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原文传递灌浆复合定向导热路面结构设计与性能研究

论文题名：	灌浆复合定向导热路面结构设计与性能研究
关键词：	灌浆复合路面;结构设计;梯度热导率;定向热诱导;路面降温
摘要：	城市道路、高速公路、机场跑道等路面由于太阳辐射吸收强、传热效率低，使得路面内部容易产生高热量积聚，引发路面高温病害、加剧城市热岛效应等问题，尤其在多年冻土区，路面吸热快、散热慢的特征还会威胁路面下冻土基础的稳定性。本文从梯度热导率的原理出发，提出一种灌浆复合梯度导热法，即以大空隙沥青混合料作为骨架，以水泥基灌浆料作为骨架空隙的填充物和高/低导热粉体的载体，依次分层地灌注具有不同热导率的灌浆料至骨架空隙中，在骨架内形成多层灌浆料固化层，其中固化层的热导率呈梯度分布，使得路面内的热量趋向于沿着热导率增大的方向传递，并应用该方法在沥青混合料中建立灌注式梯度热导率结构设计灌浆复合定向导热路面。　　首先，为了获得设计路面结构的热物参数和梯度热导率分布，通过掺加一定质量比例的石墨和漂珠至灌浆料并灌注至大空隙沥青混合料中以调控灌浆复合路面的热导率。基于混合料试验和灌浆料试验研究这两种粉体的改性效果。结果表明，掺加漂珠和石墨在一定程度上会对灌浆料的流动性和力学性能产生不利影响，进而削弱复合沥青混合料的路用性能，并确定石墨和漂珠对灌浆料的质量比应控制在 9%和 12%以内；在此基础上，通过热性能测试证明了石墨/漂珠能够较大程度的提高/降低灌浆复合沥青混合料的导热性，并确定了混合料热常数的可控数值。　　为了控制定向热诱导效率，降低路面温度，提出并分析了一种灌浆复合定向热诱导结构（GC-DHIS）。该结构是基于灌浆复合梯度导热法将不同导热性的灌浆依次灌注至同一个基体沥青混合料骨架中形成的，其中灌浆料固化层的热导率从上至下依次增大。根据灌浆复合路面的结构特点和梯度导热的原理，可以将路面内的热量快速下传至路基。采用有限元模拟研究 GC-DHIS 的传热性能和降温效果，并通过室内照射试验验证模拟结果。结果表明，在灌浆料中分别添加 12%漂珠（顶层）、9%漂珠（中层）、3%石墨（底层）的设计结构在吸热期和放热期与大气交换的热量比对照结构分别少 7.10%和 7.98%，并且该结构能够提高路面全天的热量有效下传率，将路面内部的最高温度降低了 0.9℃(2cm)、1.9℃(5cm)、0.8℃(10cm)。因此该结构能够有效减小路面向外界环境的放热量，缓解夜间城市热岛效应；相比对照结构，灌注梯度高导热灌浆（石墨掺量为顶层3%+中层6%+底层9%）的GC-DHIS在吸热期将 2cm、5cm、10cm 深度处的总下传热量分别提高 7.0%、11.9%、17.4%，同时该结构的表面温度在这一时期呈缓慢上升趋势。因此高效的向下传热和较低的路表温度使得该结构有望在白天诱导路面内热量向下加速定向传递，降低城市低空温度和路面积热。　　为了增强机场道面定向散热以保护多年冻土地基，通过对双面层式沥青混合料骨架应用灌浆复合梯度导热法，并基于层间粘结层增设热诱导层和高热阻层，设计了灌浆复合高取向散热结构（HOHD-GCPS）。有限元模型计算结果表明，HOHD-GCPS能够减少冻土的夏季吸热量并增加冬季放热量，将年净吸热量降低 12.3%，这归因于该结构对于面层以下各结构层的热量传递具有一定的取向向上驱动作用。在冷季放热最强的2h，HOHD-GCPS在土基层、从面层至冻土的放热效率分别比对照结构高出 19.1%和 24.2%；在暖季吸热最强的 14h，该结构将面层、从冻土至面层的吸热效率分别降低了23.9%和12.1%，因此HOHD-GCPS具有“疏冷阻热”的功能，能够有效缓解道面结构对冻土地基的热扰动。相比对照组，当外界环境的温度高于道面结构内部时，HOHD-GCPS 在内部全深度范围内的温度更低，在夏季和冬季最多分别降低了2.64℃和1.52℃；当外界环境的温度低于道面结构内部时，该结构在面层上中部的温度较高，在面层下部至土基范围内的温度较低。这是由于HOHD-GCPS加快了面层以下各层向上放热，室内照射实验的温度分布也验证了这种高取向向上散热的趋势。　　基于灌浆复合梯度导热法设计的定向导热路面，结合了大空隙沥青混合料的结构特征和水泥基灌浆料的高流动特性，发挥梯度热导率的热诱导作用，赋予路面强化定向传热和主动降温的能力，有助于解决路面高积热问题。在未来不同的工程应用中，有望缓解路面高温病害、城市热岛效应以及多年冻土区路面的冻融破坏。
作者：	姜晗
专业：	交通运输工程;道路与铁道工程
导师：	王声乐
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2022