玻璃沥青混凝土阻热降温性能

袁 峻， 黄 俊， 王 波， 许 涛

(南京林业大学土木工程学院， 南京 210037)

玻璃沥青混凝土是通过将回收的废旧玻璃经过一系列工艺处理后替换天然石料作为集料制成的新型绿色环保材料[1]。当前美国已有超过10个州将玻璃沥青混凝土设计要求纳入了规范, 废弃玻璃在沥青混凝土中的应用已初具规模[2]。澳大利亚、日本等国家也尝试将玻璃沥青混凝土应用于城市道路[3-4]。已有实践表明废旧玻璃在道路工程中具有一定应用价值，从废物利用和环境保护角度看不仅处理了大量废旧玻璃，减少废旧玻璃的填埋从而节约了大量的土地资源，还减少天然砂石的使用，对可持续发展有着重要的意义[5-7]。

使用导热系数较小的热阻材料替代普通矿物集料，可降低沥青混合料整体的热物性参数[8]。由于玻璃具有较低的导热性能，将废旧玻璃破碎加工成集料替代普通集料，便可以使玻璃沥青混凝土具有较好的阻热性能。在高温环境下，具有较好阻热性能的沥青混凝土路面，其路表的温度会低于普通沥青混凝土路面的温度，从而在一定程度上减缓由于高温导致的车辙问题[9]。

目前，中国对玻璃沥青混凝土的应用着重于发挥其反光性能[10-11]。而关于玻璃集料沥青混合料的阻热性能的研究较少。沥青混合料的阻热降温性能一般通过导热系数来评价[12]。为此，基于傅里叶热传导原理设计了室内平板导热试验装置，测定不同玻璃集料掺量沥青混合料在不同的温度下的导热系数。通过试验数据和理论计算评价玻璃沥青混凝土的降温效果，并验证其作为降温材料在道路工程中应用的可行性。

1 原材料与试件制作

1.1 原材料

试验采用东海牌70号A级沥青，具体性能指标如表1所示。集料为玄武岩，矿粉为石灰岩矿粉，试件的矿料级配如图1所示。

表1 中石化东海牌70号沥青技术指标Table 1 Technical indicators of Sinopec Donghai brand No.70 asphalt

图1 级配设计曲线Fig.1 Gradation design curve

将回收的平板玻璃经破碎获得玻璃集料。使用玻璃集料对沥青混合料中的粒径为1.18 mm和2.36 mm的细集料进行等质量的替换，替换量分别为10%、20%、30%和40%。经路用性能试验分析，当玻璃掺量为40%时，动稳定度不符合规范要求。而在掺量为30%，玻璃沥青混合料各项路用性能均能满足要求，因此确定玻璃集料代替细集料的最大掺量为30%。

1.2 试件制作

为了提高本次热传导试验的准确性，本次试验的试件是通过旋转压实制做，试件高度为16 cm，分别在高度7.5 cm和15 cm处钻孔作为温度测试点。

2 导热试验

2.1 导热试验原理

沥青混合料导热试验采用常功率平面热源法，基于常热流边界条件下半无限大物体内研究混合料内部温度场变化规律，根据试验数据测定和对沥青混合料的导温系数进行计算[13]。

图2 导热试验原理示意图Fig.2 Schematic diagram of heat conduction test principle

沥青混合料试件是在一个密闭的环境下进行一维稳态热传导试验，原理如图2所示。试件底侧为温控加热板，加热板的面积大于试件底部的面积，从而可以保证了试件的受热均匀。试件的高度差逐渐形成稳定的温度差，达到热传导的稳态。试件的内部布置热电偶传感器，通过传感器对混合料的内部温度进行测定。

当混合料的初始温度为t0时，混合料的表面被常功率热流加热时，温度场由导热微分方程[14]求解获得。

(1)

式(1)中：θ为过余温度；以τ0为基准，τ为时间，s；α为导温系数，m2/h；q为热流密度，W/m2；λ为导热系数，W/(m·K)；x为试样内部距热源的距离，m。

在初始、边界的条件下，求解式(1)得

(2)

根据式(2)假设被加热的混合料初始温度为t0，从开始加热的时候开始计时，记为0，并且加热以常热流q加热，然后对τ1时刻的混合料表面温度进行测量，记为θ0，τ1以及τ2时刻距离混合料加热的表面δ距离处混合料内部的温度，记为θδ1，τ2(δ为设定的测点位置)，由上述所测量的数据，先得出该混合料的导温系数，然后根据导温系数计算得出混合料的导热系数。

在τ1时刻，θ0，τ1应为

(3)

在τ2时刻，θδ1，τ2可表示为

(4)

式(3)除以式(4)，整理可得

(5)

由式(3)可得

(6)

2.2 导热试验装置

如图3所示，沥青混合料导热试验装置主要由控温系统、绝热系统和温度采集系统组成。

(1)控温系统：控温系统为电加热板，其温度可以控制在20～400 ℃，温度偏差为±1 ℃。加热板从试件的下方对其进行加热，能长时间对试件进行稳定地热量传导。

(2)绝热系统：该系统主要由玻璃棉构成，玻璃棉属于玻璃纤维属于一种人造无机纤维，具有体积密度小、热导率低、保温绝热等性能。将试件用玻璃棉包裹严实，从而与外界隔绝达到保温和隔热效果，提高试验数据的可靠性。

(3)温度采集系统：温度采集系统使用的是热电偶测温仪，分辨率为0.1 ℃，温度感应探头插入试件内部可实时采集温度。

图3 导热实验图Fig.3 Heat transfer experiment

2.3 导热试验分析

对旋转压实试件底面进行打磨，使得在加热试验过程中试件的底部与加热板充分接触，确保热量的全部传输。在试件测温高度钻孔至中心位置，将热电偶测温仪的温度感应探头插入其中，用胶带进行固定，确保探头在试验过程中始终处于试件内部的中间位置。将试件除了底部外全部使用玻璃棉进行包裹，确保试件的在加热过程中的热量的无法散出和与外界隔离，减少外界温度对加热过程中的影响。试验在温度相对稳定的室内进行，每隔30 min记录一次数据，并取前5 h数据进行分析。

2.3.1 不同玻璃掺量的沥青混合料导热系数

分别对0、10%、20%、30%玻璃掺量的沥青混合料进行了60 ℃加热温度下的导热试验，对试件7.5 cm高度的温度变化数据采集如图4所示。

图4 60 ℃下7.5 cm不同掺量的混合料温度变化曲线图Fig.4 Temperature variation curve of mixture with different dosages of 7.5 cm at 60 ℃

由图4分析可知，相同的加热温度下，混合料内部的温度随着玻璃掺量的增加而降低，温差随着掺量的增加而扩大。经过5 h的加热，在7.5 cm处的温差玻璃集料掺量为30%的混合料与掺量为0的混合料温差达到了10.9 ℃；即温度同比下降了28.7%。所以玻璃掺量增大能够延缓混合料内部升温速率，阻热效果越好。

根据2.1节导数系数求解方法，求得不同掺量的混合料在60 ℃加热温度下的导热系数值，其随时间的变化如图5所示。

分析可知，在同一加热温度下导热系数随着混合料的内部温度提高而增大，随着玻璃掺量的提高而逐渐减小。所以玻璃掺量越高沥青混合料的导热系数越小，导热性能越差，阻热性能越好。

2.3.2 3种不同加热温度下的沥青混合料导热系数

分别对0、30%玻璃掺量的沥青混合料进行了40、50、60 ℃加热温度下的导热试验，对试件7.5 cm高度的温度变化的数据进行采集，结果如图6所示。

分析可知，同一加热时间下相同玻璃掺量沥青混合料的温度随着加热温度的升高而升高，温差随着加热温度的升高而扩大。当加热温度为40 ℃时，经过5 h的加热，玻璃集料掺量为30%的混合料与掺量为0的混合料在试件7.5 cm处的温差最大达到了3.9 ℃，温度同比下降了18.7%左右。当加热温度为50 ℃时，最大温差达到了4.8 ℃，相比0掺量下降了19.4%。当加热温度为60 ℃时，最大温差达到了10.9 ℃，相比0掺量下降了28.7%。所以当加热温度越高时玻璃沥青混合料升温速率相比普通沥青混合料满，高温时更加能够发挥其阻热性能。

图5 60 ℃不同掺量的混合料导热系数变化曲线Fig.5 Curve of thermal conductivity of mixed materials with different dosages at 60 ℃

图6 7.5 cm处不同加热温度的混合料温度变化曲线Fig.6 Temperature variation curve of the mixture with different heating temperatures at 7.5 cm

不同加热温度的混合料的导热系数值，其随时间的变化如图7所示。可以看出，在同一加热温度下导热系数随着混合料的内部温度提高而提高，加热温度越高混合料导热系数越大，在沥青混合料中掺入玻璃集料可降低其导热系数。

2.3.3 两种不同导热距离处的沥青混合料导热效果

分别对0、30%玻璃掺量的沥青混合料进行了40、50、60 ℃加热温度下的导热试验，对加热2.5 h后试件7.5 cm和15 cm高度的温度数据采集如图8所示。

图7 不同加热温度的混合料导热系数变化曲线Fig.7 Curve of thermal conductivity of mixed materials with different heating temperatures

图8 不同加热温度下不同掺量混合料在7.5 cm和15 cm 高度处试件内部温度柱状图Fig.8 Histogram of internal temperature of specimens at 7.5 cm and 15 cm height for different mixes at different heating temperatures

可以看出，同一加热温度下，不同深度处，由于沥青混合料中掺加了玻璃集料使得试件内部温度降低。当加热温度为40 ℃时，经过5 h的加热，试件在7.5 cm处的和15 cm处的温差达到了3.9 ℃；当加热温度为60 ℃时，不同深度处的最大温差达到了8.1 ℃。这说明了玻璃沥青混合料在高温环境下的阻热效果更明显。

2.4 沥青混合料导热性能对路面温度影响分析

沥青混合料的温度场分布表明：夏季气温较高导致路面吸收大量热量，沥青路面的面层温度很高，路表热量向沥青路面的内部不停传导，最后趋于稳定；冬季气温较低导致路面处于放热状态，沥青路面的面层温度低，热量从沥青路面的内部不停向上传导，最后趋于稳定。无论是在高温还是低温时期，热量总是沿着结构的高温向低温传输。沥青路面的这种导热性能是瞬态的，瞬态温度分布在传热的集合方向上呈曲线。为了体现出沥青混合料导热系数对路面温度的影响，采用巴勃模型研究分析[15]，则有

(7)

通过理论分析及试验数据的采集和计算得到沥青混合料的导热系数在1.18～2.14 W/(m·K)，所以固定其他环境参量，选取0～30%玻璃掺量沥青混合料的导热系数，然后通过巴勃模型计算出相应的温度，得到沥青混合料与温度场之间的关系，计算结果如表2所示。

表2 气温40 ℃下不同导热系数的路面温度Table 2 Pavement temperature with different thermal conductivity at a temperature of 40 ℃

由表2可知，路面温度随着导热系数的增大而增大，玻璃集料掺量为30%的混合料与掺量为0的混合料路面温度最大相差2.3 ℃。从而再次验证了沥青路面的温度随着玻璃掺量的增加而降低，玻璃沥青混合料可以减轻高温车辙所带来的病害。

3 结论

(1)对沥青混合料中的2.36 mm和1.18 mm的细集料用10%、20%、30%、40%等质量的玻璃集料替代，对各组混合料的路用性能进行检测发现玻璃集料的最佳掺量为30%。

(2)对不同玻璃掺量的沥青混合料进行热传导试验，试验表明随着玻璃掺量的增加，混合料的温度上升速率越来越慢，混合料达到一定温度所需要的时间更长，且提前进入升温平缓区。温度越高时，在同一温度下，当深度越深时混合料的上升幅度随着玻璃掺量的增加而渐渐变缓。可以说明具有低导热性能的玻璃集料掺入沥青混合料中可以使混合料的阻热性能得到提高。

(3)通过巴勃模型计算结果可以看出，玻璃沥青混合料中玻璃集料掺量越大，其导热系数越小，相应的沥青路面温度也较低。因此可以使用玻璃沥青混合料对沥青路面温度进行有效控制，减轻沥青路面的高温病害。