自散热型沥青混合料红外辐射机理及其性能强化方法研究

沥青混凝土路面热容量高，是城市热岛效应最主要的热源之一。利用大气对3-5μm、8-14μm波段内的红外辐射吸收少的原理，项目组成功制备出了能将热量以红外线形式辐射到大气外层的混合料，其常规路用性能有所提高，表面温度可降低3-4℃，这是一种全新的自散热路面材料。本项目是对这种新材料的基础研究，主要内容有：（1）测量自散热型沥青混合料内部、表面及近表周围的温度，分析热量在其内部的传递转换过程，讨论红外粉对混合料热蓄积的影响，建立温度场模型。（2）观察红外粉与沥青的界面特性，分析吸收能量波的分布和出射度随波长的变化，讨论红外粉体晶格结构和晶格参数对热量吸收和辐射率的影响，揭示黑体裹覆下红外粉体辐射机理。（3）分析混合料内部温度场特征和红外粉晶格空位和畸变对辐射性能的影响，探寻提高深层红外粉体热辐射的途径。项目可实现混合料表面温度降低6-9℃，对缓解城市热岛效应和减少路面高温病害都具有重要意义。

沥青混合料路面热容量高，是城市热岛效应最主要的热源之一。自散热型沥青混合料路面可以利用大气红外窗口进行热辐射散热，降低城市下垫面热蓄积量。项目是对该技术的基础性研究，考察了自散热型沥青混合料的热辐射性能和路用性能；对混合料内部及近表温度场进行了模拟分析；通过揭示黑体裹覆下红外粉的热辐射过程与机理，探寻了强化热辐射性能的途径。.自散热型沥青混合料的降温性能和路用性能试验表明，红外粉体掺量越高，试件表面温度越低，但降温速率减小，最多可降低8.02℃。与不掺红外粉试件相比，热辐射型沥青混合料的高温、低温和水稳定性能均有所改善，马歇尔稳定度提高了12.2%，残留稳定度高达98.9%，低温劈裂抗拉强度提高了21.3%。.通过对混合料内部温度场开展研究，建立了三维非稳态导热模型，包括试件内部节点计算公式、边界节点计算公式和稳定条件公式。试验验证表明红外粉掺量为12%的沥青试件升温时表层与底层的温差比普通试件低5.21℃，红外射线可以加快内部的热量传递，并降低内部的热蓄积量。近表温度场的试验研究发现，相等温度下6%和12%粉体掺量下的两种试件上空各个高度的温度均有所下降。路面上空的温度变化趋势随离地高度的递增而变缓。并通过理论研究，确定了沥青路面近表温度场的模型，并建立了平衡方程式。.分析了黑体裹覆下红外粉的热辐射机理，建立了自散热型沥青路面的热量平衡方程。分析表明，红外粉体通过影响试件表面吸收率、长波发射率及比热容来降低混合料试件温度；随着粉体掺量增高,红外发射率增幅为11.25%；同时试件达到平衡状态接受的太阳总辐射热量、蓄积、对流及热传导的总热量逐渐越少，蓄积的热量占总太阳辐射能量的15%～18%，辐射、对流和导热分别占接受的太阳辐射照度总热量的2%～6%、23%～26%和46%～54%。.研究了粒径、成分对混合料辐射性能强化的影响，结果表明，过渡金属氧化物的掺入可有效提高CM型粉体的红外发射率，在微米级范围内，粉体粒度越细，红外发射率越高。以最佳原料配比和烧结工艺制备的800目CM-β型粉体在常温下8~14μm波段的法向发射率达到0.934，相比原粉提高0.044。与强化前粉体制备的混合料试件相比，其平衡温度进一步降低4℃。.项目的研究揭示了自散热型沥青的热辐射机理，以及强化的途径和手段，建立了内部和近表、近地层的温度分布公式及能量方程，为其进一步的应用建立了理论基础。