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(yè)技術(shù)學(xué)院 公路與鐵道工程學(xué)院，陜西 西安 710018；2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；3.阜陽師范學(xué)院 信息工程學(xué)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(dá)到90%～95%，尤其在夏季高溫時，瀝青路面的路表溫度可達(dá)到55～65 ℃[1-3].調(diào)查顯示，我國城市道路覆蓋率已達(dá)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(yīng)”現(xiàn)象的主要影響因素之一[4-6].此外，文獻(xiàn)[7]指出，當(dāng)路表面溫度低于55 ℃時，車轍將被限制在毫米級別內(nèi)，且其速度發(fā)展緩慢，而當(dāng)路表面溫度達(dá)到55～65 ℃時，車轍將以厘米級的速度發(fā)展.高溫車轍病害的產(chǎn)生與發(fā)展不僅給道路養(yǎng)護(hù)工作帶來了巨大壓力，而且顯著降低了道路的服務(wù)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(dá)到減輕城市“熱島效應(yīng)”及瀝青路面高溫車轍病害的目的，具有顯著的現(xiàn)實意義.

在瀝青路面上設(shè)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(yīng)用仍然存在一些局限性，主要表現(xiàn)為①涂覆層的施工均勻性和厚度不易控制；②涂覆層嚴(yán)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(yīng)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(chǔ)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(quán)-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(shè)計了SMA-10熱阻薄層罩面，分析了薄層罩面對混合料內(nèi)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(fā)現(xiàn)電氣石的添加能夠顯著提高混合料的高、低溫和水穩(wěn)性能[14].綜合研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，目前的研究主要體現(xiàn)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(guān)內(nèi)容有待進(jìn)一步研究探討.

本文選擇具有低導(dǎo)熱系數(shù)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(chǔ)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(yīng)用具有理論指導(dǎo)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(yīng)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(zhì)瀝青、玄武巖粗集料和細(xì)集料、煅燒鋁礬石粗集料及石灰?guī)r礦粉；SMA-13制備原材料由SBS改性瀝青、木質(zhì)素纖維穩(wěn)定劑、玄武巖粗集料和細(xì)集料、煅燒鋁礬石粗集料及石灰?guī)r礦粉構(gòu)成.由于原材料良好的技術(shù)性能是其具有優(yōu)良物理力學(xué)性能的前提和保證，因此，首先對原材料的技術(shù)性能進(jìn)行了測定，以使其滿足相關(guān)規(guī)范要求[15].其中，粗集料的基本性能指標(biāo)測定結(jié)果如表1所列.

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

1.2 混合料配合比設(shè)計

阻熱型瀝青混合料的配合比設(shè)計方法與普通瀝青混合料配合比設(shè)計方法類似，需依次經(jīng)過集料物理參數(shù)的測定、礦料級配設(shè)計及最佳油石比的確定.AC-13和SMA-13礦質(zhì)混合料配合比設(shè)計結(jié)果如表2所列，采用馬歇爾設(shè)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(shè)計空隙率為(4±0.5)%，纖維穩(wěn)定劑摻量為混合料總質(zhì)量的0.3%.

表2 AC-13和SMA-13礦質(zhì)混合料級配設(shè)計結(jié)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(shè)計

(1)隔熱降溫特性分析

根據(jù)實際太陽對路面的輻射規(guī)律，自制隔熱降溫測試設(shè)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(guī)律，對比評價AC-13和SMA-13混合料隔熱降溫性能的優(yōu)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(wěn)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(jù)相關(guān)規(guī)范要求對其路用性能做出評價，以為其工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo).

2 阻熱型瀝青混合料的隔熱降溫特性分析

2.1 室內(nèi)模擬太陽輻射試驗方法

(1)試驗設(shè)備

為了在室內(nèi)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(huán)境因素的影響而造成試驗結(jié)果重現(xiàn)性差等問題，通過合理選擇光源、確定測試參數(shù)及驗證設(shè)備輻射均勻性等步驟.先進(jìn)行室內(nèi)模擬太陽輻射試驗設(shè)備的制作.其中，考慮到碘鎢燈發(fā)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(nèi)模擬時的光照強度為固定值，為與現(xiàn)場測試結(jié)果保持一致性，需對影響溫度測試結(jié)果的輻射強度和時間進(jìn)行等效換算，借鑒文獻(xiàn)[7]的換算方法，確定的室內(nèi)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(shù)量、排布方式、距離車轍板試件高度及設(shè)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(jìn)行測定，并依據(jù)理論輻射強度(788 W/m2)對上述各因素進(jìn)行調(diào)整，最終確定的測試設(shè)備總體結(jié)構(gòu)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(shè)備結(jié)構(gòu)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(shè)備測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，試驗依據(jù)表2中的礦質(zhì)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(tǒng)計學(xué)公式(1)、(2)和(3)所示的控制條件對其輻射均勻性進(jìn)行驗證，驗證結(jié)果表明設(shè)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(jìn)行標(biāo)記，并依據(jù)圖2尺寸對其進(jìn)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(jìn)行封孔，以固定溫度傳感器并防止可能的自然通風(fēng)等環(huán)境因素對溫度測試造成的影響，從而保證測溫結(jié)果的準(zhǔn)確性.其次，測定試件上表面、中位置和下表面的溫度變化規(guī)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(jié)果.

2.2 不同厚度處的升溫過程與降溫行為

按照室內(nèi)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(qū)間的變化規(guī)律，測定結(jié)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(jù)圖3(a)，當(dāng)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(shù)上升，上升速度較快，隨后逐漸趨于平緩；當(dāng)其摻量達(dá)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(dá)相同溫度而需要的時間，且達(dá)到試件表面降溫的目的.

根據(jù)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(wěn)定階段.緩慢上升階段表現(xiàn)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(xù)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(dāng)煅燒鋁礬石摻量達(dá)到60%時降溫幅度最顯著；穩(wěn)定階段表現(xiàn)為試件中位置和下表面溫度各自達(dá)到了平衡，曲線比較平緩.

同時，繪制試件達(dá)到溫度平衡狀態(tài)時上、中和下位置處的溫度隨煅燒鋁礬石摻量的關(guān)系曲線圖，及計算試件達(dá)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(jié)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(xiàn)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(jìn)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(dá)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(nèi)部的傳遞，使試件不同厚度處表現(xiàn)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(dǎo)熱系數(shù)，這有效地改變了瀝青混合料的熱物參數(shù)，即減小了瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù).

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(jìn)行評價.二者車轍板試件溫度達(dá)到平衡時不同厚度處的溫度及上下表面溫差計算結(jié)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(jù)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(xiàn)出“三多一少”的特點，即粗集料、礦粉和瀝青用量多，細(xì)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(wěn)定劑自身具有良好的絕熱性能，但同時纖維穩(wěn)定劑具有吸油和可能的搭橋交聯(lián)作用，兩種作用能夠使集料表面形成更厚的結(jié)構(gòu)瀝青膜，從而增加了混合料的導(dǎo)熱性能.

此外，根據(jù)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(yīng)用于實體工程的保證，本節(jié)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(wěn)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(yīng)用奠定良好的理論基礎(chǔ).

3.1 高溫性能

高溫性能采用國標(biāo)車轍試驗方法，以動穩(wěn)定度指標(biāo)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(guī)程》中的方法進(jìn)行車轍試驗.動穩(wěn)定度測定結(jié)果如圖7所示.

圖7 不同類型的混合料動穩(wěn)定度測定結(jié)果Fig.7 Results of dynamic stability of different types of mixtures

根據(jù)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(wěn)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(jié)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(jìn)行評價.試驗結(jié)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(yīng)變Fig.8 Low temperature failure strain of calcined Bauxite at different dosages

根據(jù)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(shù)規(guī)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(xiàn)出良好的低溫性能.

3.3 水穩(wěn)性能

水穩(wěn)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(wěn)定度MS0和殘留強度比TSR指標(biāo)評價混合料的水穩(wěn)定性，二者需同時滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)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(wěn)定性指標(biāo)，測定結(jié)果如圖9所示.

圖9 混合料殘留穩(wěn)定度和殘留強度比測定結(jié)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(wěn)定性均有較大程度的不利影響，使其殘留穩(wěn)定度MS0和殘留強度比TSR下降至規(guī)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(wěn)定性的不利影響，一方面體現(xiàn)出煅燒鋁礬石對AC-13水穩(wěn)定性的不利影響更顯著.

瀝青混合料的水穩(wěn)定性受到礦料性質(zhì)、瀝青結(jié)合料的粘結(jié)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(fā)育等性質(zhì)，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(wěn)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(qū)、半干旱區(qū)和干旱區(qū)，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(wěn)定性能，從而減少路面的水損害現(xiàn)象和由水損害導(dǎo)致的養(yǎng)護(hù)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?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)不同試驗條件和試件形式下的系列試驗，結(jié)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(xiàn)[16-18]通過分析不同溫度對基質(zhì)瀝青和改性瀝青混合料抗車轍性能的影響，發(fā)現(xiàn)水浴60 ℃試驗條件不適用于基質(zhì)瀝青混合料，此條件下基質(zhì)瀝青混合料試件的車轍變形速率過快，評價結(jié)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(qū)分度明顯.因此，結(jié)合試驗結(jié)果建議基質(zhì)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(guī)律如圖11所示.

圖11 漢堡車轍試驗結(jié)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(wěn)階段，負(fù)荷輪作用20 000次后，煅燒鋁礬石在最優(yōu)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(shè)計空隙率較小，水分難以滲透入試件內(nèi)部，因此，試件內(nèi)部溫度的上升主要取決于試件表面的熱傳導(dǎo)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(huán)水的熱對流作用在試件表面產(chǎn)生的熱量難以傳遞至試件內(nèi)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(jié)論

(1)AC-13車轍板試件不同厚度處表現(xiàn)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(xiàn)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(yōu)于對SMA-13混合料的隔熱降溫效果，綜合考慮降溫幅度和經(jīng)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(yōu)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(yīng)變值接近于規(guī)范要求，水穩(wěn)性能相對不足，因此，建議將其應(yīng)用于年降雨量小于1 000 mm的濕潤區(qū)、半干旱區(qū)和干旱區(qū)，或使用時采用添加抗剝落劑等措施，以保證其水穩(wěn)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.