导热沥青混凝土路面太阳能集热及融雪化冰研究

【摘要】：黑色沥青路面具有很强的吸收太阳能的能力,利用沥青路面吸收太阳能成为了一项新型的能源利用技术；此外,在低温冰雪天气中,用夏季收集并储存的热量来给建筑物供暖制冷和加热道路进行融雪化冰,实现热量的跨季节应用。因此,该技术不仅可以大大缓解我国能源紧张并提高道路交通的安全畅通,而且还可以有效降低路面温度和缓解城市热岛效应,减轻夏季高温天气中车辙、推移、泛油等病害的产生。沥青道面换热器是实现太阳能集热和融雪过程的关键构造体,在实现并提高集热和融雪功能之前必须保证道路本身的功能和路用性能。 本文首先提出了集热和融雪化冰沥青道路的结构形式,对集热和融雪用沥青路面建筑材料进行了设计和制备,包括复合导热相填料制备导热沥青胶浆和导热沥青混凝土、利用页岩陶粒制备隔热层沥青混凝土等。对沥青路面建筑材料的力学性能进行了系统试验和优化研究,评价导热相填料对沥青胶浆和沥青混凝土性能的影响,检验了页岩陶粒沥青混凝土的路用性能。结果表明针对导热沥青混凝土的路用性能,宜采用石墨作为导热相填料,但需要控制掺量。 第二,基于传热学和气象学的基本原理,分析沥青路面太阳能集热及融雪的传热机理和热工过程,解析影响沥青路面集热和融雪的路面材料、结构特性和环境气候条件等基本概念,界定影响沥青混凝土路面换热的关键参数。对复合材料的各种导热模型进行归纳和总结,采用瞬态平板热源法精确测量沥青胶浆及沥青混凝土的热学参数,确定了导热沥青胶浆和沥青混凝土的导热机理,提出适合导热沥青胶浆和沥青混凝土导热系数的计算预估模型。 第三,由于沥青路面太阳能集热和流体加热路面融雪化冰会改变沥青路面温度变化规律,给沥青路面带来额外的水温耦合冲击。在设定的冻融条件下进行多次冻融循环试验,研究导热沥青混凝土性能的变化规律,评价导热沥青混凝土耐水温耦合冲击的性能；模拟路面结构制备了组合式车辙板采用结构自诊断的方法评价温度的重复变化对混凝土性能及路面功能的影响；提出了适合导热沥青混凝土抗水温耦合冲击的检测方法和指标。 第四,参考相关国标并结合沥青混凝土制备和成型的实际情况对混凝土太阳能集热和融雪的室内试验装置进行设计,包括试验数据采集处理系统、温度流量测控系统、辐照度测量控制系统三大部分。建立了一个沥青混凝土换热大板来模拟路面的融雪,利用低温流体加热沥青路面在冰雪天气中进行融雪研究,主要通过实验测量融雪率、基本特征点的温度变化、融化时间以及表面温度场等数据,讨论实际道路管道融雪化冰的热工特性和融化规律,对融雪过程进行性能评价。虽然换热工质温度为25℃时,融雪时间长,但是仍然可以应用于道路的融雪化冰；提高换热工质的温度可以有效地降低融雪的时间,但从有效利用工业低温余热、地热和降低热量损失角度出发,在实际应用过程中没有必要一味地增大换热工质的温度。融雪过程中路表无雪率和管道与管道之间区域的升温过程可以分为四个阶段：初始期、线性期(稳定期)、加速期和后加速期；导热沥青混凝土可以明显加速融雪的速度,使融雪的时间降低30%以上,并且能有效提高沥青路面的换热效率和融雪的效率。 第五,通过集热试验验证了试验装置和方法能模拟集热条件,同时可进行沥青混凝土试块进行温度场测试；测试结果的精度满足室内可控条件下对沥青混凝土太阳能集热性能评价的要求。根据沥青路面所处的实际气候条件,借助实验装置模拟气候条件在室内对路面温度场进行测量；获得沥青路面温度的变化过程、温度的垂直分布、温度变化速率以及温度梯度等结果,分析结果表明导热沥青混凝土对路面温度场有很大影响,路面埋管的最佳深度为2.5cm～5cm。 在室内和大气环境中利用沥青混凝土换热板进行太阳能集热试验,测量集热器内部温度的变化过程；评价不同流量对降低路面温度的效果以及路面初始温度对路面升温过程的影响。结果表明了沥青混凝土路面太阳能集热技术可以较大幅度地降低路面温度；随着流量的提高,路面表面温度呈线性关系降低,出口水温下降而单位面积集热量逐渐增加,集热效率增大。在室内持续辐照条件下导热沥青混凝土集热效率达37.5%-47.7%；换热管道间距为30cm,在自然辐照环境中导热沥青混凝土的全天平均集热效率仍相对于普通沥青混凝土可达29.7%。 【关键词】：道路工程 路面结构与材料 导热沥青混凝土 太阳能集热 融雪化冰 室内外试验
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK51;U416.217
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第1章 绪论14-43
• 1.1 课题研究背景及意义14-17
• 1.1.1 研究背景和存在的问题14-15
• 1.1.2 研究目的及意义15-17
• 1.2 道路融雪化冰研究现状17-26
• 1.2.1 道路融雪化冰技术分类与简介17-21
• 1.2.2 流体加热道路融雪技术21-26
• 1.3 沥青路面太阳能集热研究现状26-32
• 1.3.1 沥青混凝土路面太阳能集热技术26-31
• 1.3.2 沥青混凝土的集热性能31-32
• 1.4 导热沥青混凝土研究现状32-40
• 1.4.1 传导型沥青混凝土32-34
• 1.4.2 沥青混凝土抗水温冲击性能34-35
• 1.4.3 沥青混凝土热学参数35-37
• 1.4.4 沥青路面温度场37-40
• 1.6 本文研究的主要内容及方法40-43
• 第2章 集热及融雪化冰沥青路面材料的制备与路用性能研究43-82
• 2.1 原材料与组成设计43-52
• 2.1.1 原材料43-47
• 2.1.2 材料组成设计47-52
• 2.2 导热沥青胶浆路用性能研究52-72
• 2.2.1 试样的制备53-54
• 2.2.2 导热沥青胶浆的基本性能54-58
• 2.2.3 导热沥青胶浆的温度敏感性58-62
• 2.2.4 石墨与沥青的相容性62-63
• 2.2.5 导热沥青胶浆的流变性能63-72
• 2.3 导热沥青混凝土路用性能研究72-79
• 2.3.1 导热沥青混合料的制备72-73
• 2.3.2 马歇尔试验73-74
• 2.3.3 水稳定性试验74-76
• 2.3.4 高温稳定性试验76-77
• 2.3.5 间接拉伸疲劳试验77-79
• 2.4 隔热层材料路用性能检验79-80
• 2.4.1 稀浆封层79
• 2.4.2 陶粒沥青混凝土79-80
• 2.5 本章小结80-82
• 第3章 集热及融雪化冰沥青路面传热机理和材料热物性研究82-135
• 3.1 集热及融雪化冰沥青路面传热机理分析(热常数、光热、储热82-102
• 3.1.1 传热的基本模式82-87
• 3.1.2 集热及融雪沥青路面热平衡分析87-93
• 3.1.3 集热及融雪化冰有关的影响因素93-102
• 3.2 路面材料热物性的测量102-109
• 3.2.1 瞬态平板热源法的测量原理102-105
• 3.2.2 沥青胶浆试样的制备与测试105-107
• 3.2.3 沥青混凝土试样的制备与测试107-109
• 3.3 导热沥青胶浆热物性109-119
• 3.3.1 导热沥青胶浆热常数的试验结果分析109-114
• 3.3.2 沥青胶浆导热系数的理论推算114-119
• 3.4 导热沥青混凝土热物性119-131
• 3.4.1 沥青混凝土热常数的试验结果分析119-127
• 3.4.2 沥青混凝土导热系数的理论推算127-131
• 3.5 隔热层材料热物性131-132
• 3.6 本章小结132-135
• 第4章 导热沥青混凝土抗水温冲击性能研究135-154
• 4.1 原材料和试验方法135-139
• 4.1.1 原材料及常规试样的制备135-136
• 4.1.2 试验与评价方法136-139
• 4.2 冻融对沥青混凝土体积性能的影响139-144
• 4.2.1 冻融过程中的空隙率变化139-142
• 4.2.2 冻融过程中的质量变化142-144
• 4.3 冻融对劈裂强度的影响144-148
• 4.3.1 冻融对沥青混凝土劈裂强度的影响145-147
• 4.3.2 初始空隙率对劈裂强度的影响147-148
• 4.4 温度冲击对导热沥青混凝土路面功能的影响148-153
• 4.4.1 温度对导热性能的影响149-151
• 4.4.2 隔热层隔热效果对比151-153
• 4.5 本章小结153-154
• 第5章 沥青路面流体加热融雪化冰试验研究154-177
• 5.1 混凝土太阳能集热及融雪试验装置设计154-161
• 5.1.1 试验装置的主要构成154-160
• 5.1.2 试验装置的测量与控制160-161
• 5.2 试验大板的制备与试验方法161-165
• 5.2.1 试验大板的制备161-163
• 5.2.2 试验的方法与试验的条件163-165
• 5.3 流体加热沥青路面融雪效果研究165-174
• 5.3.1 典型的流体加热沥青路面融雪过程165-167
• 5.3.2 导热沥青混凝土路面的融雪性能167-170
• 5.3.3 融雪对沥青路面温度场的影响170-173
• 5.3.4 流体加热沥青路面的融雪效率173-174
• 5.4 沥青路面换热器的维修与养护174-175
• 5.4.1 破损点的探测174
• 5.4.2 维修方法174-175
• 5.5 本章小结175-177
• 第6章 沥青路面太阳能集热试验研究177-202
• 6.1 导热填料对沥青混凝土路面温度场影响的试验研究177-185
• 6.1.1 试样的制备及试验方法177-180
• 6.1.2 导热沥青混凝土对路面温度分布的影响180-182
• 6.1.3 导热沥青混凝土对路面温度变化速率的影响182-184
• 6.1.4 导热沥青混凝土对路面温度梯度的影响184-185
• 6.2 集热对沥青混凝土路面温度场影响的试验研究185-191
• 6.2.1 试样的制备及集热试验方法185-187
• 6.2.2 循环水对试板内部温度的影响187-188
• 6.2.3 流量对试板内部温度的影响188-190
• 6.2.4 初始温度对试板内部温度的影响190-191
• 6.4 室内小板集热性能的试验研究191-195
• 6.4.1 典型的沥青混凝土集热试验过程191-194
• 6.4.2 流量对集热性能的影响194
• 6.4.3 流量对集热量的影响194-195
• 6.5 室外集热性能的试验研究195-200
• 6.5.1 大气环境中试板内部的温度分布196-198
• 6.5.2 室外大板的集热性能198-200
• 6.6 本章小结200-202
• 第7章 结论与展望202-208
• 7.1 主要研究结论202-206
• 7.2 展望206-208
• 参考文献208-222
• 攻读博士学位期间取得的研究成果222-224
• 致谢224

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