管弦 楊禮明

（1.北京華宏工程咨詢有限公司，北京 101101；2.廣西新發(fā)展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029）

0 引言

瀝青作為黏彈性材料，隨著溫度的升高會逐漸由半固體向流體狀態(tài)轉變，只有在較低黏度下瀝青才能與集料拌和均勻。此外，瀝青混合料的施工過程也要求瀝青混合料具有一定的溫度，才能得到性能均一且密實的瀝青路面。因此，溫度是影響瀝青混合料性能與施工質量的重要因素[1]。但混合料從瀝青拌和站到施工現(xiàn)場的運輸過程中將會與運輸車、外部環(huán)境發(fā)生熱交換，特別是經過長距離運輸后，瀝青混合料的溫度往往低于規(guī)定壓實溫度，使其產生溫度離析，進而造成瀝青路面密實度降低，影響路面使用壽命[2，3]。研究瀝青混合料在長距離運輸過程中溫度的變化規(guī)律對提高瀝青路面施工質量具有重要意義。

鄭鐘名等[4]研究了瀝青混合料在運輸過程中的熱量傳輸機制，建立了基于運輸車廂的瀝青混合料溫度場數(shù)學模型。秦偉等[5]研究了長距離運輸對瀝青混合料質量的影響，提出了對運輸車輛車廂四壁加裝保溫隔熱層的建議。李朋朋等[6]采用紅外成像測溫技術并結合ANSYS仿真軟件研究了運輸過程中瀝青混合料的溫度變化，發(fā)現(xiàn)運輸車帆布處和側板處溫度散失最為嚴重。詹小麗等[7]研究了長距離運輸過程中溫度變化、短距離運輸及碾壓過程溫度變化、風速對溫度變化影響，提出了采取保溫措施的建議?，F(xiàn)有研究表明，在瀝青混合料的運輸過程中，對于運輸車的保溫，若采用良好的保溫材料與保溫技術，可以顯著降低混合料生產能耗、節(jié)約成本，增加瀝青拌和站的覆蓋范圍，對節(jié)能減排具有重要意義。

本文研究了長距離運輸途中篷布覆蓋方式下的混合料溫度變化規(guī)律，并且分析了采用保溫材料覆蓋后瀝青混合料在長距離運輸過程中的溫度衰減規(guī)律，最后基于瀝青混合料散熱特征提出了運輸車外裹保溫材料的設計方法。本研究為瀝青混合料長距離運輸施工質量保障提供了參考。

1 傳統(tǒng)覆蓋保溫方法

1.1 傳統(tǒng)混合料溫度衰減規(guī)律

為了研究瀝青混合料在長距離運輸過程中的溫度變化率，本文以廣西某高速公路施工項目為依托進行分析。其中瀝青拌和站與施工地點距離大于60km，研究對象為AC-20SBS瀝青混合料，出廠溫度約為185℃，環(huán)境溫度為20℃，為保證瀝青混合料溫度，運輸車廂頂部覆蓋了兩層篷布，車廂邊部夾塞泡沫。瀝青混合料溫度測量選取車廂3個部位，分別為車廂頂部5～6cm深度、車廂邊部5～6cm深度，車廂內部25～30mm深度，測試方法均采用插入式熱電偶溫度計，測試位置如圖1所示，溫度變化如圖2和表1所示。

表1 2h 后不同位置降溫情況

圖1 車輛檢測部位

圖2 AC-20 長距離運輸溫度變化過程

從圖2可以看出，隨著運輸時間的增加，運輸車廂3個部位的瀝青混合料溫度均發(fā)生降低，溫度隨時間變化曲線滿足一定的線性關系，降低幅度順序依次為：邊部＞頂部＞內部。造成上述結果的主要原因是這3個部位處的傳熱方式不同。首先對于內部瀝青混合料的降低主要是靠熱傳導，內部溫度更高的瀝青混合料熱量自動向溫度更低方向傳輸，這種熱傳導速率受溫度梯度的影響較大，但由于瀝青混合料內部溫度較為均勻，最終造成內部瀝青混合料溫度降低速率最慢。頂部瀝青混合料溫度降低主要受到與空氣熱對流的影響，在運輸過程中空氣分子不斷與篷布表面發(fā)生熱交換，導致表層瀝青混合料溫度的降低。邊部瀝青混合料溫度降低速率最快，這是由于邊部瀝青混合料收到熱對流與熱傳導綜合作用，一方面瀝青混合料熱量傳導給篷布再與空氣發(fā)生熱交換，另一方面瀝青混合料的熱量會以熱傳導的方式向側面當轉轉移，由于擋板大多為導熱良好的鋼材質，因此熱傳導速率最快。運輸2h后邊部、頂部、內部的溫度降低幅度分別為44℃、24℃和6℃，降溫速率分別為-22℃/h、-12℃/h和-3℃/h。邊部降溫速率約為頂部的兩倍、內部的7倍，因此對于長距離瀝青混合料的運輸應采取保溫措施。

1.2 采取保溫措施后溫度衰減規(guī)律

基于上節(jié)瀝青混合料運輸車廂不同部位的降溫規(guī)律，本課題對瀝青混合料采用一定的保溫措施，即在混合料出廠時在運輸車輛雙層篷布之間加蓋棉被。以SMA13改性瀝青混合料為研究對象，其出廠溫度為195℃左右，環(huán)境溫度為25℃，車廂邊部夾塞泡沫，溫度變化如圖3和表2所示。

表2 2h 后不同位置降溫情況

圖3 SMA-13 長距離運輸溫度變化過程

從圖3可以看出，采取保溫措施后的瀝青混合料溫度隨時間變化依然滿足一定的線性關系，但相對于不加保溫措施，瀝青混合料的溫度降低速率更慢。在加蓋棉被后，頂部的溫度變化速率顯著減小，趨近于內部溫度變化曲線，這是因為棉被具有較好的隔熱效果，阻礙了瀝青混合料中熱量向外傳輸?shù)耐ǖ溃罱K降低空氣與篷布的熱對流。在加蓋保溫材料后，邊部的溫度降低速率也有顯著的提高，雖然邊部瀝青混合料依然受到熱傳導和熱對流耦合作用，但由于保溫材料降低了表面瀝青混合料的傳導速率，使得熱對流的影響減弱，最終溫度變化速率降低。運輸2h后邊部、頂部、內部的溫度降低幅度分別為24℃、6℃和4℃，降溫速率分別為-12℃/h、-3℃/h和-2℃/h，顯著低于未采取措施下的降溫幅度。由此可見，采用雙層篷布之間加蓋棉被等保溫材料后，瀝青混合料的降溫速率顯著降低，對混合料具有保溫作用。

2 外裹保溫材料法

2.1 保溫隔熱材料選擇

GB/T8175-2008《設備及管道絕緣設計導則》指出，保溫材料是指在室溫（25℃）環(huán)境下，其導熱系數(shù)不高于0.08W/（m·℃），密度不大于300kg/m3的材料。目前組成保溫材料的種類較多，且具有不同的性能和優(yōu)缺點，可分為無機與有機兩種，無機類主要有礦渣棉、巖棉、玻璃棉、氣凝膠等，有機類主要包括模塑聚苯乙烯、聚氨酯、酚醛、海綿橡膠等。由于瀝青混合料在運輸過程中溫度較高，因此對于運輸車輛用保溫材料性能具有較高要求，如保溫材料使用溫度應高于200℃以上且具有阻燃特性，同時還要求保溫材料具有較優(yōu)異的耐油性和化學穩(wěn)定性。由于傳統(tǒng)的有機類保溫材料大多在溫度較低條件下使用，因此無機類保溫材料更適用于瀝青混合料運輸過程中的保溫。幾種常見無機類保溫材料的導熱系數(shù)與單位造價如表3所示。

表3 常見無機類材料

導熱系數(shù)越小，則其保溫材料隔熱效果越好，如表所示不同保溫材料具有不同的導熱系數(shù)，同時價格也差異巨大。因此，保溫材料應根據瀝青混合料運輸過程的散熱特性進行設計。

2.2 運輸車保溫層厚度設計

按照GB/T4272-2008《設備及管道絕緣設計通則》，在對瀝青混合料運輸車輛保溫材料厚度設計時，要以規(guī)定的最大允許散熱損失為依據，并綜合節(jié)能減排、減少熱量損失、提高經濟效益等需求。準則中最大允許散熱損失如表4所示.

表4 最大允許散熱損失

按照GB/T 8175-2008設計導則，瀝青混合料運輸車保溫材料表面散熱損失如下式所示；

式中，q為單位表面散熱損失，W/m2；Ri為保溫層熱阻，m2·℃/W；Ra為保溫層表面熱阻，m2·℃/W；T為運輸車表面溫度，℃；Ta為環(huán)境溫度，℃；d為保溫層厚度，m；l 為保溫材料導熱系數(shù)，W/（m·℃）；a為保溫層外表與大氣的換熱系數(shù)，根據設計導則，在空氣對流較弱時a取3-10，較強時取20-100。

對（1）式進行變換，建立保溫層厚度與單位表面散熱損失之間的關系，如（2）式所示：

根據運輸車輛外的環(huán)境條件，結合保溫材料的性能參數(shù)，通過上式可以計算出瀝青混合料運輸車的保溫層厚度。

2.3 保溫層材料與結構優(yōu)選

在進行保溫層材料設計時，應根據依托工程實際條件進行計算。根據廣西氣候環(huán)境特征，改性瀝青混合料出料溫度約為185℃，采用工業(yè)級紅外測溫儀測得車廂外表面溫度在90～100℃，取平均值95℃；由于車廂外表溫度為95℃，根據GB/T4272-2008設計通則，單位面積最大允許散熱損失選擇為147W/m2，一般瀝青混合料運輸車散熱面積取40m2。廣西瀝青路面施工一般為季節(jié)性施工并考慮空氣對流，α取50W/（m2·℃），瀝青路面施工環(huán)境溫度Ta選取20℃。

通過式（2）以及表3中的材料參數(shù)，可以計算得到不同保溫材料保溫層厚度，如表5所示。

表5 幾種常見保溫材料厚度及造價

由于不同保溫材料的導熱系數(shù)不同，設計得到保溫層厚度的有一定差異性。導熱系數(shù)越小，保溫層厚度越小，礦渣棉、巖棉、玻璃棉和氣凝膠保溫層厚度分別為19mm、14mm、21mm、6mm。雖然氣凝膠保溫層具有最小的設計厚度，但其材料價格較高，從經濟性來看礦渣棉和巖棉更適用于長距離運輸過程中的瀝青混合料保溫。