相變自調(diào)溫材料在瀝青路面中的應(yīng)用

張瑜

（甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 前言

瀝青混合料有明顯的溫度敏感性，大量研究表明，環(huán)境影響因素尤其是溫度對瀝青路面的工作性能有顯著影響[1]。為減輕因溫度產(chǎn)生的瀝青路面病害，本研究從瀝青混凝土內(nèi)部出發(fā)，以主動形式探索改變路面抵抗溫度適應(yīng)性能力[2]，抑制路面熱脹冷縮產(chǎn)生的車轍、開裂等現(xiàn)象，為減少冬季或寒冷區(qū)域路面結(jié)冰而引發(fā)交通事故率、保障交通運(yùn)輸效率和運(yùn)營效益探究新的研究方向。

基于相變材料的材料特性，在一定的相變轉(zhuǎn)換溫度下會發(fā)生熱量的吸收或釋放[3]，經(jīng)廣泛驗證，添加相變材料可主動控制瀝青混合料的路面溫度[4-6]。由于材料的多樣性，相變自調(diào)溫路面還需進(jìn)一步研究。本文將理論分析和室內(nèi)試驗相結(jié)合，研究不同比例的相變材料對瀝青混合料性能的影響，結(jié)合實際工程應(yīng)用，通過紅外熱成像儀所得已鋪筑DTC自調(diào)溫相變技術(shù)路面的溫度，系統(tǒng)研究混合料配合比設(shè)計和實際調(diào)溫效果的對應(yīng)關(guān)系。

1 溫度調(diào)節(jié)機(jī)理及技術(shù)優(yōu)勢

在一定的溫度環(huán)境下，加入相變材料，瀝青和相變材料發(fā)生化學(xué)鍵的斷裂與重組，具有瀝青改性作用，能進(jìn)一步提高瀝青的性能指標(biāo)，測試表明，其能夠提高瀝青在高溫下軟化點，降低低溫脆點。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生急劇變化時，路面會產(chǎn)生黑色冰層，而利用太陽能蓄熱，添加相變材料的瀝青混合料在一定溫度下可釋放熱量，進(jìn)行主動式調(diào)控瀝青路面與環(huán)境的溫差，預(yù)防路面黑冰的產(chǎn)生。路面相變材料通過能量的儲存和釋放實現(xiàn)主動式智能化的調(diào)節(jié)路面溫度，從而提高瀝青混合料的使用性能，提高其環(huán)境適應(yīng)性，有效避免溫度敏感性對瀝青混合料的影響，降低環(huán)境溫度變化的影響，延長瀝青路面的使用壽命，降低全生命周期瀝青路面的綜合養(yǎng)護(hù)成本。

此外，添加相變材料的瀝青混合料施工技術(shù)操作簡單，基本不影響原有瀝青混合料的制備流程。在瀝青噴灑后10-12s，從混凝土拌合站的觀察口將相變材料一次性放入攪拌裝置中即可，且不影響攪拌時間。該過程不需要復(fù)雜的流程工藝，也不需要添加額外的改裝拌合站生產(chǎn)設(shè)備，對外界環(huán)境無污染。

2 瀝青混合料的配合比設(shè)計

以甘肅省內(nèi)G30連霍高速公路的某試驗路段為測試路段。該路段地處河西走廊，冬季寒冷漫長，路面冰雪嚴(yán)重，且部分路段處于連續(xù)下坡路段，更加劇了路面冰雪的危險性，嚴(yán)重影響行車安全。

2.1 維修方案

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，路面病害主要表現(xiàn)為縱向裂縫及大面積的橫向裂縫，初步分析路面病害的原因是該公路服役時間較長，原路面面層瀝青老化嚴(yán)重，基層強(qiáng)度衰減，導(dǎo)致基層裂縫反射至路面。路面維修方案如下：先銑刨5cm原有面層，對裂縫、沉陷等病害進(jìn)行處置和清掃，再加鋪1cm的應(yīng)力吸收層，然后鋪筑4cm細(xì)粒式瀝青混凝土Sup-13，面層瀝青混合料中摻加0.35%相變材料[7]。

2.2 原材料

2.2.1 瀝青

工程使用的瀝青為蘭州天琛物資有限公司生產(chǎn)的SBS-I-C聚合物改性瀝青，其指標(biāo)滿足規(guī)范要求。試驗結(jié)果見表1。

表1 瀝青試驗結(jié)果匯總

2.2.2 礦粉

礦粉源自甘肅永昌玉輝工程有限公司，由石灰?guī)r扎制的石料研磨得到，檢測指標(biāo)符合規(guī)范要求。試驗結(jié)果見表2。

表2 礦粉試驗結(jié)果匯總

2.2.3 集料

所用集料源自山丹東樂碎石場，分為四種規(guī)格，集料檢測結(jié)果符合規(guī)范要求。試驗結(jié)果見表3。

表3 集料篩分及密度試驗結(jié)果匯總

2.2.4 相變材料

使用市場上廣泛應(yīng)用的一種穩(wěn)定型固固相變DTC材料，該相變材料的潛熱值達(dá)到70kJ/kg，每平方米相變材料瀝青混合料潛熱值可達(dá)22.9kJ/kg，焓值衰減率小于5.0%。

2.3 混合料配合比設(shè)計

道路調(diào)溫相變材料的摻加量應(yīng)根據(jù)項目所在區(qū)域的氣候環(huán)境綜合考慮和驗證，摻加量不得大于0.45%或小于0.30%，混合使用比例按0.05%的梯度進(jìn)行調(diào)整。摻入道路調(diào)溫相變材料對瀝青混合料的常規(guī)配合比設(shè)計不產(chǎn)生影響。

2.4 加入相變材料混合料的性能驗證

為深入研究相變材料的不同摻量和配比對瀝青混合料性能的影響，對自調(diào)溫瀝青混合料進(jìn)行了劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂、穩(wěn)定性和低溫抗裂性測試。結(jié)果表明，道路自調(diào)溫瀝青混合料在合理摻量下各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，各項性能均在控制范圍內(nèi)。該混合料的凍融劈裂試驗結(jié)果見表4。試驗表明，隨著自調(diào)溫相變材料摻量在一定范圍內(nèi)的增加，該瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，符合相關(guān)規(guī)范要求。

表4 自調(diào)溫瀝青混合料凍融劈裂測試

2.5 驗證試驗結(jié)果

依據(jù)目標(biāo)配合比，最佳油石比5.1%，按比例配料，進(jìn)行室內(nèi)馬歇爾、車轍板等試驗驗證。經(jīng)檢測，各項指標(biāo)均滿足要求。

3 工程應(yīng)用效果評價

3.1 夏季應(yīng)用效果

采用紅外熱像儀對普通路段和添加相變材料試驗段的溫度進(jìn)行監(jiān)測。結(jié)果表明，添加了道路調(diào)溫相變材料的路面溫度比普通路面低7℃左右。試驗結(jié)果見圖1和圖2，實際溫度數(shù)據(jù)見表5和表6。

圖1 夏季普通路面紅外熱成像

圖2 夏季相變材料路面紅外熱成像

表5 夏季相變材料路段路面溫度

表6 夏季普通路面溫度

3.2 冬季應(yīng)用效果

采用紅外熱像儀對冬季試驗道路和普通道路的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。結(jié)果表明，添加相變材料的路面溫度比普通路面高4.5℃。測試結(jié)果見圖3和圖4，實際溫度數(shù)據(jù)見表7和表8。

表7 冬季相變材料路段路面溫度

表8 冬季普通路面溫度

圖3 冬季普通路面紅外熱成像

圖4 冬季相變材料路面紅外熱成像

利用紅外熱像儀對冬季相變材料路面溫度與普通路段進(jìn)行對比，可直接反映兩條道路的溫差(紅色為添加相變材料的路段，藍(lán)色為普通路段)。結(jié)果如圖5所示。

圖5 冬季路面整體溫度對比

本試驗將試驗路段與普通瀝青路面進(jìn)行了全時對比。結(jié)果表明，在相同環(huán)境下，采用相變材料的路段溫度比未采用相變材料的路段高2.5～7.2℃，特別是當(dāng)普通路面的溫度小于-10℃時，相變材料路面的溫度在-5℃以內(nèi)，提高了瀝青路面對極低溫和大溫差環(huán)境的適應(yīng)性，溫度調(diào)節(jié)效果明顯。路面溫度隨時間變化曲線如圖6所示。

圖6 全時段路面溫度監(jiān)測

添加道路相變調(diào)溫材料路面可吸收太陽光能量，在低溫環(huán)境下釋放熱量，降低溫度變化引起的路面病害，有效消除公路黑冰層。現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，普通路段路面結(jié)冰亮滑，而添加相變材料路段沒有出現(xiàn)路面結(jié)冰現(xiàn)象，提高了行車安全性。

4 結(jié)論

基于道路用相變材料研究，結(jié)合實際工程應(yīng)用，系統(tǒng)研究混合料配合比設(shè)計和實際調(diào)溫效果，并對瀝青混合料試驗段的自調(diào)節(jié)效果進(jìn)行跟蹤監(jiān)測。結(jié)果表明，添加相變材料能自行調(diào)節(jié)和環(huán)境溫度場能量交換的供應(yīng)需求關(guān)系，有效避免瀝青混合料的溫度敏感性，減小因環(huán)境溫度變化引起的性能影響，延長瀝青路面壽命，降低路面養(yǎng)護(hù)管理成本。