瀝青混合料熱阻性能影響因素的研究

商曉儒

(遼寧省交通規(guī)劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

瀝青路面廣泛地應用于我國的高速公路和城市道路中，但其在使用過程中也存在一定的缺陷，一方面，瀝青作為一種對太陽輻射吸熱率極高的材料用于瀝青路面中，路表面的溫度很容易升高，直接導致瀝青混合料的承載能力下降，在車輛荷載反復作用下，很容易出現(xiàn)高溫車轍[1]；另一方面，瀝青路面在城市道路使用過程中釋放的路面長波輻射能量，再加上如此密集的城市建筑物和人群，將進一步加劇城市的“熱島效應”，使得城市中心溫度比郊區(qū)溫度高出數(shù)10℃[2]。

目前，解決瀝青路面高溫車轍的方法主要有優(yōu)化混合料級配設計、選用改性瀝青和摻加抗車轍劑三種[3]，雖然對減小高溫車轍有一定作用，但不能從根本上解決瀝青路面升溫問題。而對于城市“熱島效應”問題，大部分地區(qū)還是通過種植花草樹木、增加綠地面積等傳統(tǒng)方法來解決，雖然能起到一定的作用，但是忽略了引起“熱島效應”問題的根本原因，其主要是與瀝青路面和城市建筑群體分布有直接關系。因而，亟需一種方法從根本上解決瀝青路面升溫問題。

通過收集和查閱國內外瀝青路面降溫技術的相關資料知，瀝青路面降溫技術可以從根本上解決路面升溫問題[4-5]，具有良好的應用前景。通過對瀝青混合料比熱容測試方法和導熱系數(shù)測試方法的研究，提出更準確的熱物理參數(shù)測試方法和儀器，利用選定的測試方法和儀器，分析瀝青種類、集料類型、空隙率和級配類型對瀝青混合料比熱容及阻熱性能的影響，為熱阻罩面原材料選擇提供依據(jù)。

1 試驗與材料

1.1 瀝青

選用SK90#基質瀝青、殼牌70#基質瀝青和SBS1-C改性瀝青進行瀝青混合料熱物理特性研究，瀝青試驗指標按《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)的要求進行測試，經測試，三種瀝青的主要技術指標均滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG-2004)的技術要求，其測試結果見表1和表2。

表1 基質瀝青技術指標

表2 SBS1-C改性瀝青技術指標

1.2 集料

為了研究不同集料對瀝青混合料熱物理參數(shù)的影響，選擇四種道路上常用集料(輝綠巖、石灰?guī)r、閃長巖、花崗巖)進行瀝青混合料熱物理特性研究，巖石巖性分析結果見表3～表6。

表3 輝綠巖巖性分析結果

表4 石灰?guī)r巖性分析結果

表5 閃長巖巖性分析結果

表6 花崗巖巖性分析結果

1.3 礦粉

礦粉由石灰?guī)r磨制而成，技術指標見表7。

表7 礦粉主要技術指標

2 試驗方案

為研究瀝青種類、集料種類、混合料空隙率和級配類型對混合料比熱容的影響，采用控制單一變量的原則，研究各因素對混合料比熱容的影響，級配均采用中值級配，試驗試件按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)中的方法成型標準馬歇爾試件，測試不同混合料類型馬歇爾試件的比熱容和導熱系數(shù)。

2.1 比熱容測試方法

比熱容是反應材料儲存能量大小的一個參數(shù)，比熱容越大，則表明該材料儲存能量的能力更強。目前常見的測試方法常用比較法、絕熱法、混合法、電脈沖加熱法、衡量熱計法等測試材料的比熱容[6]。采用自主研發(fā)的比熱容測試儀器進行測量，是混合法和絕熱法的結合，測試儀如圖1和圖2所示。

圖1 比熱容量熱器

圖2 溫度采集儀

2.2 導熱系數(shù)測試方法

導熱系數(shù)是反應材料導熱能力大小的一個參數(shù)，材料的導熱系數(shù)越大，表明它的導熱能力越強。選用瞬態(tài)熱線法測量混合料的導熱系數(shù)。

3 混合料比熱容影響因素研究

3.1 瀝青種類對混合料比熱容的影響

選擇殼牌70#基質瀝青、SK90#基質瀝青及SBS1-C改性瀝青，OGFC-10中值級配，輝綠巖，瀝青用量為5.1%，分別成型標準馬歇爾試件進行試驗，測試結果見圖3。

圖3 混合料比熱容與瀝青種類的關系

由圖3試驗結果可以看出，采用不同瀝青種類成型的混合料，其比熱容大小存在一定差異，其中，用SBS1-C改性瀝青成型的混合料比熱容明顯比兩種基質瀝青成型的混合料比熱容大；而兩種基質瀝青之間，殼牌70#瀝青成型的混合料比熱容比SK90#大，結合表1知，這與瀝青密度有關系，瀝青密度越大，成型的混合料比熱容就越大。

3.2 集料種類對混合料比熱容的影響

為研究集料種類單一因素對混合料比熱容的影響，取石灰?guī)r、閃長巖、輝綠巖及花崗巖四種集料進行比熱容的測定，取OGFC-10中值級配，瀝青為SBS1-C，瀝青用量為5.1%，試驗結果見圖4。

圖4 瀝青混合料比熱容與集料種類的關系

由試驗結果知，在瀝青種類、瀝青用量和級配類型均相同的情況下，四種集料成型的試件比熱容大小為：輝綠巖>閃長巖>石灰?guī)r>花崗巖，這與巖石的巖性組成有關，結合表3～表6，從各巖石巖性組成比例分析，這不是由單一巖性組成所決定的，是由多種巖性組成共同作用的。

3.3 混合料空隙率對混合料比熱容的影響

為了控制空隙率單一變量對瀝青混合料比熱容的影響，選擇級配類型為OGFC-10，采用中值級配，集料選用輝綠巖，瀝青選用SBS1-C改性瀝青，瀝青用量為5.1%，通過采用不同擊實次數(shù)來獲得不同的空隙率，35、50、65、70次的擊實次數(shù)下對應的混合料空隙率分別為18.1%、15.6%、13.9%、13.1%，測試結果見圖5。

圖5 瀝青混合料比熱容與混合料空隙率的關系

由試驗結果知，瀝青混合料比熱容隨混合料空隙率的增大而增大，這是因為混合料空隙越大，空隙中填充的空氣越多，原來用混合料填充的部分被空氣所取代，而空氣散熱能力又比混合料散熱能力差，所以空隙率大的混合料儲熱能力更強，比熱容也就越大。

3.4 級配類型對比熱容的影響

為研究級配類型對混合料比熱容的影響，選擇AC-10、OGFC-10和SMA-10三種級配類型，采用中值級配，選用SBS1-C改性瀝青，瀝青用量分別為4.7%、5.1%、6.1%。按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》的方法成型標準馬歇爾試件，測試結果見圖6。

圖6 瀝青混合料比熱容與級配類型的關系

由試驗結果知，三種級配混合料的比熱容大小依次為：SMA-10>OGFC-10>AC-10，這是由于SMA-10混合料的瀝青用量最多，瀝青吸熱儲熱能力更強，因而比熱容最大。OGFC-10混合料與AC-10混合料相比，其空隙率更大，瀝青用量更多，所以比熱容比AC-10大。

4 混合料導熱系數(shù)和熱阻能力影響因素研究

導熱系數(shù)是反應材料導熱能力大小的一個參數(shù)，材料的導熱系數(shù)越大，表明它的導熱能力越強。而熱擴散系數(shù)是綜合度量材料導熱能力和儲存能力的一個指標，熱擴散系數(shù)小的材料對其所處熱環(huán)境的改變反應較慢，需要更長的時間才能達到熱平衡狀態(tài)，因而內部升溫較慢，材料的阻熱能力更強。熱擴散系數(shù)α計算公式如下：

式中：α—材料熱擴散系數(shù)，m2/s；

k—材料導熱系數(shù)，W/(m·K)；

ρ—材料密度，kg/m3；

c—材料比熱容，J/(kg·K)。

(1)瀝青對混合料導熱系數(shù)和熱擴散能力的影響

選擇殼牌70#基質瀝青、SK90#基質瀝青及SBS1-C改性瀝青，級配類型選用OGFC-10級配中值，集料類型選用輝綠巖，瀝青用量為5.1%，分別成型標準馬歇爾試件進行試驗，測試結果見表8。

表8 不同瀝青熱物理參數(shù)

圖7 混合料熱物理參數(shù)與瀝青種類的關系

由試驗結果知，三種瀝青的導熱系數(shù)大小為：SBS1-C>殼牌70#>SK90#，SBS1-C改性瀝青成型的混合料導熱系數(shù)比兩種基質瀝青成型的混合料導熱系數(shù)大；而兩種基質瀝青之間，殼牌70#瀝青成型的混合料導熱系數(shù)比SK90#大，結合表1知，這與瀝青密度有關系，瀝青密度越大，成型的混合料導熱系數(shù)就越大。而熱擴散系數(shù)大小為：SK90#>殼牌70#>SBS1-C，故三種瀝青的阻熱能力大小順序為：SBS1-C>殼牌70#>SK90#。

(2)集料對混合料導熱系數(shù)和熱擴散能力的影響

取石灰?guī)r、閃長巖、輝綠巖及花崗巖四種集料進行混合料導熱系數(shù)的測定，取OGFC-10中值級配，瀝青為SBS1-C改性瀝青，瀝青用量為5.0%，測試結果見表9。

表9 不同集料熱物理參數(shù)

由圖8可知，各集料成型混合料的導熱系數(shù)大小和熱擴散系數(shù)大小均為：花崗巖>閃長巖>石灰?guī)r>輝綠巖，且各巖石之間的導熱系數(shù)差別還很明顯，究其原因，主要是各集料的巖性及其組成比例均存在一定的差別而造成的；用輝綠巖作為混合料集料時，混合料熱阻能力最強，而用閃長巖作為混合料集料時熱阻能力最弱。

圖8 混合料熱物理參數(shù)與集料種類的關系

(3)空隙率對導熱系數(shù)和熱擴散能力的影響

為研究空隙率對瀝青混合料導熱系數(shù)的影響，選擇OGFC-10中值級配，集料選用輝綠巖，瀝青選用SBS1-C改性瀝青，通過采用不同擊實次數(shù)來獲得不同的空隙率，35、50、65、70次的擊實次數(shù)下對應的混合料空隙率分別為18.1%、15.6%、13.9%、13.1%，測試結果見表10。

表10 瀝青混合料不同空隙下的熱物理參數(shù)

由圖9知，混合料的空隙率越大，其導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)越小，是由于空隙率越大，空隙中存在的空氣越多，而空氣的導熱系數(shù)比混合料的小，因而隨著瀝青混合料的空隙率增大，其導熱系數(shù)也越小。材料熱擴散系數(shù)與材料導熱系數(shù)成正比，故混合料熱擴散系數(shù)隨混合料空隙率增大而減小，熱阻性能隨空隙率增大而增強。

圖9 混合料熱物理參數(shù)與混合料空隙率的關系

(4)級配類型對混合料導熱系數(shù)和熱擴散能力的影響

選擇AC-10、OGFC-10和SMA-10三種混合料中值級配，瀝青種類和用量與3.4一樣，測定各試件的導熱系數(shù)，其結果見表11和圖10。

表11 不同混合料級配的熱物理參數(shù)

圖10 混合料熱物理參數(shù)與級配類型的關系

由表11和圖10試驗結果知，各混合料導熱系數(shù)與熱擴散系數(shù)大小均為：AC-10>SMA-10>OGFC-10，這說明級配類型對混合料導熱系數(shù)有一定的影響，OGFC-10混合料的毛體積密度最小，空隙率最大，故OGFC-10混合料的導熱系數(shù)與熱擴散系數(shù)均最小，熱阻能力也最強。

5 結論

研究了集料種類、瀝青種類、混合料空隙率和級配類型對混合料阻熱性能的影響，得出以下結論：

(1)各瀝青種類間導熱系數(shù)大小、比熱容大小均為：SBS1-C>殼牌70#>SK90#；熱阻能力大小為：SBS1-C>殼牌70#>SK90#。

(2)集料導熱系數(shù)大小依次為：花崗巖>閃長巖>石灰?guī)r>輝綠巖；比熱容大小為：輝綠巖>閃長巖>石灰?guī)r>花崗巖；而熱阻性能為：輝綠巖>花崗巖>石灰?guī)r>閃長巖。

(3)混合料導熱系數(shù)大小為：AC-10>SMA-10>OGFC-10；比熱容大小為：SMA-10>OGFC-10>AC-10；熱阻性能大小為：OGFC-10>SMA-10>AC-10。

(4)混合料導熱系數(shù)隨混合料空隙率增大而減小，比熱容剛好相反，而混合料的熱阻性能也是隨著混合料空隙率的增大而越來越好。

(5)推薦熱阻薄層罩面原材料選用輝綠巖和SBS1-C改性瀝青，級配類型選用OGFC-10，而混合料空隙率由于直接影響到混合料路用性能，所以需結合混合料路用性能后才能確定。