路面材料比热容试验优化分析 [PDF全文]
(1南京林业大学土木工程学院, 南京 210037)

为提高ASTM试验方法测试路面材料比热容的精确度,设计了一种基于智能数据采集系统的路面材料比热容测试方法——改进圆柱体试样法.采用ASTM法和改进圆柱体试样法对标准黄铜试件的比热容进行对比研究,并基于改进圆柱体试样法对美国4个州的路面材料比热容进行测试.试验结果表明,改进圆柱体试样法的试验时间较ASTM法减少10 min,多次重复试验结果的标准差仅为ASTM法的1/2,A类不确定度和相对误差也低于ASTM法,试验结果可信度较高.

Optimization analysis of specific heat capacity tests on pavement materials
Geng Wei1,2,Ren Haisheng3,Qian Zhendong3
(1College of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)(2School of Road, Bridge and Harbor Engineering, Nanjing Vocational Institute of Transport Technology, Nanjing 211188, China)(3Intelligent Transportation System Research Center, Southeast University, Nanjing 211189, China)

To improve the accuracy of the specific heat capacity of pavement materials using testing procedure of American Society for Testing and Materials(ASTM), a testing method for the specific heat capacity of pavement materials based on an intelligent data acquisition system, the improved cylindrical sample geometry testing method, was proposed. The specific heat capacities of electrolytic copper using as a specific heat standard were measured by the ASTM testing method and the improved cylindrical sample geometry testing method, respectively. The specific heat capacities of pavement materials from four states in USA were also studied by the proposed method. The results show that the test time of the optimization testing method is 10 minutes shorter than that of the ASTM testing method. The standard deviation of the repeated testing results of the optimization testing is only half of that of the ASTM testing. The type A uncertainty and the relative error of test results of the optimization testing are also lower than that of the ASTM testing method. The optimization testing method has high reliability.

引言

环境温度的变化可直接影响道路的路用性能,而道路材料的热性能直接决定其在外界温度不断变化下的道路服务性能. 材料的热性能对路面材料的选择和设计、施工技术和修复周期、城市气候研究等至关重要. 国外已有研究表明[1-2],路用材料热性能的相关参数,特别是导热系数和比热容,是检验或预测路面热状况的重要材料参数. 其中,比热容是指均相物质在没有发生相变化和化学变化条件下每升高1 ℃所需的热量,可用于评价路面层瞬态热流的热学性能[3]. 文献[4-6]提出了基于比热容等材料热性能参数的模型,并用于预测路面降温速率.文献[7]中的气候条件增强模型(EICM)已被用于预测路面的开裂、车辙、错台和平整度等状况. 美国国家合作公路研究计划(NCHRP)[8]建议将比热容、热导系数等热性能参数作为路面材料性能的输入参数. 文献[9-10]指出,选择具有适当热性能的路面材料可以有效解决城市热岛效应(UHI)问题,而比热容和导热系数是最直接表征路面材料热性能的物理参数[11]. 目前,对于路面材料的比热容测定,大多采用ASTM C 351—1992b规范[12]中的方法(ASTM法).该试验方法主要用于测定匀质小体积试样,不适合用于体积大、组分复杂的路面材料,且试验过程受人为影响较大,导致试验结果误差大.

本文以文献[13]开发的圆柱体试样法为基础,设计了一种适用于路面大体积试样的比热容测试方法——改进圆柱体试样法.将已知比热容的标准黄铜试件作为试验对象,分别采用改进圆柱体试样法和ASTM法测试试件的比热容.基于改进圆柱体试样法,比较美国4个州路面材料的比热容,验证了改进圆柱体试样法的精确性.

1 改进圆柱体试样法

对于质量小于20 mg的固体或者液体,参考ASTM E1269-11规范[14],在惰性气体保护条件下采用DSC设备对试样进行加热,通过对比试样和标准物的DSC热曲线,可计算出样品的比热容; 而对于大型重体积试件,则采用ASTM法测试试样的比热容,比热容测定仪如图1(a)所示. 试验中,向杜瓦瓶中的样品浇筑定量热水,通过测定样品胶囊的稳定温度,可计算出样品的比热容. 对于道路用沥青混凝土和水泥混凝土,其本身组分较为复杂,在测定这类试样的比热容时应取大体积试件以提高试验结果的准确性,而ASTM法的样品容量较小,因此不适用于测试路面混凝土材料的比热容.此外,ASTM法试验中,热水从上部加热器流入下部杜瓦瓶的过程中易存在较大温度损失,且温度变化值也是人为读取,易导致试验结果误差较大.

本文提出了一种基于智能数据采集系统的改进圆柱体试样法来测试路面材料比热容(见图1(b)).图中,F1~F7为放置在不同位置的温度传感器. 与ASTM法相比,所提方法主要从以下4个方面进行了改进:①采用更大的热交换隔热容器(直径15 cm,高30 cm),以确保试验中热水与试件进行热交换时两者体积等量.②在容器上部安装智能搅拌系统,可保证试验过程中热水保持循环,容器的上、下部水温差较小.该搅拌系统由低导热系数的塑料材质制成,减少了试验中的热损失.搅拌棒转速可根据实际情况进行调整.③采用与容器高度一致的塑料棒固定水中的温度传感器,保证传感器不与容器以及试件直接接触.④在容器的上、中、下以及试件内部布置多个温度传感器,实时智能读取水温和试件温度,确保温度值读取的准确性.温度直接由传感器读取传输到电脑保存,整个热交换过程可在20 min内完成.

图1 比热容测定仪示意图

图1 比热容测定仪示意图

2 试验

现场钻取直径10 cm、高13 cm的试件,并将试件两端打磨光滑. 在完全干燥、干净状态下从一端圆心位置沿纵向钻一个直径为1 cm的通心孔,称取其质量记做MS. 采用橡胶固定带将传感器F4和F5固定在试件圆柱表面,传感器F6固定于通心孔内距孔底2.5 cm处,传感器F7固定于通心孔内距孔顶2.5 cm处. 在容器顶部切一个宽0.5 cm、深2.5 cm的凹槽,便于传感器F1~F7导线穿出. 在容器盖的中心位置钻一个直径1 cm的圆孔用于安装搅拌器.容器底部安装一个直径6 cm、高3.5 cm的多孔塑料架,用于将试件抬离容器底部,保证试验中水能够在容器中循环. 将传感器F1~F3捆绑在塑料棒上,以读取容器内不同高度位置的水温.其中,传感器F1位于容器底部上方1 cm处,传感器F2位于容器的中部位置,传感器F3固定于水面下方2 cm处. 制作一个与容器外径相同的绝缘片(聚苯乙烯泡沫塑料)放在容器底部,减少热量通过底部的散失.容器内表面标记水位线,以确保试验期间不会有水溢出.搅拌棒上标记固定位置,使搅拌棒可自由旋转且有足够的搅拌深度,同时不接触试件或传感器.

试验步骤如下:

①室温下称取试验用水,质量记为Mw,倒入容器中. 3 min后记录传感器F1~F3的平均值,并将其作为稳定水温Tw.

②将试件放入50 ℃烘箱中保温12 h, 记录传感器F4~F7的平均值,并将其作为稳定试件温度Ts.

③快速将试件从烘箱转移到容器中,确保试件稳定放置在容器中心位置的塑料底架上,试件不与容器内壁接触.

④将搅拌棒穿过容器盖,安装至标记位置,并采用电胶带进行密封处理.打开搅拌棒设备,调整到合适的搅拌速度.

⑤采用海绵泡沫和塑料包装纸包裹容器,以减少试验热量损失.

⑥当传感器F1~F7读数达到平衡稳定状态时,记录平均温度Tm.

3 比热容计算

根据ASTM C 351—1992b规范[12]推导出改进圆柱体试样法的比热容计算公式为

Cp,s=(MwCwΔTw)/(MsΔTs)(1)

式中,Cs为试件比热容,kJ/(kg·℃); Cw为水比热容,kJ/(kg·℃),本文取4.2 kJ/(kg·℃); Ts为试验开始F4~F7稳定读数的平均值,℃; ΔTw为Tm和Tw的温度差,℃; ΔTs为Ts和Tm的温度差,℃.

通过测定未放置试件时容器中水的温度变化规律可知,水温在4 h内由38.3 ℃下降到35.5 ℃(见图2).整个试验可在20 min内完成,试验期间水温减少0.3 ℃,热损失可忽略不计,无需进行温度修正.

图2 不含试件的改进比热容测定仪内水温度变化曲线

图2 不含试件的改进比热容测定仪内水温度变化曲线

4 比热容测定

采用改进圆柱体试样法和ASTM法分别对比热容为0.375 kJ/(kg·℃)的标准黄铜试件(编号B1~B8)进行多次重复测定,结果见表1.由表可知,采用改进圆柱体试样法的比热容测定试验可在20 min内完成,较ASTM法减少了10 min,表明其试验过程中的热量损失减少,试验误差降低.对比2种试验方法的多次重复试验结果可知,改进圆柱体试样法试验结果的标准差仅为ASTM法的1/2,表明其多次重复的试验结果离散程度低.改进圆柱体试样法试验结果的A类不确定度低于ASTM法,不确定因素小.此外,改进圆柱体试样法试验结果的相对误差也得到显著改善. 综上可知,相对于ASTM法,基于智能数据采集系统的改进圆柱体试样法的试验时间减少,试验受人为和设备的因素影响降低,试验结果误差率降低,比热容更接近真实值,多次重复试验的离散性降低,试验结果的可靠性提高.

表1 2种方法测试标准黄铜比热容结果对比

表1 2种方法测试标准黄铜比热容结果对比

5 路面混凝土材料比热容分析

对密西西比州的热拌沥青混凝土路面和普通水泥混凝土路面分别钻取5个芯样(编号M1~M5),采用改进圆柱体试样法对不同芯样进行比热容测试,试验过程中各温度传感器温度变化见图3,测试结果见表2. 然后,对密苏里州、得克萨斯州以及南卡罗莱那州的不同混凝土路面进行比热容测试,各州的比热容标准差见图4.

图3可知,由于普通水泥混凝土的导热系数较高,相对于热拌沥青混凝土(稳定时间为17 min,稳定温度为27.1 ℃),水泥混凝土(稳定时间

图3 密西西比州路面混凝土试件各传感器温度变化曲线

图3 密西西比州路面混凝土试件各传感器温度变化曲线

表2 密西西比州路面混凝土试件比热容测试结果

表2 密西西比州路面混凝土试件比热容测试结果

图4 不同地区水泥混凝土和沥青混凝土比热容标准差对比

图4 不同地区水泥混凝土和沥青混凝土比热容标准差对比

为12 min,稳定温度为27.4 ℃)与水进行热量交换的速度更快,达到稳定温度的时间更短,表明采用改进圆柱体试样法进行比热容试验用时少.普通水泥混凝土组试验中水上升的温度高于热拌沥青混凝土组,表明普通水泥混凝土的比热容大于热拌沥青混凝土,由表2计算2种试样的比热容结果也可得到验证. 此外,热拌沥青混凝土组试件的比热容标准差(0.022)高于普通水泥混凝土组(0.013),这主要是由于热拌沥青混凝土不仅组分复杂,而且各组分的化学物质相差较大,导致了试验结果离散性相较于普通水泥混凝土更大; 由图4比较3个不同州的热拌沥青混凝土路面和普通水泥混凝土路面的比热容标准差进一步验证水泥混凝土材料的比热容测定结果离散性较低; 但与ASTM试验方法结果相比[1,15],采用改进圆柱体试样法测定4个州混凝土材料的比热容标准差均较低,说明改进圆柱体试样法的试验结果可靠性更高.

6 结论

1)测试已知比热容值的标准黄铜试件可知,相比于ASTM法,改进圆柱体试样法的试验时间减少,可在20 min内完成,且其测试结果的标准差、A类不确定度以及相对误差均较低,试验受人为和设备的因素影响降低,比热容更接近真实值,试验多次重复结果的离散性低,试验结果的可靠性提高.

2)相对于热拌沥青混凝土,普通水泥混凝土的导热系数和比热容更高.由于热拌沥青混凝土各组分间的化学物质相差较大,比热容多次测试结果离散性较普通水泥混凝土高.

3)比较美国4个州路面材料的比热容测试结果可知,改进圆柱体试样法的试验用时减少,试验方法更科学,试验结果可信度更高.

4)试验结果与路面材料性能的相关性仍需进一步研究,如何降低试件从烘箱转移到容器水中的热损失也有待进一步改进.

参考文献