一种沥青路面用相变材料种类与使用层位的确定方法

1.本发明属于相变沥青路面领域，具体涉及一种沥青路面用相变材料种类与使用层位的确定方法。

背景技术：

2.沥青路面因具有行车安全、平整度高和易于维修养等优点而被广泛采用。然而由于沥青材料具有温度敏感性，在高温条件下会导致路面易出现车辙、拥包、推挤等热稳性病害，这会降低沥青路面的使用耐久性和行车稳定性，增加出现交通事故的风险。同时，沥青路面吸收的辐射能量会不断积聚并向周围环境释放，导致近地面空气温度升高，加剧城市热岛效应，这会增加城市地区的建筑能耗，并降低行人舒适度。
3.为了减轻高温沥青路面的负面影响，目前国内外的研究者采取的主要方式有：透水式路面、保水式路面、热阻式路面以及热反射涂层等。以上方法经过研究测试已被证实具有一定的降温效果，但也存在一定的局限性，如透水式和保水式沥青路面的力学性能相对较低，且需保持充足的水分，利用蒸发带走路面热量；热阻式沥青路面会导致热量积聚在路面上面层，从而产生纵向温度应力，降低路用性能；热反射涂层会降低路面的抗滑性能，增加交通风险，同时存在剥落和开裂等耐久性问题。因此，寻一种主动、高效的路面降温方法已经变得刻不容缓。
4.近年来，相变材料的出现提供了主动降低路面高温的可能。相变材料在建筑保温领域中的应用较为成熟，主要集中在水泥混凝土结构和石膏板等建筑保温材料中，通过相态的变化(固相、液相和气相)吸收或释放热量，从而对温度进行调节。然而将相变材料掺入沥青混凝土中，降低沥青路面高温的研究仍处于探索阶段。目前相变材料掺入沥青路面中的研究缺乏理论基础，并且沥青路面由于温度传递的滞后性会产生内部温度梯度，对路面使用层位相变材料的相变温度选择也有待分析。
5.为此本发明提供一种沥青路面用相变材料种类与使用层位的确定方法，通过对相变材料进行筛选以及对降温贡献率进行计算，从而可以更合理地确定相变材料种类和相变材料掺入层位。

技术实现要素：

6.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种沥青路面用相变材料种类与使用层位的确定方法，通过计算相变完成度和绝对温度差对相变材料进行筛选以及对降温贡献率进行计算，从而可以更合理地确定相变材料种类和相变材料掺入层位。
7.为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
8.本方案提供一种沥青路面用相变材料种类与使用层位的确定方法，包括以下步骤：
9.s1、通过利用ansys fluent软件，建立沥青路面结构模型并对模型网络进行划分，设置沥青路面模型的边界条件，模拟获得典型夏季高温天气下沥青路面温度场及纵向温度
梯度。
10.s2、制备复合定形相变材料试样，使用热重分析法(tg)和差式扫描量热法(dsc)按照标准程序对已制备好的相变材料试样进行试验，以获取复合定形相变材料的热稳定性和相关热性能参数；
11.s3、基于沥青路面温度场及复合定形相变材料的热性能参数，使用相变完成度和温度绝对差公式，计算不同分子量的相变材料在路面面层不同深处的相变完成度和温度绝对差，结合这两项指标筛选在沥青路面中各个层位拥有较高相变完成度和较小温度绝对差的复合定形相变材料。
12.s4、基于初步筛选的相变材料，确认相变沥青路面中相变材料使用层位，并结合复合相变沥青路面的物性参数，模拟道路路面降温幅度与深度关系曲线。
13.s5、基于降温道路路面降温幅度与深度关系曲线，获取相变材料使用层位沥青混凝土对路面面层降温贡献率，表征相变材料对路面各个层位的作用效果。
14.进一步地，所述步骤s1包括以下步骤：
15.s101、使用anasys软件建立沥青道路结构模型，并进行网格划分，以获得较高质量和数量的网格。
16.s102、对道路路面模型各个层位的物性参数进行定义，其中物性参数包括密度、比热容和导热率。
17.s103、定义模型边界条件，进而模拟获得典型夏季高温天气下沥青路面温度场及纵向温度梯度。
18.进一步地，所述步骤s3包括以下步骤：
19.s301、根据公式计算相变完成度，确定相变材料在路面面层不同深度的相变完成度。
20.s302、根据公式计算温度绝对差，确定相变材料在各个路面面层中点处温度绝对差。
21.s303、根据相变完成度和温度绝对差，筛选在沥青路面中各个层位拥有较高相变完成度和适配性的复合定形相变材料。
22.进一步地，所述步骤s302中相变完成度公式表达式如下：
[0023][0024]
其中，pc表示相变完成度，t
peak
表示沥青路面温度峰值，t
start
表示相变开始温度，t
end
表示相变结束温度。
[0025]
进一步地，所述步骤s303中温度绝对差公式表达式如下：
[0026]
t
ad
＝|t
peak-t
phase
|
[0027]
其中，t
ad
表示温度绝对差，t
peak
表示沥青路面温度峰值，t
phase
表示相变材料相变温度峰值。
[0028]
进一步地，所述步骤s5中相变贡献率公式表达式如下：
[0029][0030]s总
＝∑si[0031]
其中，ci表示降温贡献率，si表示对应层位降温幅度与横坐标轴包围面积，s
总
表示上、中、下面层对应的面积总和。
[0032]
本发明的有益效果：
[0033]
(1)本发明使用相变完成度和温度绝对公式对相变材料进行初步筛选，可以为对沥青路面选用相变材料补充理论基础。
[0034]
(2)本发明通过绘制道路路面降温幅度与深度关系曲线和相变材料对各个路面层位的贡献率来定量地描述相变材料的效果。
[0035]
(3)本发明提出的沥青路面用相变材料种类与使用层位的确定方法可以帮助确定复合定形相变材料种类，并且科学合理的添加到道路路面层位
附图说明
[0036]
图1为本发明的方法流程图。
[0037]
图2本实施例中沥青路面结构示意图及网格划分。
[0038]
图3本实施例中peg6000/sio2热重分析结果。
[0039]
图4本实施例中peg/sio2升温dsc曲线。
[0040]
图5本实施例中路面各面层中点处的peg/sio2相变完成度。
[0041]
图6本实施例中温度绝对差。
[0042]
图7本实施例中peg6000/sio2降温幅度与深度关系。
具体实施方式
[0043]
面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0044]
实施例
[0045]
本发明提供了一种沥青路面用相变材料种类与使用层位的确定方法，其实现方法如下：
[0046]
s1、通过利用ansys fluent软件，建立沥青路面结构模型并对模型网络进行划分，设置沥青路面模型的边界条件，模拟获得典型夏季高温天气下沥青路面温度场及纵向温度梯度，实现方法如下：
[0047]
s101、使用anasys软件建立沥青道路结构模型，并进行网格划分，以获得较高质量和数量的网格。
[0048]
s102、对道路路面模型各个层位的物性参数进行定义，其中物性参数包括密度、比热容和导热率。
[0049]
s103、定义模型边界条件，进而模拟获得典型夏季高温天气下沥青路面温度场及纵向温度梯度。
[0050]
本实施例中，使用ansys fluent软件建立沥青道路结构模型，并进行网格划分，如图2所示。
[0051]
模拟获得典型夏季高温天气下沥青路面温度场及纵向温度梯度，其中沥青路面结
构示意图及网格划分如图2所示。对道路路面模型各个层位的物性参数进行定义，如表1。对模型的边界条件进行定义，主要包括对流换热和辐射换热，进而模拟获得典型夏季高温天气下沥青路面温度场及纵向温度梯度
[0052]
表1沥青混凝土材料热物性参数
[0053][0054]
s2、制备复合定形相变材料试样，使用热重分析法(tg)和差式扫描量热法(dsc)按照标准程序对已制备好的相变材料试样进行试验，以获取复合定形相变材料的热稳定性和相关热性能参数；
[0055]
本实施例中，复合定性相变材料选用peg/sio2，并且peg/sio2复合定性相变材料根据溶胶-凝胶法进行制备，其中sio2溶胶中sio2含量为30％，peg∶sio2的比值为7∶3。对各个分子量的复合定形相变材料进行tg试验和dsc试验，分别得到图3所示的热重分析曲线和图4所示的升温dsc曲线，以得到复合定形相变材料的热稳定性和相关热性能参数。
[0056]
s3、基于沥青路面温度场及复合定形相变材料的热性能参数，使用相变完成度和温度绝对差公式，计算不同分子量的相变材料在路面面层不同深处的相变完成度和温度绝对差，结合这两项指标筛选在沥青路面中各个层位拥有较高相变完成度和较小温度绝对差的复合定形相变材料，其实现方法如下：
[0057]
s301、根据公式计算相变完成度，确定相变材料在路面面层不同深度的相变完成度。
[0058]
s302、根据公式计算温度绝对差，确定相变材料在各个路面面层中点处温度绝对差。
[0059]
s303、根据相变完成度和温度绝对差，筛选在沥青路面中各个层位拥有较高相变完成度和较小温度绝对差的复合定形相变材料。
[0060]
在本实施例中，首先将复合定形相变材料的热稳定性和相关热性能参数与沥青路面温度场数据结合，接着通过相变完成度公式计算相变材料在该材料道路路面使用层位的相变完成度，得到图5所示的路面各面层中点处的peg/sio2相变完成度，然后通过温度绝对差公式t
ad
＝|t
peak-t
phase
|计算相变材料在各个路面面层中点处温度绝对差，得到图6所示的温度绝对差，从而得到分子量大小为8000、6000和4000的peg/sio2对面上面层的适配性较高，分子量大小为2000和1500的peg/sio2对路面中面层适配性较高，分子量大小为1500和1000的peg/sio2对路面下面层的适配性较高。
[0061]
s4、基于初步筛选的相变材料，确认相变沥青路面中相变材料使用层位，并结合复合相变沥青路面的物性参数，模拟道路路面降温幅度与深度关系曲线。
[0062]
本实施例中，选用peg/sio2相变材料分子量大小为6000，确认相变沥青路面中相变材料使用层位为上面层，模拟道路路面降温幅度与深度关系曲线，如图7。
[0063]
s5、基于降温道路路面降温幅度与深度关系曲线，获取相变材料使用层位沥青混凝土对路面面层降温贡献率，表征相变材料对路面各个层位的作用效果。
[0064]
本实施例中，结合降温道路路面降温幅度与深度关系曲线，通过降温贡献率计算公式和s
总
＝∑si，得到分子量为6000的相变材料使用在道路路面上面层对路面各个面层的降温贡献率分别为31.4％、39.3％和29.3％。由结果可知，当上面层掺加相变材料时中面层的降温贡献率最大，其次为上面层，下面层贡献率最低。

技术特征：

1.一种沥青路面用相变材料种类与使用层位的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、通过利用软件，模拟获得典型夏季高温天气下沥青路面温度场及纵向温度梯度；s2、使用热重分析法(tg)和差式扫描量热法(dsc)对相变材料试样进行试验，以获取复合定形相变材料的热稳定性和相关热性能参数；s3、基于沥青路面温度场及复合定形相变材料的热性能参数，使用相变完成度和温度绝对差公式，计算不同分子量的相变材料在路面面层不同深处的相变完成度和温度绝对差，结合这两项指标筛选在沥青路面中各个层位拥有较高相变完成度和较小温度绝对差的复合定形相变材料；s4、基于初步筛选的相变材料，确认相变沥青路面中相变材料使用层位，并结合复合相变沥青路面的物性参数，模拟道路路面降温幅度与深度关系曲线；s5、基于降温道路路面降温幅度与深度关系曲线，获取相变材料使用层位沥青混凝土对路面面层降温贡献率，表征相变材料对路面各个层位的作用效果。2.根据权利要求1所述的一种沥青路面用相变材料种类与使用层位的确定方法，其特征在于，所述步骤s3包括以下步骤：s301、根据公式计算相变完成度，确定相变材料在路面面层不同深度的相变完成度。s302、根据公式计算温度绝对差，确定相变材料在各个路面面层中点处温度绝对差。s303、根据相变完成度和温度绝对差两项指标，筛选在沥青路面中各个层位拥有较高相变完成度和较低温度绝对差的复合定形相变材料。3.根据权利要求2所述的一种沥青路面用相变材料种类与使用层位的确定方法，其特征在于，所述步骤s302中相变完成度公式表达式如下：其中，p
c
表示相变完成度，t
peak
表示沥青路面温度峰值，t
start
表示相变开始温度，t
end
表示相变结束温度。4.根据权利要求2所述的一种沥青路面用相变材料种类与使用层位的确定方法，其特征在于，所述步骤s303中温度绝对差公式表达式如下：t
ad
＝|t
peak-t
phase
|其中，t
ad
表示温度绝对差，t
peak
表示沥青路面温度峰值，t
phase
表示相变材料相变温度峰值。5.根据权利要求1所述的一种沥青路面用相变材料种类与使用层位的确定方法，其特征在于，所述步骤s5中相变贡献率公式表达式如下：s
总
＝∑s
i
其中，c
i
表示降温贡献率，s
i
表示对应层位降温幅度与横坐标轴包围面积，s
总
表示上、中、下面层对应的面积总和。

技术总结

本发明提供了一种沥青路面用相变材料种类与使用层位的确定方法，属于相变沥青路面领域，本发明通过结合沥青路面温度场及复合定形相变材料的热物性参数，计算相变材料的相变完成度和温度绝对差，对相变材料进行初步筛选，计算降温贡献率并且用降温贡献率表征相变材料对路面各个层位的作用效果。本发明提出的沥青路面用相变材料分子量与使用层位的确定方法，能够合理地对相变材料进行初步筛选，并且科学地向沥青路面层位掺加相变材料。科学地向沥青路面层位掺加相变材料。科学地向沥青路面层位掺加相变材料。