沥青混合料比热容试验范文

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《江苏大学学报》2016年第三期

摘要:

基于热平衡原理，设计了沥青混合料比热容测试系统，阐述了系统各参数的确定方法及热量损失的标定方法．采用已知比热容的黄铜，验证测试系统的可靠性．利用该测试系统，测定了多种沥青混合料在60～70℃的比热容．通过考察可知:沥青混合料比热容与空隙率大小成正相关;随集料种类变化的沥青混合料，比热容大小排序为c(蛇纹岩)＞c(角闪岩)＞c(石灰岩)＞c(辉绿岩)＞c(花岗岩);随沥青种类变化的沥青混合料，SBSI-C改性沥青混合料比热容大于基质沥青混合料比热容;所测试沥青混合料比热容大小为750～1150J•(kg•℃)－1．

关键词:

沥青混合料;比热容;热平衡原理;沥青;集料

沥青混合料的比热容是其基本热物理性质参数之一，比热容不仅可以反映同等热量条件下，物质升温或降温速率的快慢，也是沥青路面温度场和温度应力计算分析过程中重要的热物性参数［1－3］．但目前针对沥青混合料比热容的试验和研究的相关报道都较少，在数值模拟和应用取值的过程中，往往将不同种类沥青混合料的比热容取为相同数值，影响了研究结果的准确性，因此，开展沥青混合料比热容试验设计，并对沥青混合料比热容影响因素进行分析，是非常重要的．比热容在温度变化不大时，可近似地看作常量．在工程计算中大量应用定压比热容，定容比热容的应用相对较少，故本研究对沥青混合料比热容的研究也是针对定压比热容［4－6］．目前混合法是测量固体比热容的常用方法［7－8］．传统混合法测量固体比热容的试验装置主要包括量热器和温度计，这种测试方法没有稳定的外部环境，没有自动水温搅拌装置，温度计的温度数值一般人为读取，这些都是误差来源［9］．本研究依据热平衡原理，参照目前国内外比热容测试方法［10－13］，自制适合于沥青混合料比热容的试验装置，测试多种代表性沥青混合料的比热容，考察沥青、集料和空隙率对沥青混合料比热容的影响．

1测试系统建立

1.1测试原理混合法试验原理是热平衡原理．为测试夏季高温季节沥青路面温度约为60～70℃时的比热容，将试件初始温度恒定为t1=50℃，水的初始温度设为高温t2=70℃．依据热平衡原理，将质量为m、t1=50℃、比热容为cx的试件，投入量热器中．

1.2测试系统

1.2.1组成要素本研究基于热平衡原理，自制比热容量热器，配合精密测温装置，建立了沥青混合料比热容测试系统．其组成如下:①量热器，由3层套壁、双层隔热材料组成，构造简图如图1所示，实物图如图2所示;②磁力搅拌系统，由电力带动磁钢旋转，磁钢带动磁力旋转子搅拌，使水温均匀(见图1);③温度采集系统，由温度传感器、数据记录仪和电脑组成，用于采集温度与时间数据(见图2);④秒表，记录打开仪器盖放入被测试件到紧闭仪器盖所需时间;⑤恒温箱，提供稳定的试验环境;⑥精密天平，感量不大于0.01g．

1.2.2参数确定1)质量．采用精密天平称取试件和水的质量．为减小误差，并考虑集料粒径尺寸的影响，统一将待测试件尺寸定为140mm×40mm×40mm;水的质量规定为待测试件竖直放入量热器中时，没过试件顶端2cm时的质量，经反复试验，最终取恒定值1975.00g．2)混合后试件和水温达到平衡时的终温度tx．采用对比法确定，用刚钻在混合料试件中部打孔，用2个温度传感器，将其中一个温度传感器置入混合料试件正中，端部用环氧树脂密封，在环境箱中将试件恒温为50℃，如图3所示;另外一个温度传感器置入量热器水中，水初始温度70℃;将试件迅速放入水中并密闭量热器，起动温度记录仪，测定二者温度达到均一稳定时的温度，该温度对应的时间，即为试验时间，如图4所示．由图4可知:600s时，试件和水温已达到均一稳定温度，为使试验更为准确，取tc=900s作为沥青混合料比热容的试验时间．

1.2.3测试系统检验采用已知比热容的黄铜对比热容测试系统的准确度进行检验．由于试验原理及方法相同，保持试验用水量不变，因此，可以用相同方法计算黄铜比热容．

2试验分析

2.1原材料由于沥青混合料是一种由沥青、集料和空隙组成的复合材料，故本研究主要考察3个组成要素对沥青混合料比热容的影响．采用的90#和70#基质沥青、SBSI-C改性沥青，技术指标均符合规范要求．采用的辉绿岩、花岗岩、石灰岩、角闪岩、蛇纹岩等5种集料，技术指标均符合规范要求．采用AC16和AC20两种沥青混合料，混合料级配参照规范中值．

2.2试验方案1)根据试验要求将沥青混合料成型为车辙板试件，待冷却48h后脱模，切割成140mm×40mm×40mm标准尺寸的棱柱体试件，如图5所示．2)准确称取待测试件质量m(精确至0.01g)．3)将试验仪器与待测试件一同置于50℃环境箱中，恒温5h．4)设置数据记录仪，每5秒记录1次温度数据．5)待数据记录仪开始工作后，将温度略高于70℃固定质量(1975.00g)的蒸馏水小心倒入量热器中，并尽快紧闭仪器盖．6)观察数据记录仪显示的温度．当仪器中水温降到70℃时，立即打开仪器盖，将已保温待测试件置于仪器中，保证试件全部浸没于水中，尽快将仪器盒盖密封，并用秒表记录仪器盖打开的总时间t．7)将记录仪与电脑相联，导出记录仪中的温度数据，记录900s时所对应的仪器内部水温．8)根据式(8)计算沥青混合料比热容．

2.3试验结果分析

2.3.1空隙率对比热容的影响采用AC16级配类型、SBSI-C改性沥青和蛇纹岩成型不同空隙率的混合料试件，比热容测试结果见图6．

2.3.2集料种类对比热容的影响采用AC20级配类型和70#基质沥青成型不同集料类型的混合料试件，比热容测试结果见图7．试验结果表明:沥青混合料比热容随集料种类有所变化;本试验沥青混合料比热容大小排序为c(蛇纹岩)＞c(角闪岩)＞c(石灰岩)＞c(辉绿岩)＞c(花岗岩)，大小为750～1150J•(kg•℃)－1．

2.3.3沥青种类对沥青混合料比热容的影响采用AC16级配类型和蛇纹岩成型不同沥青种类的混合料试件，比热容测试结果见图8．试验结果表明:沥青混合料的比热容与沥青种类有相关性;采用改性沥青成型的混合料比热容较两种基质沥青混合料的比热容大．

3结论

1)本研究基于热平衡原理，开发了适合于进行沥青混合料比热容测试的系统，利用已知比热容的黄铜对比热容测试系统的准确度进行了检验，偏差仅为－3.516%，可以用来进行比热容的测试．2)利用该测试系统，测定了多种沥青混合料的比热容，通过考察可知:沥青混合料比热容与空隙率大小成正相关;随集料种类变化的沥青混合料，比热容大小顺序为c(蛇纹岩)＞c(角闪岩)＞c(石灰岩)＞c(辉绿岩)＞c(花岗岩);随沥青种类变化的沥青混合料，SBSI-C改性沥青混合料比热容大于基质沥青混合料比热容;所测试沥青混合料比热容大小约为750～1150J•(kg•℃)－1．3)为了更准确地测试沥青混合料比热容，建议后续研究者对测试系统的材质进行升级，以便进一步减小损失热量误差．

作者：邹玲 郑南翔 李炜 纪小平 张文刚 单位：长安大学 公路学院 山东理工大学 建筑工程学院