Задать вопрос
+7-932-129-43-76
+7-932-129-48-92
Задать вопрос
Быстро и надежно

Теплопроводность асфальтобетона (асфальта)

Теплопроводность характеризует способность материала передавать тепло от его горячих частей к более холодным.

Этот показатель не нормируется для асфальтобетона и далеко не всегда учитывается при производстве асфальтобетонных смесей (АБС). Но это немаловажный фактор. Он влияет как на долговечность покрытия, так и на его эксплуатационные свойства.

Другое свойство, которое тесно связано с теплопроводностью – это температуропроводность. Оно характеризует, насколько быстро уравниваются значения температуры в разных слоях покрытия. Этот показатель вычисляется как отношение теплопроводности материала к его объемной теплоемкости и выражается в м2/с.


В этой статье мы рассмотрим такие вопросы:

  • Как теплопроводность асфальта влияет на его качества
  • От чего зависит теплопроводность асфальтобетона
  • Как определяется теплопроводность асфальтобетона
  • Какие значения теплопроводности имеют разные виды асфальтобетона

Эта информация будет актуальна как для обычных потребителей асфальтовой продукции, так и для студентов технических вузов и факультетов.

Асфальтовое покрытие

Как теплопроводность асфальта влияет на его качества

Есть такие характеристики, которые можно однозначно поделить на «положительные» и «отрицательные». Например, высокая прочность для асфальта – это хорошо, а высокое водонасыщение (способность поглощать влагу) – плохо.

С теплопроводностью дела обстоят сложнее. И у высоких, и у низких показателей здесь есть свои преимущества.

Теплопроводный асфальт имеет такие плюсы:

  • Снижение образования температурных трещин
    При нагревании асфальтобетон расширяется, а с понижением температуры – сжимается. Если материал имеет низкую теплопроводность, то температура в нем распределяется неравномерно. Более горячий (или холодный) поверхностный слой изменяет форму быстрее, чем нижние. В результате появляются температурные напряжения, которые и приводят к растрескиванию.
  • Более эффективный подогрев асфальта
    В ряде стран (Финляндии, Японии, США, Канаде, Норвегии и других) строятся дороги и тротуары со встроенными системами нагрева. Они призваны бороться со снегом и гололедом без применения реагентов, которые наносят вред окружающей среде. При этом асфальт с высокой теплопроводностью нагревается быстрее и равномернее, что позволяет сократить затраты на электроэнергию. В России таких систем пока нет, но предложения по их обустройству периодически выдвигаются.
  • Возможность получения экологически чистой тепловой энергии
    Если зимой асфальт нужно греть, то летом, наоборот, его можно использовать в качестве источника тепла. Ведь температура покрытий в жаркий солнечный день может достигать 70-80°C. Если проложить водопроводные трубы в толще асфальта с хорошей теплопроводностью, то на выходе можно получить достаточно теплую (пусть и не горячую) воду. И все это без образования вредных выхлопных газов и отходов.

Последние два пункта – скорее теоретические в условиях России. Хотя в странах Северной Америки, Европы и в Японии такие инновации уже либо используются, либо активно исследуются. А вот проблема трещинообразования у нас стоит очень остро.

Впрочем, у асфальтобетона с низкой теплопроводностью есть один, но очень весомый плюс. Это его теплоизоляционные свойства.

Почему это важно? Дело в том, что на территории России часто встречаются грунты плохого качества – глинистые, суглинистые, переувлажненные. При замерзании они разбухают и деформируют дорожное полотно. Такое явление называют морозным пучением.

В природе землю от чрезмерного промерзания защищает слой снега. Но, в соответствии с нормативами, дороги (особенно крупные) зимой должны чиститься до асфальта. Это значит, что земляное полотно под ними сильно промерзает. В таких случаях защитную функцию берет на себя асфальт с низкой теплопроводностью, а также разные теплоизоляционные материалы, которые укладываются под верхние слои покрытия.

Давайте подведем предварительный итог. Повышение теплопроводности асфальта выгодно в долгосрочной перспективе. Оно уменьшает температурное трещинообразование и, следовательно, продляет срок эксплуатации покрытий. А еще такое технологическое решение открывает новые возможности в области экологичной «зеленой» инфраструктуры. Но подобные инновации больше актуальны за рубежом, чем в России.

С другой стороны, в наших условиях есть потребность в асфальте с низкой теплопроводностью. Такой материал сокращает затраты на прокладку и ремонт дорог, построенных на пучинистых грунтах.

В следующем разделе мы поговорим о том, что влияет на эту характеристику материала.

От чего зависит теплопроводность асфальта

Асфальтобетон относится к нежесткому типу дорожных покрытий. Это значит, что его качества во многом зависят от внешних условий – температуры, влажности, срока эксплуатации и других. Также на его свойства влияют компоненты самого материала (битум, щебень, песок, минеральные порошки) и их соотношение.

В частности, теплопроводность покрытия зависит от таких факторов:

  • Теплопроводность наполнителя
    У щебня из разных горных пород этот показатель будет разным. Например, у гранита он ниже, чем у диорита и габбро. Также низкую теплопроводность имеют пористые заполнители – например, туф или известняк. А вот свойства вяжущего битума здесь не играют особой роли, потому что его в смеси мало – всего 5-8%.
  • Пористость покрытия
    Речь идет о пустотах, которые остаются в толще материала после укладки. Воздух имеет низкую теплопроводность, поэтому пористый асфальт хуже проводит тепло.
  • Водонасыщение
    В дождливую или мокрую погоду поры материала напитываются влагой. А поскольку вода проводит тепло лучше, чем воздух, то и теплопроводность асфальта от этого увеличивается.
  • Температура
    Чем сильнее нагревается или охлаждается верхний слой асфальта, тем интенсивнее в покрытии протекает теплообмен.
  • Количество циклов заморозки-оттаивания и разрушение водой
    Вода и лед – это одни из главных «врагов» асфальта. Они разрушают структуру покрытия изнутри и разрывают связи между компонентами материала. Из-за этого замедляется теплообмен, а также снижается прочность асфальтобетона.

Как видите, значение теплопроводности вполне можно изменить в ту или иную сторону. Для этого можно спроектировать АБС так, чтобы после укладки из нее получилось более или менее пористое покрытие, или подобрать ингредиенты смеси с нужными свойствами.

Теперь вы имеете общее представление о том, от чего зависит эта характеристика материала и на что она влияет. В продолжении статьи мы сфокусируемся на более технической стороне вопроса.

Методы определения теплопроводности

Определение теплофизических свойств не относится к стандартным методам испытания асфальтобетона ни по старым, ни по новым ГОСТам. Для оценки качества материала используются более важные показатели – прочность, водостойкость, показатели деформативности и другие.

Но, как мы уже отмечали, теплопроводность играет важную роль при строительстве дорог на слабых грунтах. Методы определения этой и других теплофизических характеристик дорожно-строительных материалов рассматриваются в ОДМ 218.2.061-2015.

В этих методических рекомендациях приводятся три способа измерений:

  1. Определение теплопроводности цилиндрическим зондом
  2. Импульсный метод
  3. Определение теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме

Давайте коротко остановимся на каждом из них.

Определение теплопроводности цилиндрическим зондом

Этот метод подходит для материалов с теплопроводностью от 0,01 до 2 Вт/(м*К), к которым относится и асфальтобетон. Он удобен тем, что позволяет замерять показатель как в лаборатории, так и в рамках полевых испытаний.

Для определения теплопроводности из покрытия делается вырубка. Можно также использовать брусок асфальта, уплотненный в лабораторных условиях. Образец термостатируется при заданной температуре испытания, после чего в нем выбуривается отверстие диаметром в 3-5 мм. В него вводится тонкий цилиндрический зонд, на который в течение 12 минут подают ток нагрева. Через 4-6 и 8-12 минут после начала испытания фиксируют ЭДС термопары зонда. На основании полученных значений затем высчитывают теплопроводность материала.

Подробная схема испытания и формулы для расчетов приведены в ГОСТ 30256-94.

Главный недостаток метода заключается в том, что в ходе него нарушается целостность асфальтового бруска – а их для получения более точных результатов берут несколько. Такие образцы уже нельзя использовать в других исследованиях.

Импульсный метод

В данном случае теплопроводность измеряется при помощи специального прибора – поверхностного преобразователя. Он устанавливается на поверхности покрытия и создает на ней кратковременный тепловой импульс, а затем фиксирует изменение температуры верхнего слоя. На основании полученного результата высчитывается теплопроводность.

Подробно этот метод описан в ГОСТ 30290-94.

К достоинствам такого способа относится его быстрота и неразрушающее воздействие. Применять преобразователь можно как в лаборатории, так и прямо на покрытии – главное, чтобы оно было очищено от мусора.

Есть у него и ряд ограничений:

  • ГОСТ предусматривает использование импульсного метода только для материалов теплопроводностью от 0,02 до 1 Вт/(м*К). Такие значения фиксируются только у пористых асфальтов
  • Интервал температур – от 5 до 40°С
  • Исследуемое покрытие должно иметь ровную поверхность. Дороги же часто имеют ямки и впадины, а также дефекты типа колей и наплывов

Таким образом, импульсный метод не всегда применим для испытания асфальтобетона.

Определение теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме

Это сугубо лабораторный метод испытания, который требует тщательного соблюдения технологии. Но он дает наиболее точный результат – с погрешностью не более 3%. Кроме того, он применим в широком спектре температур материала: от -40 до 200°С.

Для проведения измерений используется плоский образец асфальта, в котором создают стационарный тепловой поток, направленный от одной стороны к другой. Фиксируют плотность теплового потока, температуру двух противоположных граней и толщину образца. На основании этих данных получают значение эффективной теплопроводности.

Подробно с описанием процедуры испытания вы можете ознакомиться в ГОСТ 7076-99.

Метод имеет ограничения, связанные с толщиной образца: она должна быть как минимум в 10 раз больше среднего размера зерен наполнителя. Так, для испытания мелкозернистого асфальта (с частицами щебня до 2 см в диаметре) нужно сформировать плитку толщиной 15-20 см.

Кроме того, по такой технологии нельзя определять теплопроводность влажных материалов.

В заключительном разделе статьи мы приведем значения теплопроводности асфальтовых покрытий, полученные в результате различных экспериментов.

Значения теплопроводности для разных видов асфальтобетона

Показатели для асфальтобетона варьируются в пределах от примерно 0,9 до 2 Вт/(м*К) – в зависимости от факторов, которые мы рассмотрели выше. Как мы уже отмечали, свойство теплопроводности не нормируется в ГОСТах на асфальт. Поэтому найти конкретные значения для разных видов материала довольно сложно.

Тем не менее, в различных нормативных и методических документах приводятся ориентировочные цифры. На них опираются при проектировании дорожных одежд и во всякого рода студенческих работах. В частности, такая справочная информация приводится в Приложении 5 к ОДН 218.046-01.

Там даются такие расчетные значения:

Вид материала Плотность Коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К)
Асфальтобетон горячий плотный 2400 1,40
Асфальтобетон горячий пористый 2300 1,25
Асфальтобетон горячий высокопористый 1200-1900 1,10-1,00

Для вашего удобства, ниже мы разместили эту статью в виде картинки:

Расчетные значения коэффициента теплопроводности

Существуют также научные исследования, которые фокусируются на измерении теплопроводности и ее зависимости от разных факторов. Но в них рассматриваются лишь отдельные виды материала. Фундаментальных работ в этой области пока не было.

Здесь стоит отметить статью коллектива авторов из Аризоны (США), в которой были собраны и систематизированные данные нескольких исследований.

В ней приводятся такие значения для асфальтов разной плотности:

Вид материала Плотность Коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К)
Горячий плотный асфальтобетон 2238 1,2
2300 2
2350 1,45-1,81
Пористый асфальтобетон в водонасыщенном состоянии 2360 1,46

Для вашего удобства, ниже мы разместили эту статью в виде картинки:

Значение коэффициента теплопроводности для асфальтов разной плотности согласно американским исследователям

Обратите внимание, как сильно могут разниться значения для материалов одной и той же плотности. Это объясняется тем, что теплопроводность зависит от целого ряда факторов, которые не всегда учитываются при проведении испытаний.

Подведем итог.

Теплопроводность показывает, насколько быстро асфальт передает тепловую энергию от горячих частей к более холодным. Этот показатель зависит от свойств минерального наполнителя, содержания воздушных пустот в асфальте, температуры и водонасыщения покрытия, а также частоты его промерзания и оттаивания.

Высокая теплопроводность обеспечивает равномерный нагрев дорожного покрытия, благодаря чему сокращается образование температурных трещин. В то же время асфальт с низкой теплопроводностью позволяет создавать слои теплоизоляции при строительстве дорог на пучинистых грунтах. Для асфальтобетона этот показатель варьируется в пределах от 0,9 до 2 Вт/(м*К).