熱阻式瀝青混合料的隔熱降溫特性與路用性能評價

李彩霞，楊建華，張 苛

(1.陜西交通職業技術學院 公路與鐵道工程學院，陜西 西安 710018；2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；3.阜陽師范學院 信息工程學院，安徽 阜陽 236041)

瀝青路面對太陽輻射的吸收率很高，通常可達到90%～95%，尤其在夏季高溫時，瀝青路面的路表溫度可達到55～65 ℃[1-3].調查顯示，我國城市道路覆蓋率已達到7%～15%，路面高溫增加了其夜間的大氣逆輻射程度，成為形成城市“熱島效應”現象的主要影響因素之一[4-6].此外，文獻[7]指出，當路表面溫度低于55 ℃時，車轍將被限制在毫米級別內，且其速度發展緩慢，而當路表面溫度達到55～65 ℃時，車轍將以厘米級的速度發展.高溫車轍病害的產生與發展不僅給道路養護工作帶來了巨大壓力，而且顯著降低了道路的服務水平與車輛行駛的安全性.因此，采取有效的措施降低瀝青路面的溫度，達到減輕城市“熱島效應”及瀝青路面高溫車轍病害的目的，具有顯著的現實意義.

在瀝青路面上設置反射式涂層是目前普遍用來降低瀝青路面溫度的一種措施，該種方法形成的遮熱型路面在有效降低路面溫度的同時，賦予瀝青層良好的高溫性能.但是，涂覆層的實際應用仍然存在一些局限性，主要表現為①涂覆層的施工均勻性和厚度不易控制；②涂覆層嚴重降低了抗滑性等表面功能；③同時其自身的耐磨性和隔熱降溫耐久性相對不足制約了其實際應用[8-11].

為此，研究人員提出采用熱阻式瀝青混合料的思路，并在試驗研究的基礎上取得了豐富的成果.李淵沅通過分析不同摻量的煅燒鋁礬石對混合料隔熱和路用性能的影響，采用熵權-TOPSIS分析法確定了煅燒鋁礬石的合理摻量[12]；鄒玲采用陶粒替換普通集料的方式設計了SMA-10熱阻薄層罩面，分析了薄層罩面對混合料內部不同層位溫度的影響，并推薦了陶粒的最佳摻量[13]；Wang C H制備了電氣石改性瀝青混合料，探究了電氣石改性瀝青混合料的降溫效果及降溫機理，并分析了其路用性能，發現電氣石的添加能夠顯著提高混合料的高、低溫和水穩性能[14].綜合研究現狀發現，目前的研究主要體現在熱阻式瀝青混合料的降溫效果及路用性能評價方面，而對混合料不同厚度處的升溫過程和降溫行為分析較少，且相關內容有待進一步研究探討.

本文選擇具有低導熱系數的煅燒鋁礬石替換普通集料的方式，探究其在不同摻量下的瀝青混合料不同厚度處的升溫過程和降溫行為，并對比分析不同瀝青混合料的隔熱降溫性能，確定各瀝青混合料中煅燒鋁礬石的最佳摻量；在此基礎上，分別評價煅燒鋁礬石在最佳摻量時瀝青混合料的路用性能.為瀝青路面降溫研究提供了一種新的方法和思路，對煅燒鋁礬石阻熱型瀝青混合料的推廣應用具有理論指導意義.

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料的選取

試驗選擇目前高速公路面層鋪筑中普遍應用的密級配瀝青混凝土混合料(AC-13)和瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA-13)作為研究對象，AC-13制備原材料包含SK-90#基質瀝青、玄武巖粗集料和細集料、煅燒鋁礬石粗集料及石灰巖礦粉；SMA-13制備原材料由SBS改性瀝青、木質素纖維穩定劑、玄武巖粗集料和細集料、煅燒鋁礬石粗集料及石灰巖礦粉構成.由于原材料良好的技術性能是其具有優良物理力學性能的前提和保證，因此，首先對原材料的技術性能進行了測定，以使其滿足相關規范要求[15].其中，粗集料的基本性能指標測定結果如表1所列.

表1 粗集料基本性能指標Tab.1 Basic performance index of coarse aggregate

1.2 混合料配合比設計

阻熱型瀝青混合料的配合比設計方法與普通瀝青混合料配合比設計方法類似，需依次經過集料物理參數的測定、礦料級配設計及最佳油石比的確定.AC-13和SMA-13礦質混合料配合比設計結果如表2所列，采用馬歇爾設計法分別確定的煅燒鋁礬石在不同摻量條件下的混合料最佳油石比如表3所列，混合料的設計空隙率為(4±0.5)%，纖維穩定劑摻量為混合料總質量的0.3%.

表2 AC-13和SMA-13礦質混合料級配設計結果Tab.2 Results of mineral mixture grading design of AC-13 and SMA-13

表3 煅燒鋁礬石在不同摻量時的最佳油石比Tab.3 Optimal asphalt content for asphalt mixture with calcined bauxite at different dosage/%

1.3 試驗方案設計

(1)隔熱降溫特性分析

根據實際太陽對路面的輻射規律，自制隔熱降溫測試設備，探究煅燒鋁礬石在0%、20%、40%、60%、80%和100%摻量條件下的AC-13車轍板試件上表面、中位置和下表面的升溫過程和隔熱降溫規律，對比評價AC-13和SMA-13混合料隔熱降溫性能的優劣，并針對AC-13和SMA-13分別推薦煅燒鋁礬石的最佳摻量.

(2)路用性能評價

針對AC-13和SMA-13瀝青混合料，分別探究未摻加煅燒鋁礬石和煅燒鋁礬石在最佳摻量條件下混合料的高溫性能、低溫性能、水穩性能和水熱耦合作用下的路用性能，分析煅燒鋁礬石的加入對瀝青混合料路用性能的影響，并依據相關規范要求對其路用性能做出評價，以為其工程應用提供理論指導.

2 阻熱型瀝青混合料的隔熱降溫特性分析

2.1 室內模擬太陽輻射試驗方法

(1)試驗設備

為了在室內最大程度地模擬太陽對瀝青路面的輻射，以克服室外試驗因受大氣環境因素的影響而造成試驗結果重現性差等問題，通過合理選擇光源、確定測試參數及驗證設備輻射均勻性等步驟.先進行室內模擬太陽輻射試驗設備的制作.其中，考慮到碘鎢燈發出的光線波長范圍與太陽輻射光譜波長相接近，因此，采用碘鎢燈作為模擬光源，其功率為300 W；由于實際太陽輻射強度隨時間呈正弦變化，而室內模擬時的光照強度為固定值，為與現場測試結果保持一致性，需對影響溫度測試結果的輻射強度和時間進行等效換算，借鑒文獻[7]的換算方法，確定的室內模擬輻射強度和時間分別為788 W/m2和7 h.同時，由于輻射強度受輻射燈的數量、排布方式、距離車轍板試件高度及設備尺寸等因素的影響，因此通過采用輻射強度測試儀對車轍板試件上表面各測點處輻射強度進行測定，并依據理論輻射強度(788 W/m2)對上述各因素進行調整，最終確定的測試設備總體結構圖見圖1.車轍板試件溫度測點布置示意圖如圖2所示.

圖1 隔熱降溫性能測試設備結構圖Fig.1 Structure diagram of test equipment for heat insulation and cooling performance

圖2 車轍板溫度測點布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of measuring point arrangement in rutting plate

為了保證設備測試結果的準確性和可重復性，試驗依據表2中的礦質混合料級配分別成型未摻加煅燒鋁礬石時的AC-13和SMA-13車轍板試件，成型后測定試件表面各測點處的輻射強度，并采用統計學公式(1)、(2)和(3)所示的控制條件對其輻射均勻性進行驗證，驗證結果表明設備輻射的均勻性滿足要求.試件表面各測點處的輻射強度測試值如表4所示.

(1)

(2)

(3)

表4 AC-13和SMA-13車轍板試件表面各測點處的輻射強度測試值Tab.4 Radiation intensity of AC-13 and SMA-13 rutting plate specimens at different measuring points on the surface W·m-2

(2)測試方法

首先，采用輪碾法成型300 mm×300 mm×50 mm的車轍板試件，對上、下表面測點進行標記，并依據圖2尺寸對其進行鉆孔(孔徑為5 mm)，鉆孔后埋入熱電偶溫度傳感器并采用瀝青進行封孔，以固定溫度傳感器并防止可能的自然通風等環境因素對溫度測試造成的影響，從而保證測溫結果的準確性.其次，測定試件上表面、中位置和下表面的溫度變化規律，以探究不同厚度處和不同類型混合料的隔熱降溫特性，各厚度處三個測點的溫度均值作為試驗結果.

2.2 不同厚度處的升溫過程與降溫行為

按照室內模擬太陽輻射試驗方法，分別測定煅燒鋁礬石摻量分別在0%、20%、40%、60%、80%和100%時AC-13車轍板試件上表面、中位置和下表面的溫度在整個加熱區間的變化規律，測定結果如圖3所示.

圖3 AC-13車轍板試件不同厚度處的溫度變化Fig.3 Temperature changes at different thickness of AC-13 rutting plate specimens

由圖3可知，煅燒鋁礬石的加入可有效地降低AC-13車轍板試件不同厚度處的溫度，且隨著煅燒鋁礬石摻量的增大，降溫效果逐漸增強.根據圖3(a)，當未摻加煅燒鋁礬石或其摻量較少時，試件上表面溫度在初始階段呈對數上升，上升速度較快，隨后逐漸趨于平緩；當其摻量達到40%時，整個觀測過程中同一試件的上表面溫度增速接近于恒定值，同時不同摻量的試件上表面溫度平均增速逐漸減小，這反映出煅燒鋁礬石的加入延緩了到達相同溫度而需要的時間，且達到試件表面降溫的目的.

根據圖3(b)和圖3(c)，在煅燒鋁礬石不同摻量條件下，試件中位置和下表面溫度上升過程均可劃分為“三階段”——緩慢上升階段、加速上升階段和穩定階段.緩慢上升階段表現為車轍板試件中位置和下表面溫度增速較小，曲線比較平緩，中位置和下表面該階段分別持續約1h和2h；加速上升階段試件中位置和下表面溫度上升速度較快，且二者位置處的溫度均隨摻量的增大而減小，尤其當煅燒鋁礬石摻量達到60%時降溫幅度最顯著；穩定階段表現為試件中位置和下表面溫度各自達到了平衡，曲線比較平緩.

同時，繪制試件達到溫度平衡狀態時上、中和下位置處的溫度隨煅燒鋁礬石摻量的關系曲線圖，及計算試件達到溫度平衡時上下表面溫度差，以表征煅燒鋁礬石的隔熱降溫效果.結果如圖4所示.

圖4 不同厚度處的溫度與上下表面溫差Fig.4 Temperature at different thickness and temperature difference between top and bottom surface

由圖4可知，車轍板試件不同厚度處的溫度均隨煅燒鋁礬石摻量的增大而降低，表現出了良好的降溫效果，其對不同厚度處的降溫效果排序為上表面<中位置<下表面.同時，試件上下表面溫差隨煅燒鋁礬石摻量的增大而增大，這進一步說明了煅燒鋁礬石的加入具有隔熱降溫作用，且其摻量達到60%時，該作用最顯著.因此，推薦AC-13混合料中煅燒鋁礬石最佳摻量為60%.

綜上，煅燒鋁礬石粗集料的摻入延緩了熱量在試件內部的傳遞，使試件不同厚度處表現出不同的升溫過程和降溫行為，同時降低了試件的溫度.摻加煅燒鋁礬石的AC-13瀝青混合料具有良好的隔熱降溫效果，這是因為煅燒鋁礬石具有低吸熱率和低導熱系數，這有效地改變了瀝青混合料的熱物參數，即減小了瀝青混合料的導熱系數.

2.3 不同類型混合料的隔熱降溫性能

試驗選擇AC-13和SMA-13瀝青混合料作為研究對象，通過分析煅燒鋁礬石在不同摻量時二者混合料的隔熱降溫性能，對不同類型混合料的隔熱降溫性能進行評價.二者車轍板試件溫度達到平衡時不同厚度處的溫度及上下表面溫差計算結果分別如圖5和圖6所示.

圖5 溫度平衡時不同厚度處的溫度Fig.5 Different thickness’s temperature at the temperature balance

圖6 溫度平衡時上下表面的溫度差Fig.6 Temperature difference between top and bottom surface at the temperature balance

根據圖5和圖6，在相同摻量下，SMA-13混合料試件上表面、中位置和下表面溫度均較高，且其上下表面溫差值均小于AC-13混合料，這說明煅燒鋁礬石的摻入對SMA-13混合料的降溫效果劣于對AC-13混合料的降溫效果.究其原因，一方面SMA-13混合料表現出“三多一少”的特點，即粗集料、礦粉和瀝青用量多，細集料用量少，雖然煅燒鋁礬石粗集料的替換量較AC-13混合料中多，但瀝青用量的增加成為制約SMA-13混合料溫度下降的主要因素；另一方面，雖然SMA-13混合料中添加的纖維穩定劑自身具有良好的絕熱性能，但同時纖維穩定劑具有吸油和可能的搭橋交聯作用，兩種作用能夠使集料表面形成更厚的結構瀝青膜，從而增加了混合料的導熱性能.

此外，根據圖6，SMA-13混合料中煅燒鋁礬石摻量為80%時的降溫效果與AC-13混合料中煅燒鋁礬石摻量為60%時的降溫效果相接近，且該摻量下的降溫效果最明顯，摻量大于80%時降溫幅度趨于平緩.因此，推薦SMA-13混合料中煅燒鋁礬石的最佳摻量為80%.

3 阻熱型瀝青混合料的路用性能評價

瀝青混合料良好的路用性能是其應用于實體工程的保證，本節分別探究兩種熱阻式瀝青混合料的高溫性能、低溫性能、水穩定性和水熱耦合作用下的路用性能，為阻熱型瀝青混合料在實體工程中的應用奠定良好的理論基礎.

3.1 高溫性能

高溫性能采用國標車轍試驗方法，以動穩定度指標評價其高溫性能.試驗首先采用輪碾法分別成型未摻加煅燒鋁礬石的AC-13車轍板試件(AC-13-0%)、煅燒鋁礬石在最佳摻量時的AC-13車轍板試件(AC-13-60%)、未摻加煅燒鋁礬石的SMA-13車轍板試件(SMA-13-0%)和最佳摻量時的SMA-13車轍板試件(SMA-13-80%)，然后按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中的方法進行車轍試驗.動穩定度測定結果如圖7所示.

圖7 不同類型的混合料動穩定度測定結果Fig.7 Results of dynamic stability of different types of mixtures

根據圖7，煅燒鋁礬石在最佳摻量條件下，AC-13和SMA-13混合料的動穩定度分別為未摻加煅燒鋁礬石試件的1.58和1.11倍，表明二者混合料的高溫性能均有較大幅度的提升，且其對AC-13混合料高溫性能的提升幅度更大.二者混合料高溫性能顯著提高是煅燒鋁礬石具有減緩溫度上升速率及良好降溫功效的結果，這保證了瀝青路面良好的高溫抗車轍能力.

3.2 低溫性能

采用低溫小梁彎曲蠕變試驗分別測定煅燒鋁礬石在不同摻量時車轍板試件的低溫性能，以分析煅燒鋁礬石摻量對試件低溫性能的影響，并對煅燒鋁礬石在最佳摻量時試件的低溫性能進行評價.試驗結果如圖8所示.

圖8 煅燒鋁礬石在不同摻量下的低溫破壞應變Fig.8 Low temperature failure strain of calcined Bauxite at different dosages

根據圖8，兩種瀝青混合料在摻加煅燒鋁礬石后的低溫性能均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》的要求，且煅燒鋁礬石的摻量對其低溫性能的影響較小，各摻量條件下的試件均表現出良好的低溫性能.

3.3 水穩性能

水穩定性采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗測定，分別以殘留穩定度MS0和殘留強度比TSR指標評價混合料的水穩定性，二者需同時滿足《公路瀝青路面施工技術規范》中的要求.試驗分別測定了AC-13-0%、AC-13-60%、SMA-13-0%和SMA-13-80%混合料的水穩定性指標，測定結果如圖9所示.

圖9 混合料殘留穩定度和殘留強度比測定結果Fig.9 Results of residual stability and residual strength ratio of mixtures

由圖9可知，煅燒鋁礬石的摻加對AC-13和SMA-13瀝青混合料的水穩定性均有較大程度的不利影響，使其殘留穩定度MS0和殘留強度比TSR下降至規范限值附近.其中，煅燒鋁礬石在最佳摻量條件下，AC-13混合料的MS0和TSR值分別下降6.8%和3.9%，SMA-13混合料的MS0和TSR值分別下降5.3%和3.8%，這一方面表明煅燒鋁礬石對混合料水穩定性的不利影響，一方面體現出煅燒鋁礬石對AC-13水穩定性的不利影響更顯著.

瀝青混合料的水穩定性受到礦料性質、瀝青結合料的粘結作用、空隙率和有效瀝青膜厚度等因素的影響.其中，由于煅燒鋁礬石與集料的黏附性能差、吸水率大和表面微孔隙發育等性質，成為降低瀝青混合料的抗水損害性能的主要因素.

綜上，煅燒鋁礬石在最佳摻量條件下，混合料具有良好的高低溫性能，而水穩性能相對不足.因此，建議將其用于降雨量小于1 000 mm的濕潤區、半干旱區和干旱區，或采取添加有機胺和消石灰等抗剝落劑措施，以改善混合料的水穩定性能，從而減少路面的水損害現象和由水損害導致的養護費用附加問題.

3.4 水熱綜合作用

采用漢堡車轍試驗(Hamburg wheel-track device, HWTD)評價阻熱型瀝青混合料在水熱綜合作用下的路用性能，漢堡車轍試驗能夠實現不同試驗條件和試件形式下的系列試驗，結合研究目的，試驗成型300 mm×300 mm×50 mm的板式試件，并在水浴條件下分析評價AC-13-0%、AC-13-60%、SMA-13-0%和SMA-13-80%的抗水熱綜合作用性能.

文獻[16-18]通過分析不同溫度對基質瀝青和改性瀝青混合料抗車轍性能的影響，發現水浴60 ℃試驗條件不適用于基質瀝青混合料，此條件下基質瀝青混合料試件的車轍變形速率過快，評價結果真實性比較低，而不同改性瀝青混合料在該溫度條件下的車轍深度區分度明顯.因此，結合試驗結果建議基質和改性瀝青混合料的漢堡車轍試驗溫度分別為50 ℃和60 ℃.

圖10 漢堡車轍試驗圖像Fig.10 Image of hamburg rutting test

綜上，本文在50 ℃條件下分析AC-13-0%和AC-13-60%的抗水熱綜合作用性能，及在60 ℃條件下分析SMA-13-0%和SMA-13-80%的抗水熱綜合作用性能，試驗過程如圖10所示，車轍深度變化規律如圖11所示.

圖11 漢堡車轍試驗結果Fig.11 Results ofhamburg rutting test

由圖11可知，二者混合料的車轍變形過程均可劃分為初期壓密階段和后期平穩階段，負荷輪作用20 000次后，煅燒鋁礬石在最優摻量時AC-13和SMA-13混合料的車轍深度分別是未摻加煅燒鋁礬石的0.65倍和0.71倍，表明煅燒鋁礬石的摻入可明顯改善混合料的抗水熱綜合作用性能.作為密級配瀝青混合料，AC-13和SMA-13混合料的設計空隙率較小，水分難以滲透入試件內部，因此，試件內部溫度的上升主要取決于試件表面的熱傳導作用.由于煅燒鋁礬石的阻礙和延緩熱量傳遞作用，使通過循環水的熱對流作用在試件表面產生的熱量難以傳遞至試件內部，從而有效地提高了二者混合料的抵抗水熱綜合作用性能.

4 結論

(1)AC-13車轍板試件不同厚度處表現出不同的升溫過程和隔熱降溫行為，煅燒鋁礬石對不同厚度處的降溫幅度排序為下表面>中位置>上表面，且不同厚度處的降溫幅度均隨煅燒鋁礬石摻量的增大而升高，以及隨著煅燒鋁礬石摻量的增大，試件上下表面溫差逐漸增大，表現出良好的隔熱降溫性能.

(2)煅燒鋁礬石對AC-13混合料的隔熱降溫效果優于對SMA-13混合料的隔熱降溫效果，綜合考慮降溫幅度和經濟性，推薦AC-13混合料中的煅燒鋁礬石最佳摻量為60%，SMA-13混合料中的煅燒鋁礬石最佳摻量為80%.

(3)煅燒鋁礬石在最佳摻量條件下，AC-13和SMA-13混合料具有優異的高溫抗車轍性能和良好的抵抗水熱綜合作用的性能，但二者的低溫破壞應變值接近于規范要求，水穩性能相對不足，因此，建議將其應用于年降雨量小于1 000 mm的濕潤區、半干旱區和干旱區，或使用時采用添加抗剝落劑等措施，以保證其水穩性能.

(4)煅燒鋁礬石摻量對混合料的低溫性能影響不明顯，各摻量條件下的AC-13和SMA-13混合料試件具有良好的低溫性能.