《International Journal of Thermal Sciences》：In situ thermal conductivity identification in asphalt pavement wearing course using quasi-steady state analysis and random reconstruction
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•建立了原位测定路面磨耗层热导率的方法。•开发了用于热传递模拟的随机介观模型。•明确了中间层对反算热导率的影响。•通过瞬态模拟分析了热传递向准稳态发展的过程。引言随着公路使用年限的延长以及维护需求的不断增加，热再生技术因其较高的资源回收效率、连续的施工流程以及对交通干扰较小等优点
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建立了原位测定路面磨耗层热导率的方法。
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开发了用于热传递模拟的随机介观模型。
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明确了中间层对反算热导率的影响。
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通过瞬态模拟分析了热传递向准稳态发展的过程。
引言
随着公路使用年限的延长以及维护需求的不断增加，热再生技术因其较高的资源回收效率、连续的施工流程以及对交通干扰较小等优点，已成为沥青路面可持续维护的重要手段。在这一过程中，路面磨耗层的加热与热传递行为直接影响老化材料的软化程度以及回收效果的均匀性。热导率作为表征材料热传递能力的关键热物理参数，会对路面温度场以及加热参数的确定产生重要影响。
近年来，关于沥青混合料热导率测量的研究主要集中在实验室试件测试方面。Xu和Solaimanian[1]建立了实验室条件下沥青混凝土温度分布与热导率的解析模型。Carlson等人[2]提出了基于圆柱形试件几何形状来确定热导率的方法。Nguyen等人[3]将热导率测定与循环拉压试验相结合，从而丰富了评估沥青混合料热性能的方法体系。Islam和Tarefder[4]通过结合现场温度数据、实验室试验以及有限元分析，确定了沥青混凝土的热导率，表明热导率的测定可以与对路面实际热响应的分析相整合。Mirzanamadi等人[5]将瞬态平面源方法与二维有限元模型相结合，系统分析了集料类型、级配、孔隙率、含水状况以及冻融条件对热导率、热扩散率以及比热容的影响。随着介观尺度表征技术和数值模拟技术的发展，相关研究逐渐从直接测量热导率转向了包含介观结构重建、热传递分析以及机理解释的耦合框架。Chen等人[6]开发了异质介观结构模型来评估沥青混凝土的热导率。随后，Chen等人[7]基于随机生成的集料结构建立了等效热导率的解析框架。Zhang等人[8]将热分析扩展到虚拟生成的二维介观结构，推动了相关研究从二维理想化模型向三维结构表征的转变。Chu等人[9]提出了计算沥青混合料等效热导率的有限元解法。Zhao等人[10]建立了多孔沥青混合料的异质介观尺度有限元模型，并分析了复杂的孔隙结构对热导率的影响。He等人[11]采用实验与数值模拟相结合的反向方法，实现了对混合料及其组成成分热导率的联合测定。Chen等人[12]提出了基于介观结构信息与重归一化技术的组合预测方法，以提高热导率估算的计算效率。Yu等人[13]将有限元分析与神经网络方法相结合，用于快速预测多孔沥青混合料的热导率。总体而言，这些研究系统地揭示了热导率与各组成成分的热物理性质、介观结构以及孔隙分布之间的关系。然而，现有研究对象主要局限于实验室试件或理想化的数值模型。相比之下，针对土壤、保温材料等介质在复杂边界条件下的热导率原位测定研究则更为常见。Low等人[14]比较了测量土壤热导率的实验室方法与原位方法，指出原位条件下的材料状态和边界环境可能导致原位结果与实验室结果之间存在差异。基于防护式加热板法，Scoarnec等人[15]、Kobari等人[16]、Reddy和Jayachandran[17]以及Yao等人[18,19]从高温适用性、温度控制策略、装置配置、校准以及接触热阻等方面对相关设备进行了改进。他们的研究表明，控制边界热损失并修正界面热阻对于获得可靠的热导率结果至关重要。Sáez Blázquez等人[20]研究了地质材料热导率的测量方法，指出对于那些取样困难或难以保持原有结构的材料，原位测试具有明显优势。Pan等人[21]通过逆向导热方法同时实现了热导率与比热容的测定，证明了基于温度响应的参数反演方法的可行性。与此同时，He等人[22]在热电模块的参数表征中验证了非严格稳态条件下利用准稳态方法测定热导率的有效性。尽管这些研究为非理想边界条件下的热导率测定提供了重要参考，但所研究的材料主要是土壤、保温材料或常规试件，其在层状结构、单侧加热、浅层热传递以及环境干扰等方面与沥青路面磨耗层存在显著差异。
因此，为了解决热再生过程中在实地条件下测定沥青路面磨耗层热导率的难题，本研究开发了一种用于测定磨耗层热导率的原位测试方法。在实地加热过程中，热量从路面表面引入并向下传递至下层结构，而磨耗层的温度响应则受到材料组成、层间结构以及加热边界条件的共同影响。基于这些热传递特性，本研究制备了AC-13磨耗层与AC-20中间层复合试件，并建立了表层沥青混合料的介观模型，用以分析不同集料类型及层状结构条件下的热传递特性。在此基础上，以表层温度、4厘米深度处的温度以及二者之间的温差作为主要观测量，建立了局部准稳态条件下磨耗层热导率的反算方法。随后，研究人员开发了相应的原位测试装置，并通过实验室复合试件、瞬态模拟以及实地路面试验对该方法进行了验证。
章节节选
沥青混合料试件的制备
为研究热再生过程中路面磨耗层加热区的热传导行为，本研究选取了AC-13密级配沥青混合料作为磨耗层的代表性材料。这些试件采用了三种不同的集料，即石灰石、玄武岩和闪长岩。所有混合料均以SBS改性沥青作为粘结料，沥青与集料的比值统一控制在5.0%，设计的孔隙率为3.8%。
原位热导率测试的理论框架与数值分析
为能够快速测定沥青路面磨耗层的热导率，需要将磨耗层的加热过程、复合结构的热传递响应以及原位测试装置与准稳态识别方法纳入统一的分析框架之中。在路面磨耗层持续受热的过程中，整体温度场始终处于瞬态状态。不过，在一定的时间范围内，
复合试件的实验室测试
为验证在复合结构条件下使用原位测试方法测定磨耗层热导率的可行性，本研究对由4厘米厚的上层磨耗层和6厘米厚的下层中间层组成的复合试件进行了实验室测试。上层磨耗层由含有三种不同集料（石灰石、玄武岩和闪长岩）的AC-13沥青混合料构成，而下层则全部由石灰石AC-20沥青混合料构成。
结论
本研究通过开发磨耗层的测试与反算方法，解决了在实地条件下测定沥青路面磨耗层热导率的难题。在实地加热条件下，热量从路面表面的一侧引入并沿厚度方向向下传递。0-4厘米深度范围内的磨耗层温度响应不仅受该区域材料组成的影响，还与热传递过程密切相关。
CRediT作者贡献说明
Yubo Tong：概念构思、研究方法、软件应用、论文撰写——初稿撰写。Hairong Gu：概念构思、研究方法、软件应用、论文撰写——初稿撰写。Bolun Li：概念构思、数据整理、定量分析、论文撰写——初稿撰写。Kun Yang：数据整理、研究调查、论文撰写——修改与润色。Wenjuan Yang：数据整理、研究调查。Chenggang Chen：定量分析、研究方法设计。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了长沙理工大学极端环境绿色长寿命道路工程国家重点实验室开放基金（项目编号：kfj230107）、陕西省重点研发计划（项目编号：2024CY2-GJHX-05、2025QCY-KXJ-063）的支持。
Yubo Tong|Hairong Gu|Bolun Li|Kun Yang|Wenjuan Yang|Chenggang Chen
