相變材料對溫拌瀝青混合料路用性能及微觀機(jī)理的影響

李芳宇

（江西省天馳高速科技發(fā)展有限公司，江西南昌 330103）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活水平也在不斷提高，對公路的要求也越來越高。道路的交通環(huán)境是衡量一個城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平的重要指標(biāo)之一，因此，加強(qiáng)對道路的建設(shè)和養(yǎng)護(hù)就顯得尤為重要。但是，道路的建設(shè)和養(yǎng)護(hù)是一個非常復(fù)雜的過程，難免會存在一些不確定的因素影響到人們的出行體驗和交通安全，所以，必須采取相應(yīng)的措施以減少此類不確定因素的影響，而選用優(yōu)良的路面建設(shè)材料就是有效的措施之一。

瀝青混凝土作為一種優(yōu)良的路面建設(shè)材料，因其在抗拉強(qiáng)度、抗剪切應(yīng)力、抗折彎承載力等方面的顯著優(yōu)勢而得到廣泛的應(yīng)用。然而，由于我國的氣候條件復(fù)雜，高溫、嚴(yán)寒都對瀝青混凝土的路用性能有很大的負(fù)面影響，而在瀝青混合料中添加相變材料可以較好地解決這一問題。關(guān)于相變材料對溫拌瀝青混合料路用性能及微觀機(jī)理的影響，我國在此方面的研究起步較晚，目前還處于初級階段，對此加強(qiáng)研究有著重大的現(xiàn)實意義。

1 國內(nèi)外關(guān)于相變材料對溫拌瀝青混合料影響的研究現(xiàn)狀

目前，我國關(guān)于相變材料對溫拌瀝青混合料影響的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但是與國外相比還是有很大的差距。主要存在的問題是，雖然國內(nèi)外的研究方向有所不同，但局限于相變材料對低溫下瀝青混合料性能的影響。對于相變材料的研究，國內(nèi)外的專家學(xué)者從不同的角度出發(fā)，提出了很多的見解[1]。

2 相變材料對溫拌瀝青混合料性能的影響

由于相變材料具有吸收或釋放潛熱的特點(diǎn)，對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性會產(chǎn)生很大的影響。在低溫環(huán)境下，瀝青的黏度會降低，而當(dāng)瀝青處于較高的溫度時其黏度則會增高，從而導(dǎo)致瀝青的性能也隨之發(fā)生變化；因此，需要根據(jù)具體的情況選擇合適的相變材料，并對其進(jìn)行控制，以保證瀝青處于最佳性能狀態(tài)，從而保證道路路面的質(zhì)量[2]。

2.1 概述

相變材料按物質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)變方式可分為固—固相變、固—液相變、固—?dú)庀嘧?、液—?dú)庀嘧兯拇箢?，在一定的溫度和壓力下，物質(zhì)內(nèi)部會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成各種不同形狀的顆粒，這些顆粒的性質(zhì)也會隨著其外部物理化學(xué)特性的改變而變化。因此，在瀝青混合料中，可以根據(jù)所需要的力學(xué)性能要求，將具有相同密度的固態(tài)物質(zhì)進(jìn)行合理的組合，使其能夠滿足使用的需求。研究表明，瀝青混合料微觀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是，其微觀組織的分布比較均勻，并且表面的孔隙率比較大，所以，在高溫環(huán)境下，其抗壓強(qiáng)度較高，而且抗拉伸的能力也較強(qiáng)；相變材料微觀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)使得其性能的表現(xiàn)形式為，當(dāng)受到外界的作用力時，其會產(chǎn)生變形導(dǎo)致瀝青的黏度增高，同時，因為瀝青的黏度較高，就能使瀝青的抗拉、延展以及耐磨等方面的性能得到提高[3]。

2.2 相變材料的分類

在研究相變材料時，通常將其分為以下幾類：

一是無機(jī)相變材料。主要包括結(jié)晶水合鹽、熔融鹽、金屬合金等無機(jī)物，如鋁鎂石、鋁鎳礦等。

二是有機(jī)相變材料。主要包括石蠟、羧酸、多元醇等有機(jī)物，如硅酸鉛、二氧化硅等。由多種組分組成的復(fù)合型瀝青混合料即是一種有機(jī)相變材料，其中有一些組分是通過摻雜其他的物質(zhì)實現(xiàn)的。

三是合成橡膠。根據(jù)分子結(jié)構(gòu)的差異，可以將其歸納為一類，如聚乙炔、聚丙烯酰胺聚氨酯、環(huán)氧丙烷、甲苯二異氰酸鹽、二異氰酸鹽丁酮、三異氰酸鹽丁基苯磺酸鈉、甲基辛醇正戊四氫呋喃烴、環(huán)氧樹烷酮、三氯化碳等。

2.3 相變材料的正交優(yōu)化

在對相變材料進(jìn)行正交優(yōu)化的過程中，需要根據(jù)實際情況選擇出最優(yōu)的組合方案，并對其性能做出評價。在同一環(huán)境條件下，不同相變材料的性能是各不相同的，因此在選取合適的相變材料時，要考慮各種因素的影響，并結(jié)合具體的施工要求，制定出最合理的配置。

本文研究的主要內(nèi)容是利用正交試驗設(shè)計方法，以瀝青為基本原材料，采用熱重試驗和低溫再生法，分別對其高溫失重率、溫度穩(wěn)定性以及凍融循環(huán)次數(shù)等指標(biāo)的變化規(guī)律進(jìn)行研究，從而得到最佳的配合比。

2.4 相變材料的性能及經(jīng)濟(jì)效益

在實際的工程建設(shè)中，會用到很多材料，但是這些材料的性質(zhì)和性能都不一樣，所以在施工時，需要根據(jù)不同的情況進(jìn)行選擇，這樣才能保證公路的整體質(zhì)量。

第一，相變材料的力學(xué)性能在對瀝青混合料性能影響的研究中是一個很重要的指標(biāo)，其直接影響到瀝青混合料的使用性能。如果所選用的原材料的抗壓強(qiáng)度比較高，就可以提高瀝青混合料的耐久性，從而延長路面的使用壽命。

第二，相變材料的經(jīng)濟(jì)效益。由于我國的公路里程不斷增加，對瀝青的需求量也隨之增大，但瀝青價格昂貴的缺陷卻一直制約著公路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展。而添加相變材料能夠有效地提升瀝青混合料的使用性能、延長其使用壽命，從另一個角度看，即是減少了瀝青的使用量、降低了工程施工成本，在實現(xiàn)節(jié)能減排的同時創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，綠色出行的觀念逐漸深入人心，只有將節(jié)能減排的理念融入公路建設(shè)中，才能實現(xiàn)真正的可持續(xù)發(fā)展[4]。

3 溫拌瀝青混合料的微觀機(jī)理

相變材料的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與瀝青混合料的性能密切相關(guān)，本文主要從以下兩個方面對溫拌瀝青混合料的微觀機(jī)理進(jìn)行分析。

第一，溫度效應(yīng)。由于各種物理因素的影響，使得瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和抗車轍能力受到一定的限制，從而使其產(chǎn)生宏觀的熱傳導(dǎo)。當(dāng)瀝青的穩(wěn)定性降低時，會導(dǎo)致其形成大的冷脆裂紋，最終會使路面的使用壽命大大縮短。

第二，荷載作用。荷載的大小是決定瀝青混合料力學(xué)性能的重要指標(biāo)，而荷載的強(qiáng)度又是影響其抗車轍能力的關(guān)鍵。車輛荷載越大，那么瀝青路面就越容易出現(xiàn)疲勞破壞，而一旦超過了極限值，就很有可能引發(fā)交通事故。

3.1 溫拌瀝青混合料的組成

在對相變材料進(jìn)行研究時，一般會使用不同的材料對其改性效果做出評價，這些材料主要包括熱塑性瀝青和熱固性瀝青。

第一，熱塑性瀝青。熱塑性瀝青在加熱時能發(fā)生流動變形，冷卻后可以保持一定的形狀，可以循環(huán)反復(fù)加熱、冷卻，性能保持不變，生產(chǎn)成本較低。

第二，熱固性瀝青。熱固性瀝青加熱時不能軟化，不能反復(fù)塑制。其特點(diǎn)是在一定溫度下，經(jīng)一定時間加熱、加壓或加入硬化劑后，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而硬化。硬化后瀝青的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，質(zhì)地堅硬，不溶于溶劑，加熱也不再軟化，如果溫度過高則會分解[5]。

3.2 溫拌瀝青混合料的微觀結(jié)構(gòu)

瀝青混合料的微觀結(jié)構(gòu)包括骨料的分布狀態(tài)，空隙的分布、形狀和大小等。影響瀝青混合料性能的主要物理力學(xué)性質(zhì)是孔隙率、比熱和空隙率。

第一，孔隙率。瀝青混合料的孔隙率與瀝青的密度、比熱導(dǎo)度、導(dǎo)熱系數(shù)等密切相關(guān)。

第二，比熱。瀝青混合料的比熱可隨著溫度的變化而改變，但在一定的范圍內(nèi)，隨著時間的增加，瀝青的體積會逐漸減小，所以，當(dāng)達(dá)到了飽和吸收值時，可以使其比熱降低。

第三，空隙率。在瀝青的流動過程中，由于空氣的浮力作用，會使材料內(nèi)部的空隙發(fā)生膨脹，從而導(dǎo)致空隙減少。因此，當(dāng)外部的環(huán)境條件發(fā)生變化時，就需要對以上因素進(jìn)行控制，以保證瀝青混合料能滿足工程施工要求[6]。

3.3 溫拌瀝青混合料的抗裂性研究

在實際施工中，可以通過測試溫拌瀝青混合料的抗裂性判斷其是否滿足使用要求。如果瀝青混凝土存在裂縫、松散等缺陷，就會影響路面的質(zhì)量。所以，為了提高溫拌瀝青混合料的整體力學(xué)性能，需要對其裂縫、松散部位和薄弱受力區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變情況做進(jìn)一步的研究。

4 溫拌瀝青混合料微觀機(jī)理分析

在對瀝青混合料進(jìn)行加熱時，其內(nèi)部會產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量會通過集料表面的縫隙傳遞到瀝青中，從而導(dǎo)致瀝青的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使其性能降低。因此，需要對集料的溫度場和微觀機(jī)理有充分的了解，并將其應(yīng)用在實際的施工過程中。

4.1 溫拌瀝青混合料基本性質(zhì)

溫拌瀝青混合料的熱導(dǎo)率會隨著溫度的變化而改變。當(dāng)瀝青的熱量超過了瀝青的飽和點(diǎn)時，就會導(dǎo)致其內(nèi)部的空隙率和孔隙率不斷增大，最終使瀝青的黏結(jié)力降低，從而使其具有良好的低溫抗老化性能。通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)相變材料的加熱速率大于60℃/s時，就可以對混合料進(jìn)行冷拌，但同時，由于不同混合料的性質(zhì)不相同，因此，在同一個溫度區(qū)間內(nèi)，如果有兩種以上的材料混合，則需要對冷拌的時間做出相應(yīng)的調(diào)整[7]。

4.2 影響溫拌瀝青混合料微觀構(gòu)造的因素

影響瀝青混合料微觀構(gòu)造的主要因素是溫度。在高溫和寒冷環(huán)境下要對其采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，使其處于正常的工作狀態(tài)。

第一，高溫時，可以路面上加鋪一層導(dǎo)熱系數(shù)較小的熱阻層，降低太陽對瀝青面層的直接輻射量，使瀝青混合料的熱膨脹系數(shù)降低，從而提高瀝青的抗裂性。

第二，在寒冷環(huán)境下要使用保溫層，增強(qiáng)瀝青混合料的熱穩(wěn)定性，防止因為熱量流失過快而導(dǎo)致其微觀結(jié)構(gòu)被破壞。

5 關(guān)于相變材料對溫拌瀝青混合料路用性能及微觀機(jī)理影響的有效對策

第一，加強(qiáng)對相變材料的研究，并將其應(yīng)用到實際工程中，以提高路面使用壽命。

第二，在添加相變材料之前，應(yīng)先對瀝青混合料的性質(zhì)、物理力學(xué)以及低溫抗裂等方面的性能進(jìn)行測試，并根據(jù)測試結(jié)果確定最佳的配合比，以保證各項參數(shù)的合理性。

第三，在瀝青混凝土路面的攤鋪過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制溫度和濕度的變化，避免外界因素影響相變材料發(fā)揮作用。

第四，對于不同的施工條件，要根據(jù)實際情況調(diào)整和優(yōu)化施工工藝，提高相變材料的耐久性和經(jīng)濟(jì)性，解決相變材料在循環(huán)過程中熱物理性質(zhì)的退化問題、相變材料易從基體泄漏的問題、相變材料對基體材料的作用問題。

6 結(jié)語

針對不同的瀝青混合料，分別選取了兩種不同的配合比，即普通低熱型相變材料和高熱型高油泥混合料。在采用相同的摻量（即低熱型溫拌瀝青混合料與高油泥的比例為1∶4）、復(fù)合溫度為70℃時，低溫下的冷態(tài)循環(huán)時間長，高溫下的再生效果好，但質(zhì)量差，易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。此外，對于同一瀝青，由于其組成成分的差異，在不同時間段內(nèi)，需要采取不同的摻量，以達(dá)到最佳的性能。當(dāng)瀝青的摻入量過少，會導(dǎo)致相變材料的用量過多，則相變材料的性能將會下降；而當(dāng)瀝青的摻入量增加，則會降低相變材料的用量，相變材料的性能將會提高?？傊S著人們對建筑節(jié)能的日益重視、環(huán)境保護(hù)意識的逐步增強(qiáng)，相變材料必將在今后的工程領(lǐng)域大有用武之地，也會逐漸被人們所認(rèn)知，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。