熱阻式瀝青路面組成及降溫技術研究

張增平+韓繼成+南曉粉+陳浙江+李壽偉+蔣應軍

摘要：為了提高瀝青路面阻熱能力，采用導熱系數低的耐火碎石替換普通集料設計SMA13瀝青路面，從力學性能、路用性能和降溫效果3個方面優化組成比例，確定耐火碎石的最佳摻量。研究結果表明：耐火碎石替換比例取60%時，瀝青混合料滿足力學性能和路用性能要求，熱阻瀝青混合料路用性能下降小于15%，吸熱能力和熱傳導能力明顯降低，降低溫度近7 ℃；耐火碎石替換比例為0%、20%、40%、60%、80%時，降溫幅度先增大后減小，替換比例為60%時降溫幅度最大。

關鍵詞：熱阻瀝青路面；導熱系數；耐火碎石；最佳摻量

中圖分類號：U416.217文獻標志碼：B 文章編號：1000033X（2016）06007504

0引言

瀝青是一種典型的粘彈性體，具有非常高的吸熱能力，受溫度影響其性質變化顯著[1]。瀝青路面表面因溫度升高，熱量聚積在表面層且持續周期變長，在重載交通反復作用下，瀝青路面極易形成車轍等病害。對于瀝青混合料來說，其熱傳導能力主要取決于集料的導熱系數[2]。因此，在瀝青混合料中，采取一種導熱系數小的集料作為替換材料，以提高瀝青路面阻熱能力，就成為一種新的且實際的手段。目前，國內外對熱阻瀝青路面進行了一些研究，例如德國采用鍛燒鋁礬土集料修筑瀝青路面，可降低瀝青路面溫度5 ℃～8 ℃；瑞典嘗試使用輕型材料泡沫玻璃顆粒作為路面絕熱材料[3]；趙秋華將陶粒摻入瀝青混合料進行研究，陶粒在瀝青混合料中的摻量在20%～40%之間，瀝青路面上下表面溫度之差最高達到5 ℃左右[4]。

基于耐火碎石具有導熱系數低、隔熱、保溫的特性[5]，本文采用耐火碎石替代原集料設計SMA13瀝青路面，從力學性能、路用性能和降溫效果3個方面優化組成比例，確定耐火碎石的最佳摻量；并采用溫度測試系統，對比熱阻瀝青路面和普通瀝青路面的降溫效果，驗證熱阻瀝青路面路用性能。

1試驗準備

1.1級配與原材料

瀝青混合料級配類型采用SMA13[6]，級配組成如表1所示。普通SMA瀝青路面原材料為SBS改性瀝青、粗集料（玄武巖碎石）、細集料（石灰巖石屑）、石灰巖礦粉和木質纖維（占混合料總質量的03%）。

熱阻瀝青路面通過用導熱系數低的耐火碎石替換普通集料獲得，耐火碎石的技術指標如表2所示。

1.2試驗設計

從表2可以看出，耐火碎石的技術指標基本滿足要求，但和玄武巖相比，耐火碎石材料的力學性能還差很多，主要是由于耐火碎石本身強度低，在荷載作用下容易破碎。在SMA13級配中，2.36～475 mm檔集料占集料總質量比例較小，同時對主骨架結構影響不大；而4.75～9.5 mm檔料含量較多，其粒徑介于主骨架95～13.2 mm檔料與關鍵篩孔475 mm之間[7]。該檔料既具有足夠的粒徑尺寸，保證空隙的形成；同時其粒徑又小于SMA13主骨架，在施工或運營過程中不易被壓碎。

考慮到以上問題，本文將2.36～4.75 mm檔集料中耐火碎石摻量固定為100%，以耐火碎石替代4.75～9.5 mm檔集料設計SMA13瀝青路面，從力學性能、路用性能和降溫效果3個方面進行研究，確定耐火碎石在該檔集料下的最佳摻量，使其達到降低瀝青路面溫度的作用。

1.3路面溫度測試系統

溫度測試系統如圖1所示，主要由系統封箱、試驗光照燈（碘鎢燈）、溫度記錄儀、溫度探頭以及風扇組成。參照復合車轍板制備方法制備300 mm×300 mm×100 mm車轍板試件，試件周圍用隔溫泡沫包圍。為準確地模擬光照升溫與降溫，以24 h作為一個完整的試驗周期，0～12 h模擬白天光照時間，12～24 h模擬夜晚降溫時間。

2試驗結果與分析

根據設計級配和馬歇爾試驗方法，采用體積質量轉化法，將耐火碎石替換混合料中的原集料，確定了耐火碎石摻量分別為0%、20%、40%、60%、80%、100%時，相對應的最佳油石比為63、64、65、66、67、68。

2.1耐火碎石最佳摻量的研究

根據確定的耐火碎石摻量為0%、20%、40%、60%、80%、100%時的最佳油石比，進行力學性能、路用性能和降溫效果3方面測試。

2.1.1力學性能

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》 （JTG E20—2011）規范，采用單軸壓縮試驗和劈裂試驗進行瀝青混合料力學性能的評價，其評價指標抗壓峰值力和劈裂峰值力與耐火碎石摻量的關系如圖2所示。

根據圖2可知，隨著耐火碎石摻量的增加，抗壓峰值力和劈裂峰值力急劇下降。當耐火碎石摻量超過60%時，抗壓峰值力呈線性下降，這是由于耐火碎石這種材料本身的強度不足造成的，說明耐火碎石摻量不宜超過60%。

2.1.2路用性能

根據《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）要求，采用馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、低溫彎曲試驗等進行瀝青混合料的路用性能評價。對于SMA13瀝青混合料的相關標準要求其凍融劈裂強度比、浸水殘留穩定度均不小于80%。測試得得到凍融劈裂強度比和殘留穩定度、低溫彎曲應變和動穩定度與耐火碎石摻量的關系如圖3、4所示。

根據圖4可知，在滿足瀝青混合料凍融劈裂強度比和浸水殘留穩定度的基礎上，耐火碎石的摻量超過60%時，動穩定度和低溫彎曲應變急劇衰減，說明瀝青混合料高溫穩定性和低溫穩定性均有不同程度降低。原因在于，隨著耐火碎石的摻入量逐漸增加，瀝青用量也逐漸增加，集料表面附著的瀝青膜逐漸變厚，造成自由瀝青所占的比例增多，使瀝青混合料高溫穩定性降低，所以建議耐火碎石摻入量不宜超過60%。

2.1.3降溫效果測試

采用溫度測試系統測定不同時間、不同層位和不同摻量下，熱阻瀝青路面溫度變化規律如圖5～7所示。

根據圖5～7可知，耐火碎石摻量分別為20%、40%、60%和80%時，路面降溫幅度分別達到1.2 ℃、1.4 ℃、1.8 ℃、0.7 ℃，降溫規律呈先增大后減小態勢。當耐火碎石摻量為60%時，降溫幅度最大；且隨著光照時間的增長，距路表深處的降溫效果會明顯增加，說明耐火碎石瀝青路面適合在長時間處于高溫狀態下的地區使用。但當耐火碎石摻量為80%時，路面降溫幅度在減小，且凍融劈裂強度比不滿足要求。

綜上所述，在保證力學性能和路用性能的前提下，建議耐火碎石的摻量為60%左右。

2.2路用性能驗證及降溫效果對比

2.2.1路用性能驗證

采用摻量為60%的耐火碎石制備熱阻瀝青，進行熱阻瀝青路面路用性能驗證。熱阻瀝青路面和普通瀝青路面路用性能對比結果見表3。

根據表3可知，熱阻瀝青路面與普通瀝青路面相比，其高溫穩定性、水穩定性和低溫抗裂性均有所降低，但滿足相關規范要求；路用性能整體下降控制在15%之內，對瀝青混合料路用性能影響不顯著。

2.2.2降溫效果對比

采用溫度測試系統測定熱阻瀝青路面和普通瀝青路面在不同層位和不同時間下的溫度變化情況，測定結果見圖8～10。

根據圖8～10可知，熱阻路面表層降溫幅度隨著光照時間先增大后減小，說明耐火碎石的摻加，降低了路面對太陽輻射的吸收能力，抑制了路表面溫度上升，最高溫差近7 ℃，有效地減少車轍等病害的發生機率。通過對比同一時刻不同層位的降溫效果，熱阻路面傳遞熱量小于普通瀝青路面，說明耐火碎石的摻加降低了路面熱傳導能力，能夠減輕因溫度引起的路面結構損害。

3結語

（1）當耐火碎石替換比例取60%時，SMA13瀝青混合料滿足力學性能和路用性能的要求，路用性能下降比例小于15%。

（2）耐火碎石替換比例為20%、40%、60%、80%時，路面降溫幅度分別達到了1.2 ℃、1.4 ℃、1.8 ℃和0.7 ℃，路面降溫幅度先增大后減?。划敁搅繛?0%時，降溫幅度最大。

（3）通過對比表層溫度和不同層位溫度變化，熱阻瀝青混合料吸熱能力和熱傳導能力明顯降低，溫差最高近7 ℃。

參考文獻：

[1]胡建榮，江慧娟.瀝青路面使用性能綜合評價指標研究[J].筑路機械與施工機械化，2007，24（5）：2021，37.

[2]張慧彧，鄒玲，紀小平.瀝青混合料導熱系數的試驗研究[J].公路，2011，56（10）：5052.

[3]趙秋華.陶粒熱阻磨耗層材料試驗研究[D].西安：長安大學，2012.

[4]李彥偉，張倩，謝來斌，等.瀝青路面導熱系數測試及其對路面溫度場影響的模擬[J].功能材料，2012，43（2）：129132.

[5]楊東來，徐永鋼，張廣平，等.瀝青路面集料加工技術的進步與發展[J].筑路機械與施工機械化，2015，32（12）：3140.

[6]張宜洛，鄭南翔.瀝青混合料的基本參數對其高低溫性能的影響[J].長安大學學報：自然科學版，2006，26（4）：3539.

[7]南曉粉.熱阻瀝青路面降溫技術研究[D].西安：長安大學，2015.