高原冻土区单向散热沥青路面材料与结构研究

在高寒冻土区全线铺筑黑色沥青路面是世界首例和创举。"沥青路面"与"冻土"互为灾害根源，属于国际难题。随着全球环境的退化，高原冻土区的公路安全正面临严峻的考验。本申请基于青藏高原公路建设、养护、再生的常规技术，拟通过对路面层沥青材料的微、纳米改性技术，及从复合体系的导热有效媒质理论出发，研究设计具有单向导热功能的沥青路面层结构和材料,即"热半导体型"沥青路面结构。综合考虑微纳米颗粒的形状效应、物理各向异性，建立单向导热沥青路面模型传热学数值模型；模拟改性沥青路面新结构的温度场变化；实验研究改性沥青和沥青混合料在新结构设计中组份选取、配比、导热参数变化情况。该功能结构既能阻止太阳辐射热下传，又能加速路基中多年"积热"'的上传，进而减轻高原冻土区"黑色沥青路面"的病害。目标的实现，可为高原冻土区沥青路面、路基的的稳定性提供新原理，在政治、国防、经济方面具重大意义。

基于微分颗粒复合体系的有效媒质理论，我们提出了单向导热沥青路面结构。首先，通过研究复合材料导热的显微结构特征，建立了考虑界面热阻的导热和阻热热传导理论预测模型。预测模型表明片状、微米级石墨能够有效增强沥青混合料的热导率，而球状、微米级漂珠能够有效降低沥青混合料的热导率。. 利用ANSYS有限元软件对改性混合料的传热特性进行了数值模拟。结果表明热量流经石墨时，热量发生“越界迁移”效应; 热量流经漂珠时，热量发生“沿界迁移”效应。为解决复合材料的界面问题，采用偶联剂对粉体进行表面改性，改性后的粉体与沥青搅拌，形成改性沥青胶浆，在集料表面形成沥青与粉体混合的热量传输网络体系。. 通过对粉体改性沥青混合料的主要热物理参数进行测量发现，在低体积含量时，石墨沥青混凝土的有效热导率与石墨含量成线性关系。例如，当漂珠掺量为5%时，沥青混凝土的热导率降低了22.2%，这表明少量漂珠的添加可使沥青混凝土获得较好的阻热性能。. 基于IEC标准，研制了试验测试模型，其绝热的边界条件保证了试件测试的稳定性。通过沥青膜测试筛选各面层粉体的配比，优选了最优比例粉体搭配为上面层10%石墨、中面层10%漂珠和下面层40%漂珠。根据IEC标准，对最佳配比试件进行3个循环的热效应试验，结果表明试验组测试试件底部表面温度比对照组降低了2.5℃。对冬季基层热量释放模拟的研究表明，实验组的表面温度与对照组相比提高约1.0 ℃，证明了单向散热试件结构可以有效地增强测试试件的热量释放能力，冷却试件的底部温度。. 依据“五道梁”工程背景，通过ANSYS软件分析了带有相变的沥青公路路基温度场的变化，结果表明对照组路基下多年冻土融土核的厚度降低、融化深度降低、冻结深度增加，多年冻土的年平均地温出现下降。因此，所设计的单向导热沥青路面结构对路基具有明显的降温效果，有望减缓冻土退化，保护路基下多年冻土。 . 总之，通过改变沥青路面材料的热传导特性，并建立单向散热层状路面结构，可实现低吸热沥青路面，保护路基下冻土。由于该项技术容易结合常规沥青路面建设、养护和再生技术，因而施工容易、建设成本相对较低。项目组基本完成计划任务书确定的研究内容，申报国际专利1项，发表SCI论文2篇，目前正在开展更深入的理论研究以及路用性能的测试。