝土的微波加熱效率。為探究這2種粒徑SiC砂瀝青混凝土的微波加熱效果，采用等體積替代法，用樣品A和B分別等體積替代細集料制成馬歇爾試件，體積替代量設(shè)置為5%，10%，15%，20%和25%，并設(shè)置空白對照組，試驗結(jié)果見圖8。因為微波加熱屬于體積加熱，所以，為保證體積穩(wěn)定性，還測量了試件的空隙率，測量結(jié)果如表4所示。從表4可見空隙率均在規(guī)范要求的3%～6%內(nèi)，且總體上變化不大。

表4 馬歇爾試件空隙率Table 4 Marshall specimen void ratio

從圖8(a)和圖(b)可見：含2 種不同粒徑SiC 砂的試件整體上其表面溫度隨著微波加熱時間增加而呈線性逐步上升，且SiC砂的體積分數(shù)越高，相同時間內(nèi)試件表面能達到的溫度就越高；將普通瀝青混凝土試件加熱180 s 時，試樣表面溫度從21.8 ℃上升至65.4 ℃，只增加了43.6℃，在相同時間內(nèi)含25%粗SiC 砂的試件表面溫度從23.8 ℃上升至97.9 ℃，增大了74.1℃，相比對照組增幅為70.0%；體積分數(shù)為25%的細SiC 砂試件則從23 ℃上升至99.4 ℃，增加了76.4℃，增幅為75.2%。為對比2 種粒徑SiC 砂在不同質(zhì)量分數(shù)下的升溫速率，用線性回歸法對圖8(a)和圖(b)中的曲線進行擬合，擬合方程設(shè)為：y=kx+c(其中，k為升溫速率)。擬合后的微波加熱升溫速率如圖8(c)所示，可見：擬合曲線與原曲線的關(guān)聯(lián)度R均保持在0.98以上，說明擬合結(jié)果與原始數(shù)據(jù)具有高度的相關(guān)性；隨著SiC砂體積分數(shù)增加，試件表面的溫度升高速率也逐步增加，普通瀝青混凝土溫升速率僅為0.251 ℃/s；當SiC 砂替代量為25%時，樣品A 的溫升速率增加至0.412 ℃/s，樣品B 的溫升速率為0.428 ℃/s，分別比普通瀝青混凝土的溫升速率高64.1%和70.5%，細SiC 砂的增幅要比粗SiC砂的增幅大。從圖8(c)所示的溫升速率看，樣品B的溫升速率總體上比樣品A 的高。這是因為，在2.45 GHz的微波頻率下，細SiC砂的反射損耗及損耗角正切均比粗SiC 砂的高，即在相同的電磁場中，細SiC砂能讓更多的電磁波入射到內(nèi)部，同時對入射電磁波的損耗能力也比粗SiC砂的強，這意味著當體積一定時，在相同微波功率和加熱時間下，細SiC砂能將更多電磁能轉(zhuǎn)化為熱能，這使得當SiC砂體積分數(shù)一定時，細SiC砂瀝青混凝土的溫升速率較高。

圖8 溫度統(tǒng)計結(jié)果Fig.8 Statistics results of temperature

為了解SiC砂體積分數(shù)較高時能否進一步提高瀝青混凝土的加熱速率，將替代量增大至50%，75%及100%，然后進行微波加熱試驗，所得SiC砂溫升速率見圖9。

圖9 高體積分數(shù)溫升速率Fig.9 Rise rate temperature of high volume fraction

從圖9可知：隨著SiC 砂體積分數(shù)增大，2 種不同粒徑SiC 砂瀝青混凝土的溫升速率并沒有增加，還出現(xiàn)了小幅度下降，樣品A和B的溫升速率分別從0.412 ℃/s和0.428 ℃/s均下降至約0.4 ℃/s。因為隨著SiC 砂體積分數(shù)增大，作為吸波劑的SiC砂的體積增加，雖然理論上能吸收的電磁能增多，但受微波爐固定的輸出功率限制，在相同時間內(nèi)微波爐產(chǎn)生的總能量一定，由此造成單位體積SiC砂獲得的電磁能減小。當SiC砂將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的效率一定時，SiC 砂的產(chǎn)熱增量不高，所以，無法進一步提高瀝青混凝土的溫升速率。故隨著SiC 砂體積分數(shù)不斷增加，SiC 砂瀝青混凝土出現(xiàn)溫升速率不增反降的現(xiàn)象。

2.3 SiC砂瀝青混凝土的導(dǎo)熱性能

為了探究SiC砂及其粒徑對瀝青混凝土導(dǎo)熱性能的影響，用樣品A和B對細集料進行取代，取代量分別為25%，50%，75%和100%，同時設(shè)置不含SiC砂的空白組進行對比。

圖10所示為SiC砂瀝青混凝土的導(dǎo)熱性能。從圖10可以看出：樣品A和樣品B這2種不同粒徑的SiC砂均可以有效提高瀝青混凝土的導(dǎo)熱能力，瀝青混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)隨著SiC砂體積分數(shù)增加而增大；在相同SiC砂體積分數(shù)下，細SiC砂的改善效果要比粗SiC砂的改善效果好；當SiC砂替代量為25% 時，導(dǎo)熱系數(shù)增幅最大，樣品A 增大了0.374 W/(m·K)，樣品B則增大了0.472 W/(m·K)；而當替代量為75%時，兩者的導(dǎo)熱系數(shù)最接近，此時，樣品A導(dǎo)熱系數(shù)為2.922 W/(m·K)，樣品B導(dǎo)熱系數(shù)為2.950 W/(m·K)；當SiC砂完全替代細集料時，瀝青混凝土導(dǎo)熱能力提升最大，樣品A使瀝青混凝土試件的導(dǎo)熱系數(shù)達到3.090 W/(m·K)，樣品B則使其達到3.236 W/(m·K)，導(dǎo)熱系數(shù)分別比普通瀝青混凝土提高0.979 W/(m·K)和1.125 W/(m·K)，增長率分別為46.38%和53.29%。瀝青混凝土導(dǎo)熱能力隨SiC砂體積分數(shù)增加而不斷上升，其原因是瀝青混凝土導(dǎo)熱性能的主要影響因素是礦物集料和膠結(jié)材料的熱學(xué)性能，而SiC砂屬于高導(dǎo)熱材料，導(dǎo)熱系數(shù)高達125 W/(m·K)，導(dǎo)熱能力遠比常用的礦物集料高。用SiC砂對低導(dǎo)熱集料進行取代后，瀝青混凝土內(nèi)部存在快速傳熱材料，同時也具備了構(gòu)建導(dǎo)熱通道的潛力，但當SiC砂體積分數(shù)較低時，導(dǎo)熱顆粒分散在瀝青混合料內(nèi)部，顆粒間的接觸十分有限，因此，導(dǎo)熱能力提升并不明顯。而隨著SiC 砂體積分數(shù)逐步增加，SiC 砂之間的接觸不斷增多，顆粒之間相互連接進而形成越來越多的導(dǎo)熱通道，因此，導(dǎo)熱系數(shù)不斷增大。而當SiC砂體積分數(shù)相同時，細SiC砂的改善能力比粗SiC砂的強，這是因為細顆粒能更加緊密地互相嵌擠，利于孔隙填充，因此，顆粒之間接觸更多，產(chǎn)生的導(dǎo)熱通道也更多，更利于熱量傳導(dǎo)。這說明導(dǎo)熱材料嵌擠更充分，接觸更多，能進一步提高混合料的導(dǎo)熱性能。

圖10 SiC砂瀝青混凝土導(dǎo)熱性能Fig.10 Thermal conductivity of SiC sand asphalt concrete

為了解不同粒徑SiC砂混合使用是否能進一步增強瀝青混凝土的導(dǎo)熱能力，將樣品A和樣品B按不同質(zhì)量比混合進行試驗。共設(shè)置5個試驗組，粗細比(即粗SiC 砂與細SiC 砂質(zhì)量比)設(shè)置為1:3，1:2，1:1，2:1和3:1，由前面試驗結(jié)果可知，當替代量為75%時，這2種粒徑SiC砂瀝青混凝土導(dǎo)熱能力最接近，所以，為了更好地研究不同粒徑的SiC 砂混合使用后瀝青混凝土導(dǎo)熱能力的改善效果，選用替代量為75%。

圖11所示為混合使用這2種SiC砂瀝青混凝土導(dǎo)熱系數(shù)測量結(jié)果。從圖11可知：混合使用這2種不同粒徑的SiC砂能使瀝青混凝土的導(dǎo)熱能力進一步提高；當粗細比為1:2時，瀝青混凝土導(dǎo)熱能力提升最大，為3.238 W/(m·K)，分別比單獨使用粗SiC 和細SiC 提高0.316 W/(m·K)和0.288 W/(m·K)，增幅分別為10.81%和9.76%；SiC 砂粗細比為1:3的導(dǎo)熱能力次之；SiC 砂粗細比為2:1 的導(dǎo)熱能力最小，導(dǎo)熱系數(shù)僅為2.978 W/(m·K)。

圖11 SiC砂混合使用的導(dǎo)熱系數(shù)Fig.11 Thermal conductivity of mixed use of SiC sand

對粒徑分布進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，當粗細比為1:2時，SiC砂的級配最接近富勒(Fuller)提出的最大密度曲線，如圖12所示，此時可以認為固體顆粒按照粒徑呈規(guī)則排列，粗細搭配，得到密度最大、空隙最小的瀝青混合料。因此，當粗細比為1:2時，SiC砂顆粒之間的有效接觸最大，形成了更多的導(dǎo)熱通道，構(gòu)成了更完整的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，最終使導(dǎo)熱系數(shù)提高更快。

圖12 不同粗細比的SiC砂粒徑分布Fig.12 Particle size distribution of SiC sand with different mass ratios

3 結(jié)論

1)細SiC 砂的電磁儲存和損耗能力均比粗SiC砂的強。在2.45 GHz及相同厚度下，細SiC砂的微波吸收能力也比粗SiC 砂的強。當厚度為10 mm時，粗SiC砂和細SiC砂的反射損耗都小于-10 dB。

2)SiC砂的摻入使瀝青混凝土的微波加熱性能明顯提高，并且細SiC砂的加熱性能要比粗SiC砂的加熱性能好，替代量為25%的細SiC砂可將瀝青混凝土的溫升速率從0.251 ℃/s 提升到0.428 ℃/s。此外，SiC 砂體積分數(shù)越高，微波加熱性能越強，但功率一定時，當摻量達到一定值后，加熱性能不會進一步提高，因此，對不同的摻量應(yīng)使用合適的微波功率進行加熱。

3)SiC砂替代細集料能夠提高瀝青混凝土的導(dǎo)熱性能，替代量越大，提升效果越明顯，并且細SiC 砂的改善效果要比粗SiC 砂的改善效果好。粗SiC砂和細SiC砂混合使用能進一步增強導(dǎo)熱性能，SiC砂的級配滿足，富勒最大密度理論曲線時提升效果最好。