瀝青混合料比熱容試驗(yàn)范文

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《江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)》2016年第三期

摘要:

基于熱平衡原理，設(shè)計(jì)了瀝青混合料比熱容測(cè)試系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)各參數(shù)的確定方法及熱量損失的標(biāo)定方法．采用已知比熱容的黃銅，驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)的可靠性．利用該測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)定了多種瀝青混合料在60～70℃的比熱容．通過(guò)考察可知:瀝青混合料比熱容與空隙率大小成正相關(guān);隨集料種類變化的瀝青混合料，比熱容大小排序?yàn)閏(蛇紋巖)＞c(角閃巖)＞c(石灰?guī)r)＞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(zhì)瀝青混合料比熱容;所測(cè)試瀝青混合料比熱容大小為750～1150J•(kg•℃)－1．

關(guān)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(zhì)參數(shù)之一，比熱容不僅可以反映同等熱量條件下，物質(zhì)升溫或降溫速率的快慢，也是瀝青路面溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力計(jì)算分析過(guò)程中重要的熱物性參數(shù)［1－3］．但目前針對(duì)瀝青混合料比熱容的試驗(yàn)和研究的相關(guān)報(bào)道都較少，在數(shù)值模擬和應(yīng)用取值的過(guò)程中，往往將不同種類瀝青混合料的比熱容取為相同數(shù)值，影響了研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此，開(kāi)展瀝青混合料比熱容試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并對(duì)瀝青混合料比熱容影響因素進(jìn)行分析，是非常重要的．比熱容在溫度變化不大時(shí)，可近似地看作常量．在工程計(jì)算中大量應(yīng)用定壓比熱容，定容比熱容的應(yīng)用相對(duì)較少，故本研究對(duì)瀝青混合料比熱容的研究也是針對(duì)定壓比熱容［4－6］．目前混合法是測(cè)量固體比熱容的常用方法［7－8］．傳統(tǒng)混合法測(cè)量固體比熱容的試驗(yàn)裝置主要包括量熱器和溫度計(jì)，這種測(cè)試方法沒(méi)有穩(wěn)定的外部環(huán)境，沒(méi)有自動(dòng)水溫?cái)嚢柩b置，溫度計(jì)的溫度數(shù)值一般人為讀取，這些都是誤差來(lái)源［9］．本研究依據(jù)熱平衡原理，參照目前國(guó)內(nèi)外比熱容測(cè)試方法［10－13］，自制適合于瀝青混合料比熱容的試驗(yàn)裝置，測(cè)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(duì)瀝青混合料比熱容的影響．

1測(cè)試系統(tǒng)建立

1.1測(cè)試原理混合法試驗(yàn)原理是熱平衡原理．為測(cè)試夏季高溫季節(jié)瀝青路面溫度約為60～70℃時(shí)的比熱容，將試件初始溫度恒定為t1=50℃，水的初始溫度設(shè)為高溫t2=70℃．依據(jù)熱平衡原理，將質(zhì)量為m、t1=50℃、比熱容為cx的試件，投入量熱器中．

1.2測(cè)試系統(tǒng)

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(cè)溫裝置，建立了瀝青混合料比熱容測(cè)試系統(tǒng)．其組成如下:①量熱器，由3層套壁、雙層隔熱材料組成，構(gòu)造簡(jiǎn)圖如圖1所示，實(shí)物圖如圖2所示;②磁力攪拌系統(tǒng)，由電力帶動(dòng)磁鋼旋轉(zhuǎn)，磁鋼帶動(dòng)磁力旋轉(zhuǎn)子攪拌，使水溫均勻(見(jiàn)圖1);③溫度采集系統(tǒng)，由溫度傳感器、數(shù)據(jù)記錄儀和電腦組成，用于采集溫度與時(shí)間數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖2);④秒表，記錄打開(kāi)儀器蓋放入被測(cè)試件到緊閉儀器蓋所需時(shí)間;⑤恒溫箱，提供穩(wěn)定的試驗(yàn)環(huán)境;⑥精密天平，感量不大于0.01g．

1.2.2參數(shù)確定1)質(zhì)量．采用精密天平稱取試件和水的質(zhì)量．為減小誤差，并考慮集料粒徑尺寸的影響，統(tǒng)一將待測(cè)試件尺寸定為140mm×40mm×40mm;水的質(zhì)量規(guī)定為待測(cè)試件豎直放入量熱器中時(shí)，沒(méi)過(guò)試件頂端2cm時(shí)的質(zhì)量，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，最終取恒定值1975.00g．2)混合后試件和水溫達(dá)到平衡時(shí)的終溫度tx．采用對(duì)比法確定，用剛鉆在混合料試件中部打孔，用2個(gè)溫度傳感器，將其中一個(gè)溫度傳感器置入混合料試件正中，端部用環(huán)氧樹(shù)脂密封，在環(huán)境箱中將試件恒溫為50℃，如圖3所示;另外一個(gè)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(dòng)溫度記錄儀，測(cè)定二者溫度達(dá)到均一穩(wěn)定時(shí)的溫度，該溫度對(duì)應(yīng)的時(shí)間，即為試驗(yàn)時(shí)間，如圖4所示．由圖4可知:600s時(shí)，試件和水溫已達(dá)到均一穩(wěn)定溫度，為使試驗(yàn)更為準(zhǔn)確，取tc=900s作為瀝青混合料比熱容的試驗(yàn)時(shí)間．

1.2.3測(cè)試系統(tǒng)檢驗(yàn)采用已知比熱容的黃銅對(duì)比熱容測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確度進(jìn)行檢驗(yàn)．由于試驗(yàn)原理及方法相同，保持試驗(yàn)用水量不變，因此，可以用相同方法計(jì)算黃銅比熱容．

2試驗(yàn)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(fù)合材料，故本研究主要考察3個(gè)組成要素對(duì)瀝青混合料比熱容的影響．采用的90#和70#基質(zhì)瀝青、SBSI-C改性瀝青，技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求．采用的輝綠巖、花崗巖、石灰?guī)r、角閃巖、蛇紋巖等5種集料，技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求．采用AC16和AC20兩種瀝青混合料，混合料級(jí)配參照規(guī)范中值．

2.2試驗(yàn)方案1)根據(jù)試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)尺寸的棱柱體試件，如圖5所示．2)準(zhǔn)確稱取待測(cè)試件質(zhì)量m(精確至0.01g)．3)將試驗(yàn)儀器與待測(cè)試件一同置于50℃環(huán)境箱中，恒溫5h．4)設(shè)置數(shù)據(jù)記錄儀，每5秒記錄1次溫度數(shù)據(jù)．5)待數(shù)據(jù)記錄儀開(kāi)始工作后，將溫度略高于70℃固定質(zhì)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(shù)據(jù)記錄儀顯示的溫度．當(dāng)儀器中水溫降到70℃時(shí)，立即打開(kāi)儀器蓋，將已保溫待測(cè)試件置于儀器中，保證試件全部浸沒(méi)于水中，盡快將儀器盒蓋密封，并用秒表記錄儀器蓋打開(kāi)的總時(shí)間t．7)將記錄儀與電腦相聯(lián)，導(dǎo)出記錄儀中的溫度數(shù)據(jù)，記錄900s時(shí)所對(duì)應(yīng)的儀器內(nèi)部水溫．8)根據(jù)式(8)計(jì)算瀝青混合料比熱容．

2.3試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1空隙率對(duì)比熱容的影響采用AC16級(jí)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(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6．

2.3.2集料種類對(duì)比熱容的影響采用AC20級(jí)配類型和70#基質(zhì)瀝青成型不同集料類型的混合料試件，比熱容測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7．試驗(yàn)結(jié)果表明:瀝青混合料比熱容隨集料種類有所變化;本試驗(yàn)瀝青混合料比熱容大小排序?yàn)閏(蛇紋巖)＞c(角閃巖)＞c(石灰?guī)r)＞c(輝綠巖)＞c(花崗巖)，大小為750～1150J•(kg•℃)－1．

2.3.3瀝青種類對(duì)瀝青混合料比熱容的影響采用AC16級(jí)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(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8．試驗(yàn)結(jié)果表明:瀝青混合料的比熱容與瀝青種類有相關(guān)性;采用改性瀝青成型的混合料比熱容較兩種基質(zhì)瀝青混合料的比熱容大．

3結(jié)論

1)本研究基于熱平衡原理，開(kāi)發(fā)了適合于進(jìn)行瀝青混合料比熱容測(cè)試的系統(tǒng)，利用已知比熱容的黃銅對(duì)比熱容測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確度進(jìn)行了檢驗(yàn)，偏差僅為－3.516%，可以用來(lái)進(jìn)行比熱容的測(cè)試．2)利用該測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)定了多種瀝青混合料的比熱容，通過(guò)考察可知:瀝青混合料比熱容與空隙率大小成正相關(guān);隨集料種類變化的瀝青混合料，比熱容大小順序?yàn)閏(蛇紋巖)＞c(角閃巖)＞c(石灰?guī)r)＞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(zhì)瀝青混合料比熱容;所測(cè)試瀝青混合料比熱容大小約為750～1150J•(kg•℃)－1．3)為了更準(zhǔn)確地測(cè)試瀝青混合料比熱容，建議后續(xù)研究者對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的材質(zhì)進(jìn)行升級(jí)，以便進(jìn)一步減小損失熱量誤差．

作者：鄒玲 鄭南翔 李煒 紀(jì)小平 張文剛 單位：長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院 山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院