用于電融雪道路的導熱瀝青混凝土路用性能研究

李 程，袁銅森，鄭 輝，王 勝

（1.湖南省高速公路管理局，湖南 長沙 410000；2.湖南省交通科學研究院，湖南 長沙 410000；3.湖南工業大學，湖南 株洲 412007；4.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

用于電融雪道路的導熱瀝青混凝土路用性能研究

李 程1，袁銅森2，鄭 輝3，王 勝4

（1.湖南省高速公路管理局，湖南 長沙 410000；2.湖南省交通科學研究院，湖南 長沙 410000；3.湖南工業大學，湖南 株洲 412007；4.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

在《公路瀝青路面施工技術規范》JTG F40-2004的基礎上結合SHRP高性能瀝青混凝土配合比優化設計方法對瀝青混合料配合比進行設計優化。以不摻入導熱填料的瀝青混合料級配為基礎配合比，分析確定摻入石墨后最佳油石比。同時，結合材料復合理論，對不同摻量石墨的導熱瀝青混凝土的路用性能及導熱性能進行研究，分析確定石墨的最佳摻量。

導熱瀝青混合料；配合比；路用性能；導熱性能

0 引言

大量調查和研究顯示，路面狀況的好壞是影響道路交通的重要因素之一[1]。路面黑冰（薄冰）是湖南省山區高速公路的災害性氣象之一，黑冰是由“凍雨”凝聚于低溫路面產生的冰層。同時，橋面完全暴露在空氣中，比路面更容易積雪結冰[2]。凍雨黑冰具有面積大，硬度高，厚度薄，不易鏟除，不易察覺等特點，在橋面、隧道洞口、急彎陡坡等特殊路段分布，對交通具有嚴重危害性。電熱融雪化冰技術是一種主動預防和清除道路積雪結冰的方法[3]，其原理是利用電能通過電纜或者導電路面材料加熱路面進行融雪化冰，是一種安全、可靠高效、環保的融雪化冰手段[3～4]。為提高發熱電纜傳熱效率需在其上方設置導熱瀝青混凝土層。

瀝青混凝土是熱能的不良導體，需通過摻入導熱相填料改善其導熱性能。導熱材料依據物理性質可分為金屬類和非金屬類，前者如銅、銀、鋁、鎳等，后者如碳基材料（炭黑、石墨、碳纖維）等[5]。導熱材料不但需要有良好的導熱性能，同時不應對瀝青混凝土的路用性能產生較大的影響。石墨具有熱導率高，耐腐蝕性能好，與瀝青相容性強等優點[5]。本文選擇石墨作為導熱瀝青混凝土填料，通過室內試驗分析不同摻量石墨對瀝青混凝土性能影響，從而確定石墨最佳摻量。最后利用導熱系數儀分析摻入導熱材料前后導熱瀝青混凝土熱性能變化情況。

1 原材料

（1）瀝青

試驗瀝青采用SBS（I-D類）改性瀝青，其主要性能為：針入度（100 g，5 s，25℃）51，軟化點（環球法）86.5℃，135℃運動粘度1.98 Pa.S，延度（5℃，5 cm/min）27 cm，閃點330℃，25℃彈性恢復，94%；TFOT薄膜加熱試驗（163℃，5 h）后，質量變化-0.028%，針入度比80.4%，5℃殘留延度16 cm。

（2）粗集料

試驗所用粗集料（粒徑不小于2.36 mm）采用玄武巖，主要技術性能為：表觀相對密度2.888 g/cm3，吸水率0.58%，壓碎值15.9%，磨耗值15.2%，與瀝青的粘附性等級5級，堅固性1.1%。

（3）細集料

試驗所用細集料（粒徑不大于2.36 mm）采用石灰巖，主要技術性能為：表觀相對密度2.715 g/cm3，吸水率0.81%，砂當量87%，棱角性（流動時間）44 s，

（4）礦粉

礦粉采用優質石灰巖磨制，主要技術性能為：表觀密度2.716 g/cm3，親水系數0.5，含水量0.4%。

（5）石墨

石墨采用山東南墅產鱗片狀石墨作為導熱相填料，主要技術性能為：密度2.1～2.3 g/cm3，粒徑150μm（100目），碳含量99.2%，灰分0.2%，鐵含量0.03%，電阻率2.4×10-6Ω.m。

2 試驗設計

利用材料復合理論將瀝青混合料作為一個多相系統，將石墨引入作為材料參數，通過改變石墨摻量，調節瀝青混合料性能。根據瀝青混凝土路用性能，結合瀝青混凝土導熱性能，分析確定石墨最佳摻量。通過對傳統瀝青混合料配合比設計方法進行優化，制備出路用性能強、導熱性能好的瀝青混凝土。

（1）根據集料篩分結果初步選定級配，并通過馬歇爾試驗測定混合料試件毛體積相對密度、表觀相對密度。根據規范計算粗集料松裝間隙率、粗集料骨架間隙率、空隙率、集料間隙率、瀝青飽和度等指標對級配進行調整，確定不摻入石墨的優化級配及最佳油石比。

（2）石墨摻量的選用分別為0、4%、8%、12%、16%、20%、24%（其中石墨的摻量為石墨質量代替礦粉質量的百分比），通過車轍試驗、低溫彎曲梁試驗、凍融劈裂試驗分析石墨對瀝青混合料高溫性能、低溫性能、水穩定性能影響。

（3）用熱流計法導熱系數測試儀測試并研究石墨對瀝青混凝土導熱性能影響。

2.1 導熱瀝青混凝土配合比設計

SMA-13型瀝青混凝土，屬于骨架密實結構。SMA混合料的配合比設計原則體現在兩個方面：一是粗集料顆粒互相嵌擠組成高穩定性的“石-石骨架”結構；二是由細集料、瀝青結合料和穩定添加劑組成的瀝青瑪蹄脂填充“骨架”間隙，并將“骨架”膠結在一起，瀝青瑪蹄脂應略有富余，以使混合料獲得較好的柔韌性和耐久性。SMA-13瀝青混合料礦料的級配范圍應符合表1的要求。

表1 SMA-13瀝青混合料級配要求表

在《公路瀝青路面施工技術規范》JTG F40-2004的基礎上結合SHRP高性能瀝青混凝土配合比優化設計方法，設計3組不同的初試級配，預估適宜的油石比，進行馬歇爾試驗確定設計級配，計算結果見表2，最終組配曲線見圖1。

表2 設計級配組成

圖1 SMA-13級配曲線

分別按這三組級配測定4.75 mm以上粗集料的毛體積相對密度、全部礦料的毛體積相對密度及4.75 mm以上粗集料松方相對密度，并計算4.75 mm以上粗集料的VCADRC結果見表3。

表3 礦料級配技術參數表

根據已建類似工程的SMA-13瀝青混合料的油石比，以5.9%的預估油石比作為SMA-13的馬歇爾試件的初試油石比，并在成型時按混合料質量的0.4%摻入絮狀木質素纖維。其試驗結果見表4。

表4 礦料級配技術參數表

從3組初試級配的試驗結果得到級配2和級配3符合VCAmix≤VCADRC及VMA≥16.5%的要求，其中級配2的4.75 mm篩孔的通過率較大，因此確定級配2為設計級配。

2.2 最佳油石比

根據上述設計級配及初試油石比（5.9%），以0.4%為間隔，調整3個不同的油石比，制作試件進行馬歇爾試驗，結果見表5。

表5 瀝青混合料馬歇爾試驗

根據《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）中最佳油石比的計算方法，確定瀝青混合料的最佳油石比為5.9%。

根據經驗，石墨相對礦粉更容易吸油，吸油率差約為0.5。因此，不同石墨摻量的油石比計算如下：

式中：MS為最佳油石比，%；S為石墨摻量，%；K為礦粉占混合料質量比，%；a為吸油率差，0.5；M為未摻入石墨時最佳油石比，5.9%。

因此，石墨摻量0、4%、8%、12%、16%、20%、24%的最佳油石比分別為：5.9%、6.1%、6.3%、6.5%、6.7%、6.85%、7.0%。

3 試驗結果與分析

3.1 石墨摻量對瀝青混合料路用性能影響

（1）高溫穩定性試驗

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）規定的試驗方法對不同石墨摻量條件下瀝青混合料進行車轍試驗，試驗結果見圖2。

圖2 石墨摻量對混合料動穩定度的影響

由圖2可以看出，瀝青混合料動穩定度隨著石墨摻量的增加而增加，當摻入的石墨質量代替礦粉質量的比例由0%增加至20%時，動穩定度由10 328次 /mm增加至 11 052次 /mm，增加了7.01%。說明石墨的摻入增加了瀝青混合料的高溫穩定性能，但當石墨摻量增加至20%之后，動穩定度有所回落。

（2）水穩定性試驗

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）規定的試驗方法對不同石墨摻量條件下瀝青混合料進行凍融劈裂試驗及浸水馬歇爾試驗，試驗結果見圖3、圖4。

圖3 石墨摻量對混合料凍融劈裂的影響

圖4 石墨摻量對混合料殘留穩定度的影響

從圖3可以看出，瀝青混合料凍融劈裂值隨著石墨摻量的增加而減小，當摻入的石墨質量代替礦粉質量的比例由0%增加至24%時，凍融劈裂值由92.8%降低至90.1%，降低了2.91%。說明石墨的摻入降低了瀝青混合料的低溫抗水損害性能，但是仍遠大于規范規定的80%的要求。

從圖4可以看出，瀝青混合料殘留穩定度值隨著石墨摻量的增加而減小，當摻入的石墨質量代替礦粉質量的比例由0%增加至24%時，殘留穩定度值由95.3%降低至92.2%，降低了3.25%。說明石墨的摻入降低了瀝青混合料的高溫抗水損害性能。但是仍遠大于規范規定的85%的要求。

（3）低溫彎曲梁試驗

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）規定的試驗方法對不同石墨摻量條件下的瀝青混合料進行低溫彎曲梁試驗，試驗結果見圖5。

圖5 不同石墨摻量條件下瀝青混合料低溫彎曲梁試驗

從圖5可以看出，瀝青混合料破壞應變隨著石墨摻量的增加而減小，當摻入的石墨質量代替礦粉質量的比例由0%增加至24%時，破壞應變值由2 943.6降低至2 543.1，降低了13.67%。說明石墨的摻入降低了瀝青混合料的低溫性能。但是仍大于規范規定的2 500的要求。

3.2 石墨摻量對瀝青混合料導熱性能影響

導熱系數是表征材料導熱能力的物理量，對于不同的材料，導熱系數是不同的。穩態平板法是一種應用一維穩態導熱系數的方法，可以用來進行導熱系數的測定試驗，是根據在一維穩態情況下通過平板的導熱量Q和平板兩面的溫差Δt成正比，和平板的厚度δ成正比，以及和導熱系數λ成正比的關系來設計的。

測量時，如果將平板兩面的溫差Δt=tR-tL（tR和tL分別為熱板和冷板的溫度），平板厚度δ，垂直熱流方向的導熱面積F和Q通過平板的熱流量測定以后，就可以根據下式得出導熱系數。

參考標準：GB/T10295-2008（絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定熱流計法）及ASTM C518-04用熱流計法測定穩態熱通量和熱傳遞特性的試驗方法。

（1）試驗試件

被測試試驗每種材料做成6塊方形薄壁平板試塊，面積為200 mm×200 mm，實際計算導熱面積為100 mm×100 mm，試塊厚度為（實測）。

（2）試驗方法和步驟

a.對試塊的上、下表面進行磨平處理，并在表面涂上導熱系數較大的導熱油，并測量試件的厚度，每個面測三個點，最后取平均值。

b.將試塊平穩地放置在導熱系數儀的冷熱板之間，通過轉動轉盤夾緊試件，須確保上下表面與冷熱板接觸緊密，無空氣間隙。

c.啟動儀器，設置好冷板溫度、熱板溫度、試件厚度，啟動加熱和制冷系統，對試塊進行測試，等到冷熱板之間達到熱平衡，各項參數恒定，系統會提示試驗測試可以計數。測試條件為冷板20℃，熱板50℃，即平均溫度為35℃下的導熱系數。試驗儀器見圖6。

圖6 熱流計法導熱系數測試儀

（3）試驗結果

本研究對石墨不同摻量的瀝青混凝土分別制作3塊瀝青混凝土試件。根據上述試驗方法對混合料的導熱性能進行分析。試驗結果見圖7。

圖7 試驗試件

從圖8可以看出，瀝青混合料導熱性能隨著石墨摻量的增加而增加，當摻入的石墨質量代替礦粉質量的比例由0%增加至24%時，導熱系數由1.46增加至1.68，增加了15.1%。占瀝青混合料總質量的1%左右的石墨的摻入，瀝青混合料導熱性能增加了15.1%，效果顯著。

圖8 試驗結果

4 結語

本文在《公路瀝青路面施工技術規范》JTG F40-2004的基礎上結合SHRP高性能瀝青混凝土配合比優化設計方法對瀝青混合料配合比進行設計優化。同時，對不同摻量石墨的導熱瀝青混凝土的路用性能及導熱性能進行研究，主要得到以下結論：

（1）瀝青混合料動穩定度隨石墨的摻量的增加而增加；石墨摻量大于20%之后，瀝青混合料抗高溫性能有所削弱。

（2）瀝青混合料凍融劈裂值及殘留穩定度值隨石墨的摻量的增加而減小；當石墨摻量由0%增加至24%時，凍融劈裂值及殘留穩定度值分別降低了2.91%、3.25%。

（3）瀝青混合料破壞應變值隨石墨的摻量的增加而減小；當石墨摻量由0%增加至24%時，破壞應變減小了13.67%，影響較大。

瀝青混合料導熱性能隨著石墨摻量的增加而增加；當石墨摻量由0%增加至24%時，導熱系數增加了15.1%，效果顯著。

綜合上述，導熱瀝青混凝土SMA-13中石墨摻量最佳范圍為15%～20%，推薦摻量20%。

[1]朱錄濤.電熱融雪化冰混凝土路面研究與應用進展[J].建材世界,2011,32(2):30-31.

[2]趙宏明-布置碳纖維發熱線的混凝土路面及橋面融雪化冰試驗研究[D].遼寧大連:大連理工大學,2007/

[3]管數園.電纜加熱系統進行融雪的數值分析研究[D].上海:上海交通大學,2008.

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[5]張永健,袁玉卿,楊玲.矮寨特大橋融雪防冰電發熱瀝青混凝土試驗研究[J].中外公路,2011,31(6):29-30.

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[7]JTG E20-2011,公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[S]/

[8]馬濤,黃曉明,張久鵬.基于材料復合理論的老化瀝青再生規律[J].東南大學學報,2008,38(3):520-524.

鄭州將建飲用水水質在線監測、預警系統

2017年鄭州市衛生計生工作會近日召開,會上公布了2017年民生十大實事，其中，今年鄭州將新建飲用水水質在線監測系統和預警系統，布局到全市居民飲用水的末端，隨時對渾濁度、水溫、余氯、pH值等多項衛生指標數據進行在線監測、主動預警。市區600萬居民飲用水安全將得到有效保障。同時，今年鄭州市將啟動城市公立醫院綜合改革，一系列與健康相關的民生項目也將惠及更多市民。

新的監測系統可以實現對飲用水渾濁度、水溫、余氯、pH值等多項衛生指標數據實時監測，一旦監測指標出現異常情況，系統能夠第一時間發出預警信息，便于衛生執法人員及時介入，準確采取應急措施，避免事態擴大。

按照鄭州市區600萬人計算，每15萬人口一個監測點的網絡布局，鄭州市需要建設至少40個水質自動在線監測點。

這些建設工作已經啟動，并在穩步實施中。目前，京、滬、杭等國內城市已經開始了相同系統的應用。

U414

B

1009-7716（2017）04-0182-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.054

2017-02-23

湖南省交通運輸廳科技進步與創新項目（201413）。

李程（1977-），男，湖南瀏陽人，工程師，從事公路橋梁管理工作。