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原文传递高原冻土区单向散热沥青路面材料与结构研究

论文题名：	高原冻土区单向散热沥青路面材料与结构研究
关键词：	有效媒质理论;粉体表面改性;有限元;温度场;高原冻土区;单向散热;沥青路面材料
摘要：	寒区公路路基和冻土的稳定性取决于其上方路面与空气的地气平衡。沥青路面的吸热性和封水性极大地改变了这种地气平衡，导致路基及其下伏多年冻土积聚的热量无法有效散发，冻土退化，路基不均匀沉陷，路面病害频繁发生。正是由于路面与冻土之间相互作用，冻土问题成为难以解决的世界性难题。　　本文基于微分颗粒复合体系的有效媒质理论，及粉体的物理各向异性与路面混合料及面层结构的宏观热传输能力关联性，建立层状单向散热路面结构，研究单向散热路面结构传热机理。本文研究内容如下:研究复合材料导热的显微结构特征，建立考虑界面热阻的导热和阻热热传导理论预测模型。该模型预测表明扁平状、微米级石墨能够有效增强复合材料热导率，球状、微米级漂珠能够有效降低复合材料热导率。利用ANSYS有限元软件对粉体改性复合材料的传热特性进行数值模拟，研究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。使用DRM-Ⅱ型热导率测试仪对粉体改性沥青混合料主要的热物理参数进行测量，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，漂珠的掺量为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即可使得沥青混凝土具有较好的阻热性能。基于IEC标准，在仅考虑热传导情况下，使用室内光源进行辐射测试是合理可行的。制备试验测试模型，绝热的边界条件保证了试件测试的稳定性。为降低试验量，通过沥青膜测试筛选面层各层粉体配比比例，制备并测试试件，优选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多循环范围的热效应试验。试验显示试验组测试试件底部温度降低3.4℃，试验组表面层温度比对照组温度高1.7℃，这表明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，冷却底部温度。以试件测试为基础，依据五道梁沥青混凝土路面为工程背景，通过ANSYS有限元分析软件分析带有相变的沥青公路路基温度场的变化。模拟显示试验组路基下多年冻土融土核的厚度降低、多年冻土的融化深度降低、冻结深度增加、多年冻土的年平均地温下降，这表明单向导热性路面对路基具有明显的降温效果，减缓冻土退化，保护路基下多年冻土。　　本文通过改变沥青路面材料的传热特性，建立单向散热层状路面结构，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、成本相对较低，为冻土保护研究提供新的亮点。
作者：	朱启洋
专业：	凝聚态
导师：	王声乐
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文