相變儲熱瀝青路面對提升路面性能的影響研究

陳泓列 董浩垠 賴江雪 李函笑 付祖智

◆摘? 要：針對桂林市瀝青路面的實際情況，試驗主要是研究相變材料聚乙二醇對基質瀝青和AC-13混合料的基本性能、高溫穩定性、降溫性能及抗車轍性能的影響，并將PEG2000作為實驗要加入的相變材料。研究結果表明：隨著相變材料的摻量增加，瀝青混合料的高溫穩定性有明顯的提升，但對延度等低溫性能影響大，需控制相變材料的摻量。

◆關鍵詞：相變材料;聚乙二醇2000;高溫穩定性;降溫性能;抗車轍性能

1引言

桂林市雨水豐富，夏季時間長，日照充足，氣溫較高，且雨熱基本同季。對桂林地區瀝青路面車轍破壞的初步調查顯示：在高溫和雨水的雙重影響下，目前桂林市瀝青路面易出現車轍、裂縫、松散、坑槽等病害現象。高溫和雨水的聯合作用是導致被研究路面過早出現上述病害的主要原因。

長期以來，研究人員從瀝青混合料性能提升和瀝青路面結構改良等方面提出了一系列的抗車轍措施，如新材料、新工藝、新設備等研究。雖然這些措施能夠在一定程度上增強瀝青路面的抗車轍性能，但是這些措施忽視了溫度對瀝青路面影響這一重要因素，實施效果有限。聚乙二醇是一種水溶性良好的高分子化合物，可在相應熔點下熔化，吸收或釋放熱量保持溫度維持在一定范圍，是一種很好的相變材料，在工程中經常作為相變材料被使用。國內外在聚乙二醇相變材料維持溫度穩定性做了許多研究。為此，本研究在已有相變材料研究的基礎上，在瀝青混合料中添加相變材料制備改性瀝青混合料，研究在高溫和雨水的作用下，相變材料摻入瀝青混合料對瀝青路面性能的提升。

2桂林市瀝青路面路面性能調查情況及分析

研究小組于去年八月中旬選取了桂林市幾段典型性路段的路面進行調查。以普陀路、中山北路、六合路、解放東路等為代表的市區中心瀝青道路路段和以環城北二路、環城西二路為代表的外環瀝青道路作為研究對象。

從表中看出，市區中心道路非機動車道路面破壞以啃邊和擁包為主，機動車道中間路面以橫、縱裂縫破壞為主，機動車道邊緣以松散、啃邊為主;外環道路路段及縣級公路相較市區中心道路更為普遍和嚴重，非機動車道以坑槽和裂縫為主，機動車道以坑槽和橫向裂縫為主。由以上調查結果可知桂林市的瀝青路面通常出現松散、坑槽、裂縫、車轍和擁包等病害情況，而雨熱同季即高溫氣候及雨水豐沛的聯合作用是導致桂林市瀝青路面病害出現的主因。水對瀝青混凝土產生軟化、 剝離和沖刷作用，降低瀝青與集料的粘附性造成瀝青混凝土松散、形成坑槽。實地調查的桂林市瀝青路面結果充分地體現了桂林市瀝青路面的高溫穩定性和水穩性普遍不足。

3相變瀝青混合料路用性能研究

基于前人研究經驗，利用聚乙二醇的相變儲熱特性本研究將不同比例的聚乙二醇作為相變材料摻入瀝青混合料中研究水穩定性、高低溫穩定性以及抗車轍性能等。

3.1相變材料和瀝青混合料的選擇

本文主要根據相變材料的溫度，水穩定性和熱穩定性幾個指標來選擇相變材料。由于相變材料PE2000屬于無機非金屬晶體材料，能夠在瀝青中產生相互作用，提高瀝青混凝土的導熱性能，故本研究采用相變材料PE2000。采用熱拌法將AC-13級配碎石與瀝青拌和得到瀝青混合料。

3.2相變材料對瀝青混合料高溫穩定性的影響

3.2.1室外升溫模擬試驗

為了更加準確地反映實際瀝青混凝土路面的溫度狀況，對恒溫瀝青混凝土試件進行室外模擬試驗，研究瀝青混凝土的調溫效果。根據AC-13級配，根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》《JTGE20-2011》PEG2000制作摻量分別為0、5%、10%、15%和20%（PEG2000與瀝青質量的百分比）的馬歇爾試件，利用試驗儀器按照上述試驗步驟進行室外模擬試驗。在馬歇爾試件從中心鉆0.5cm的孔，將溫度記錄器插入孔內，并用成型的混合料的余料填充空隙。模擬路面升溫過程，將馬歇爾試件放置在晴天無遮擋的室外，每隔15min記錄一次，連續12h，溫度記錄結果測試其在室外溫度變化的情況下，對比不同配比的瀝青混合料試件的溫度升高情況，檢測其高溫穩定性。

3.2.2試驗結果分析

由圖可知，在升溫階段，五個試件的溫差隨時間增長而變大。當溫度達到50℃左右時，未摻入PEG2000的試件升溫曲線比較陡峭，而摻入PEG2000的試件，升溫曲線變化較為緩慢，溫度低于未摻入PEG2000的試件。說明相變材料在氣溫上升過程中都產生了“減少升溫速率”和“降低高溫峰值”的效果，其中在14：00～16：00降溫幅度最大，與未摻入相變材料PEG2000的試件相比達到了1.6℃的降溫效果，如圖1 所示摻量5%的試件降溫效果最好。在氣溫下降過程中，摻入相變材料PEG2000的試件和未摻入相變材料PEG2000的試件降溫效果基本一致。

3.3浸水馬歇爾試驗

采用自動馬歇爾擊實儀成型圓柱體試件，根據規范規定，桂林市市區路面的擊實次數為雙面各75次。將成型好的標準馬歇爾試件分為兩組，一組在60℃恒溫水槽中保溫30-40 min后測其馬歇爾穩定度Ms1;另一組在60℃恒溫水槽中保溫48h后測其馬歇爾穩定度MS2;由式（1）計算殘留穩定度

[Ms=ms2Ms1×100%]

式中：Ms為試件的浸水殘留穩定度（%）;Ms1為試件的穩定度（KN）;Ms2為試件浸水48h后的穩定度（KN）

3.3.1不同摻量相變材料對浸水馬歇爾試驗的影響

為了研究相變材料對瀝青混合料對瀝青路面水穩定性的影響，采用浸水馬歇爾試驗的方法制定相應研究方案。摻量0%、5%、10%、15%和20%的瀝青混合料各制備2組試件，第一組在60℃的恒溫水槽中浸水0.5h后測試其穩定度Ms1，第二組在60℃的恒溫水槽中浸水48h后測試其穩定度Ms2，試驗結果見表2。

3.3.2試驗結果及分析

由表2可知，隨著相變材料的摻量增加，瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩定度逐漸降低，這是由于相變顆粒聚乙二醇（PEG2000）對水的吸附能力大于瀝青，當受到水的作用，瀝青膜更容易脫落從而破壞瀝青混合料。雖然想變材料的摻入降低了瀝青混合料的水穩定性能，但大多數仍能滿足我國規范《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）的要求值，只有摻量20%相變材料的瀝青混合料殘留穩定度不符合規定的大于或等于85%的技術要求。

3.4車轍實驗

根據實驗相關結論表明，各種相變材料摻量的改性瀝青抗車轍因子均隨溫度升高而呈現下降的趨勢，但均高于基質瀝青;且摻量越多，抗車轍因子越大，表明PEG的摻加可有效改善瀝青的高溫穩定性，增強高溫抗車轍能力。

由圖可知，不同摻量的改性瀝青相位角均隨溫度的升高而呈現上升的趨勢，但均低于基質瀝青，且摻量越多，δ越小，說明高溫抗車轍能力有所提高。

4結論

在瀝青混合料中摻入聚乙二醇相變材料后，高溫穩定性變高，水穩性雖降低但是在規定范圍內。而且實驗中發現隨著聚乙二醇摻入量的增大，瀝青混合料高溫穩定性趨勢沒有增加反而降低且水穩性不斷降低。經研究分析在5%時能同時具有較好的高溫穩定性和水穩性，滿足桂林市氣候條件對瀝青路面影響，對減少瀝青路面病害有較大幫助。