一种基于碳纤维横向传热的钢渣梯度热诱导路面结构

1.本发明涉及一种基于碳纤维横向传热的钢渣梯度热诱导路面结构，属于道路建设技术领域。


背景技术：

2.在夏季炎热的城市区域中，由于沥青路面成为主要的路面形式，其对热量吸聚能力强，且沥青热导率低，对热量的传导疏散能力弱，热量容易在路面内积聚，路表温度有时可高达70~80℃。这对城市环境产生了诸多不良影响，例如城市热导效应，不仅会影响人们的生活质量，还会造成大气污染、光污染以及酸雨等环境问题，并且路面高温还会对其本身的道路结构产生危害。在高温情况下，由于沥青路面粘弹性的特点，其抗剪切变形的能力会大大减弱，在车辆的反复碾压下会加速车辙的形成；沥青老化速度变快，降低了沥青的附着能力，加速沥青的脱落和集料的裸露，从而引发坑槽；沥青高温下软化、泛油，影响行车安全。
3.为了缓解城市道路的路面高温问题，从而减轻城市热岛效应及道路高温病害，目前国内外已经展开了许多缓解路面高温的技术研究，主要包括：1）通过改变路面材料的热物理参数，从而改变路面对热量的吸聚能力，减少路面的热量吸收；2）热反射技术，通过设置热反射涂层，增加路面表层对太阳辐射的反射能力，从而减少路面吸收的热量；3）大孔隙沥青混合料路面，通过增大路面的孔隙影响热量在路面内部热量传递连续性，降低路面的导热性能从而减小热量吸收；4）热诱导沥青路面技术，通过在沥青混合料中掺加具有高热导率/低热导率的材料，形成多层梯度热诱导沥青路面结构，诱导热量趋于加速向下传导，减少路面表层积聚的热量；5）通过相变热管路面、集热化能路面、储热路面及热电路面等功能型路面对路面内的热量进行转化、储存以减少热量积聚、降低路面温度。
4.上述研究都在一定程度上起到了缓解路面高温问题，但是也都存在一些缺陷和不足，例如：（1）通过改变材料的热物理参数及梯度热诱导的方法，由于受到沥青混合料级配和路用性能的限制，改变的幅度不大，且可能会对沥青路面的使用产生影响；（2）热反射技术虽然可以对太阳辐射进行反射，但反射的辐射可能会被周围建筑二次吸收、反射，无法估计其对城市热岛效应的作用；（3）大孔隙沥青混合料路面由于其孔隙较大，容易受到水和微小颗粒的侵入，从而对路面结构造成破坏，影响路面使用寿命；（4）其他功能型转化、储存热量的路面受到造价、施工等影响，无法大规模的推广使用。
5.综上所述，现有技术大都存在一些不足，对于路面高温问题的缓解存在一定的限制。因此设计一种路面结构诱导热量向下传递且路用性能有较好保障，并将路面内部的热量以其他方式辅助诱导出路面，这样不仅可以对热量进行疏通，缓解热量积聚和阻隔后二次反射的缺陷，还能减少路面内部总体热量，缓解夜间的热量向外释放问题，此结构对于缓解路面高温和城市热岛效应均具有一定积极作用。


技术实现要素：

6.技术问题：针对上述技术的不足之处，本发明提供了一种基于碳纤维横向传热的钢渣梯度热诱导路面结构，通过使用较为成熟的钢渣沥青路面结构形成热导率梯度增大的竖向热诱导上部结构，以及利用碳纤维轴向热导率大于径向热导率这一特性，将其横向植入沥青混合料试件中，形成横向热诱导的下部结构。上部结构通过使用钢渣替换不同比例的粗集料形成具有不同热导率的钢渣沥青混合料分层；下部结构则是通过将长束碳纤维固定制成碳纤维束，并横向植入普通沥青混合料试件中制成。该结构利用了钢渣沥青混合料的梯度结构，以及碳纤维本身特殊的热导率特质，形成了热量在竖向上趋向与向下诱导，再经横向碳纤维横向诱导加速热量侧向传递分散，可以同时起到降低路面表面温度、减少路面内部储热的作用，对于缓解城市热岛效应及路面高温问题具有重要的意义。
7.技术方案：一种基于碳纤维横向传热的钢渣梯度热诱导路面结构，包括上部梯度导热结构和下部横向散热结构，其中，上部梯度导热结构包括至少两层掺杂不同钢渣代替粗集料的沥青混合料，并且上一层热导率小于下一层热导率；下部横向散热结构为横向水平植入碳纤维的沥青混合料复合结构层。
8.作为优选，所述掺杂不同钢渣代替粗集料的沥青混合料的热导率大于普通沥青混合料的热导率。
9.作为优选，所述上部梯度导热结构包括三层掺杂不同钢渣代替粗集料的沥青混合料，从上到下分别为梯度导热分层一、梯度导热分层二和梯度导热分层三，梯度导热分层一中钢渣的掺杂量为粗集料的0%~30%；梯度导热分层二中钢渣的掺杂量为粗集料的30%~40%；梯度导热分层三中钢渣的掺杂量为粗集料的40%~50%，梯度导热分层一、梯度导热分层二和梯度导热分层三的厚度依次增大。
10.作为优选，所述粗集料的粒径为4.75mm~13.2mm，钢渣的粒径为4.75~13.2mm。
11.作为优选，所述碳纤维为轴向热导率远大于普通沥青混合料的长束碳纤维经裁剪后得到的碳纤维束，碳纤维轴/径向热导率比为10~15。
12.作为优选，所述下部结构中横向植入的碳纤维在沥青混合料复合结构层的侧向中心位置，并且碳纤维和沥青混合料界面处充分粘结，下部结构的整体厚度为50mm。
13.有益效果：相比于现有的技术，本发明具有如下特点和优势：（1）本发明借助较为成熟的钢渣沥青路面结构，有较多的实用案例作为路用支撑，可以更好的把握钢渣的掺量，应用其热导率的相关性质，既可以保证路面结构的可靠性，也能够形成“上小下大”梯度热导率结构，诱导热量趋向于路面下方传递，当热量趋于平衡后热量也更倾向于向下传导。
14.（2）本发明使用横向植入碳纤维的沥青混合料层作为下部结构，利用了碳纤维轴向热导率远大于其径向热导率这一热导率特性，诱导路面内部的热量向道路两侧进行传递，拓宽了路面内部热量诱导的思路和方向，且碳纤维本身柔性对沥青混合料的结构影响较小。
15.（3）本发明结合钢渣路面梯度热导率结构的竖向热诱导和碳纤维横向热诱导的双重作用，二者相互促进，竖向上的热量向下诱导有利于加强碳纤维对热量的汇聚疏散；碳纤维对周围热量的横向疏散作用减少了下部结构内部的热量，促使上部结构更进一步的向下传输热量。
16.（4）本发明使用满足集料要求的钢渣材料来改变沥青混合料的热导率，能够很好地与沥青混合料中的集料相互嵌挤，避免了掺加导热粉体可能对路面结构产生的性能降低和结构破坏等负面影响。
17.（5）本发明所使用的钢渣为工业废料，成本低，来源广，促进了钢渣二次利用，节约资源。
18.（6）本发明采用碳纤维将热量传输至路面两侧，缓解了一味将热量向下传递而加重的夜晚城市热岛效应，能够同时有效的缓解城市日间及夜晚的热岛效应。
附图说明
19.图1为本发明的复合热诱导路面结构示意图；图2为本发明实施例2室内模拟光照实验的示意图；图3为本发明实施例2在照射实验中温度随时间变化的曲线图，图（a）为0cm处加热4h的温度随时间变化曲线图；图（b）为2cm处加热4h的温度随时间变化曲线图；图（c）为5cm处加热4h的温度随时间变化曲线图；图（d）为10cm处加热4h的温度随时间变化曲线图。
20.图中：1.梯度导热分层一；2. 梯度导热分层二；3. 梯度导热分层三；4.碳纤维束；5.普通沥青；6.碘钨灯、7.支架、8.保温箱、9.温度巡检仪、10.试件；ⅰ.上部梯度导热结构；ⅱ.下部横向散热结构。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施例，对本发明方法进行详细说明。
22.本实施例中使用的钢渣为梅山钢渣处理有限公司的原厂钢渣，粒径为4.75mm~13.2mm，钢渣化学成分组成如下表1：表1 钢渣化学成分
23.碳纤维的参数，如下表2：表2 碳纤维的性能参数
24.普通沥青混合料：玄武岩粗集料和细集料、矿粉、sbs改性沥青。 ac-13。
25.实施例1一种基于碳纤维横向传热的钢渣梯度热诱导路面结构，如图1所示，该路面结构分为上部梯度导热结构ⅰ和下部横向散热结构ⅱ两个部分，上部梯度导热结构ⅰ为不同钢渣掺量下的三个钢渣沥青混合料分层结构组成，分别为梯度导热分层一1、梯度导热分层二2和
梯度导热分层三3，下部横向散热结构ⅱ为在普通沥青混合料中水平横向植入碳纤维束的组合结构。其中上部梯度导热结构ⅰ的三个分层梯度导热分层一1、梯度导热分层二2和梯度导热分层三3通过利用钢渣按不同比例替换普通沥青混合料中粗集料（4.75mm~13.2mm）部分制成，梯度导热分层一1厚度为1cm，钢渣掺量比例为20 wt%；梯度导热分层二2厚度为2cm，钢渣掺量比例为40 wt%；梯度导热分层三3厚度为3cm，钢渣掺量比例为50 wt%。下部横向散热结构ⅱ中碳纤维束位于结构的中心位置，碳纤维束直径为10mm，长度延伸至下部横向散热结构ⅱ边缘，下部横向散热结构ⅱ的厚度为50mm。下部横向散热结构ⅱ通过沥青混合料摊铺时在中心预留出10mm孔洞的方式插入碳纤维束，下部结构成型后，依次摊铺上部梯度导热结构ⅰ中的梯度导热分层一1、梯度导热分层二2和梯度导热分层三3分层结构。
26.实施例2同实施例1，区别在于，本实施例中一种基于碳纤维横向传热的钢渣梯度热诱导路面结构，上部梯度导热结构ⅰ的三个分层梯度导热分层一1、梯度导热分层二2和梯度导热分层三3通过利用钢渣按不同比例替换沥青混合料中粗集料（4.75mm~13.2mm）部分制成，梯度导热分层一1厚度为2cm，钢渣掺量比例为0%；梯度导热分层二2厚度为3cm，钢渣掺量比例为40%；梯度导热分层三3厚度为5cm，钢渣掺量比例为50%。下部横向散热结构ⅱ中碳纤维束位于结构的中心位置，碳纤维束直径为15mm，下部横向散热结构ⅱ的厚度为50mm。下部横向散热结构ⅱ在沥青混合料摊铺至一半厚度时植入碳纤维，而后摊铺另一半进行碾压成型后，依次摊铺碾压上部梯度导热结构ⅰ中的梯度导热分层一1、梯度导热分层二2和梯度导热分层三3分层结构。
27.为了验证该结构的有效性，通过搭建室内照射实验，测量输出了该路面结构和普通路面在0cm、2cm、5cm及10cm深度处4小时内的温度变化，室内照射实验装置见图2，具体的实验步骤如下：（1）装配试验装置：将实验组和对照组试件10一左一右装入底部具有隔热板的保温箱8（侧面为聚苯乙烯泡沫板，顶部敞开用于接收热源），并将感温电偶在试件相应位置固定好；（2）确定初始温度：调试碘钨灯6与两组试件的表面垂直距离均为45cm（碘钨灯6通过支架7固定位置），确保碘钨灯6光照均匀照射在热源接收面，使用红外测温仪和温度巡检仪9分别测试需要测试的各点位温度，每组测试4次，取平均值作为各点位的平均温度控制在25℃；（3）光照实验：开启碘钨灯6，温度巡检仪9每15分钟输出一次试件内部和底部的温度，并使用红外测温仪测得对应时间点试件表面的温度。
28.照射结果曲线见图3。可以看出这种结构较普通路面在上部结构形成的有效的梯度热诱导，加速热量向下传递，在吸热期起到了降低路面内部温度的作用。在0cm、2cm、5cm和10cm的位置温度分别降低了1.2℃、1.3℃、1.1℃、0.1℃，并且下部碳纤维散热结构可以有效的将路面内部热量疏散至路面外，使得下传的热量被疏散，不会造成下方温度大幅升高。
29.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。但本发明不受上述实例的限制，上述实例仅为基于此原理选用的常规结构，并不用是本发明专利的保护准则，凡是在本发明的精神和原则内所做的修改及改进均应在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于碳纤维横向传热的钢渣梯度热诱导路面结构，其特征在于，包括上部梯度导热结构和下部横向散热结构，其中，上部梯度导热结构包括至少两层掺杂不同钢渣代替粗集料的沥青混合料，并且上一层热导率小于下一层热导率；下部横向散热结构为横向水平植入碳纤维的沥青混合料复合结构层。2.根据权利要求1所述的一种基于碳纤维横向传热的钢渣梯度热诱导路面结构，其特征在于，所述掺杂不同钢渣代替粗集料的沥青混合料的热导率大于普通沥青混合料的热导率。3.根据权利要求1所述的一种基于碳纤维横向传热的钢渣梯度热诱导路面结构，其特征在于，所述上部梯度导热结构包括三层掺杂不同钢渣代替粗集料的沥青混合料，从上到下分别为梯度导热分层一、梯度导热分层二和梯度导热分层三，梯度导热分层一中钢渣的掺杂量为粗集料的0%~30%；梯度导热分层二中钢渣的掺杂量为粗集料的30%~40%；梯度导热分层三中钢渣的掺杂量为粗集料的40%~50%，梯度导热分层一、梯度导热分层二和梯度导热分层三的厚度依次增大。4.根据权利要求3所述的一种基于碳纤维横向传热的钢渣梯度热诱导路面结构，其特征在于，所述粗集料的粒径为4.75mm~13.2mm，钢渣的粒径为4.75~13.2mm。5.根据权利要求1所述的一种基于碳纤维横向传热的钢渣梯度热诱导路面结构，其特征在于，所述碳纤维为轴向热导率远大于普通沥青混合料的长束碳纤维经裁剪后得到的碳纤维束，碳纤维轴/径向热导率比为10~15。6.根据权利要求1所述的一种基于碳纤维横向传热的钢渣梯度热诱导路面结构，其特征在于，所述下部结构中横向植入的碳纤维在沥青混合料复合结构层的侧向中心位置，并且碳纤维和沥青混合料界面处充分粘结，下部结构的整体厚度为50mm。

技术总结
一种基于碳纤维横向传热的钢渣梯度热诱导路面结构，属于道路建设技术领域。包括上部梯度导热结构和下部横向散热结构，其中，上部梯度导热结构包括至少两层掺杂不同钢渣代替粗集料的沥青混合料，并且上一层热导率小于下一层热导率；下部横向散热结构为横向水平植入碳纤维的沥青混合料复合结构层。本发明可以在保证路面路用性能的前提下将不同钢渣路面结构层形成梯度结构进行热量诱导，将碳纤维横向铺设在沥青路面结构内，加速路面内积热向下和两侧释放，可以起到缓解沥青路面内积热导致的路面高温问题和沥青路面病害，对于城市环境保护、道路建设具有重要的意义。道路建设具有重要的意义。道路建设具有重要的意义。


技术研发人员：王声乐 芮丁伟
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/7/20