陶砂細(xì)集料對(duì)瀝青混合料阻熱性能的影響

車天凱，潘寶峰，蘭晶晶

（大連理工大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，遼寧 大連 116024）

0 引言

瀝青路面以其舒適、噪聲低、施工養(yǎng)護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)成為現(xiàn)今主要使用的路面結(jié)構(gòu)形式，但也逐漸出現(xiàn)了一些道路病害，例如車轍、水損害、裂縫、坑槽等，不僅影響道路的使用壽命，對(duì)于行車安全也構(gòu)成一定的威脅[1]。

車轍病害是瀝青路面病害中較為常見的病害之一，它的形成的主要是由于瀝青路面在高溫和車輛荷載作用下發(fā)生了塑性形變[2]。因此，許多研究致力于通過降低路面內(nèi)部的溫度來提高抗車轍能力，主要的研究方法分為兩類：一類是通過在路表涂抹反射涂層來減少熱量的吸收[3]，另一類是采用低導(dǎo)熱系數(shù)的集料（例如陶瓷）來減緩熱量在路面內(nèi)部的傳遞[4]。以往的研究中，回收的廢舊陶瓷（瓷磚、衛(wèi)浴陶瓷等）經(jīng)過破碎后被用作粗集料添加到瀝青混合料中，瀝青混合料的阻熱性能有較明顯的提升，但由于陶瓷強(qiáng)度較低，用作粗集料時(shí)易造成瀝青混合料的力學(xué)性能下降[5]，具體表現(xiàn)為馬歇爾穩(wěn)定度及動(dòng)穩(wěn)定度會(huì)隨陶瓷摻量的增加而減小[6]。

陶砂作為一種陶瓷類材料，具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，常作為保溫材料應(yīng)用于建筑外墻中[7]。試驗(yàn)中，將陶砂代替細(xì)集料摻入瀝青混合料中以提高其阻熱性能，在保證瀝青混合料阻熱性能的同時(shí)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：相比于陶瓷，陶砂表面粗糙，具有較多的開口孔隙，與瀝青的粘附性更好；此外，陶砂作為細(xì)集料替代物，對(duì)于瀝青混合料整體的力學(xué)性能影響較小。

本試驗(yàn)利用陶砂作為細(xì)集料制備瀝青混合料，依照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)其路用性能（高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及水穩(wěn)定性）進(jìn)行測(cè)試。設(shè)計(jì)室內(nèi)外輻射試驗(yàn)對(duì)其阻熱性能進(jìn)行測(cè)試，最終確定陶砂的最佳摻量。

1 試驗(yàn)

陶砂為頁巖陶砂，粒徑0.6～4.75 mm；粗集料為玄武巖碎石，粒徑5～16 mm；細(xì)集料為機(jī)制砂；瀝青為90#道路重交通石油瀝青。依據(jù)JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》及JTG E20—2011中規(guī)定的試驗(yàn)方法對(duì)原材料性能進(jìn)行測(cè)試，相關(guān)要求參考JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》，試驗(yàn)結(jié)果分別見表1、表2。

表1 集料的主要技術(shù)性能

表2 瀝青的主要技術(shù)性能

2 配合比設(shè)計(jì)及路用性能測(cè)試

2.1 配合比設(shè)計(jì)

本文采用AC-16級(jí)配中值作為試驗(yàn)級(jí)配（見圖1），制備瀝青混合料時(shí)，粗集料用量保持不變，陶砂依照不同比例（0、20%、40%、60%、80%、100%）等體積替代細(xì)集料。采用馬歇爾試驗(yàn)確定各陶砂摻量下瀝青混合料的最佳油石比，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖1 AC-16級(jí)配曲線

表3 不同陶砂摻量下瀝青混合料的最佳油石比

由于陶砂本身是一種多孔材料，對(duì)于瀝青具有一定的吸收作用，因此隨著陶砂摻量的增加，最佳油石比也逐漸增大。

2.2 路用性能測(cè)試

按照J(rèn)TG E20—2011中相應(yīng)的試驗(yàn)方法，研究了不同陶砂摻量下瀝青混合料的路用性能。其中，采用車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)高溫穩(wěn)定性，小梁彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)低溫抗裂性，浸水馬歇爾試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同陶砂摻量下瀝青混合料的路用性能

由表4可以看出，與未摻陶砂的普通瀝青混合料相比，摻加陶砂后瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均有不同程度的提高，在40%～80%摻量時(shí)提高最明顯，達(dá)到1200次/mm左右，表明適宜摻量的陶砂可以明顯提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。摻入陶砂后，瀝青混合料的極限彎拉應(yīng)變略有下降但并不明顯，表明陶砂對(duì)瀝青混合料的低溫抗裂性影響較小。摻加陶砂后瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度變化不大，基本保持在90%左右；但凍融劈裂強(qiáng)度比逐漸下降，陶砂摻量達(dá)到80%時(shí)已經(jīng)不符合JTG F40—2004要求，這表明摻加陶砂會(huì)引起水穩(wěn)定性的降低，但是陶砂摻量較低時(shí)仍能符合JTG F40—2004要求。

3 阻熱性能試驗(yàn)

3.1 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試

采用CD-DR3030導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀基于穩(wěn)態(tài)法對(duì)瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)，將300 cm×300 cm×25 cm的試樣固定在冷板（15℃）和熱板（35℃）之間，經(jīng)過6 h的保溫，試樣溫度基本不再變化，處于穩(wěn)態(tài)。此時(shí)，采集溫度數(shù)據(jù)并按照式（1）與式（2）進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表 5。

式中：T1——試件低溫端的溫度，K；

T2——試件高溫端的溫度，K；

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Q——單位時(shí)間內(nèi)通過面積A的傳熱量，W；

R——熱阻，（m2·K）/W；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

d——試件厚度，mm。

表5 不同陶砂摻量下瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù)

由表5可見，摻加陶砂可以有效降低瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù)，隨著其摻量的增加，瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低，陶砂摻量達(dá)到100%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)較未摻陶砂的普通瀝青混合料降低82.2%。但二者并不呈嚴(yán)格的線性相關(guān)，隨著陶砂摻量的逐漸增加，導(dǎo)熱系數(shù)下降的越來越慢，這說明低摻量的陶砂降低導(dǎo)熱系數(shù)的效果更明顯。

3.2 室內(nèi)輻射試驗(yàn)

為了測(cè)試不同陶砂摻量下瀝青混合料的阻熱能力，設(shè)計(jì)了室內(nèi)輻射試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。試驗(yàn)中，采用200 W的白熾燈模擬太陽光對(duì)瀝青混合料車轍試件進(jìn)行照射，輻射強(qiáng)度控制在1.12 kW/m2左右。在車轍試件的上下表面中心位置固定溫度傳感器，試件四周及底部用保溫材料進(jìn)行包裹，防止熱量散失（見圖2）。試驗(yàn)前，試件需要在26℃的保溫箱中保溫1 h以上，試驗(yàn)時(shí)，先持續(xù)照射7 h，然后關(guān)掉光源，讓試件自然冷卻2 h（見圖3）。整個(gè)過程每15 min采集1次數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果見圖4及表6。

圖2 試驗(yàn)原理示意

圖3 室內(nèi)輻射試驗(yàn)

圖4 不同陶砂摻量下試件的表面溫度

表6 7 h照射后試件的上下表面最高溫度及溫差

由圖4可以看出，不同陶砂摻量的瀝青混合料表現(xiàn)出不同的溫度變化特性。試件的上表面溫度較高，溫度變化大致分為4 個(gè)階段：急速上升期（0：00～1：30），緩慢上升期（1：30～7：00），急速下降期（7：00～7：15）和緩慢下降期（7：15～9：00）。試件的下表面溫度變化較為平緩，溫度變化大致可分為上升期（0：00～7：00）和下降期（7：00～9：00）。

由表6可見，瀝青混合料試件的上表面最高溫度隨陶砂摻量的增加而升高，陶砂摻量每增加20%，溫度平均升高0.7℃。試件的下表面最高溫度隨陶砂摻量的增加先降低后升高，在陶砂摻量為60%達(dá)到最低，與未摻加陶粒的試件相比降低了2.8℃。從上下表面的溫差來看，相比于未摻加陶砂的試件，摻加陶砂后上下表面的溫差明顯增大，表明陶砂可以明顯提高瀝青混合料的阻熱性。隨著陶砂摻量增加，溫差呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，表明單純的靠添加陶砂并不能持續(xù)提高瀝青混合料的阻熱能力，阻熱能力還受到其它因素的影響。

摻加陶砂后瀝青混合料試件的上表面溫度有略微的升高，這是因?yàn)橛褪戎饾u增大致使試件表面顏色加深，從而增強(qiáng)了試件的吸熱能力，這對(duì)于抗車轍能力的提升顯然是不利的。但實(shí)際工程中，往往經(jīng)過車輛長期的行駛及灰塵的覆蓋，路面顏色會(huì)逐漸變淺，吸熱能力會(huì)逐漸降低，因此路表溫度并不一定會(huì)升高。再者，將陶砂瀝青混合料應(yīng)用于中面層或者下面層也可以很好的解決這一問題。

3.3 室外輻射試驗(yàn)

為了驗(yàn)證室內(nèi)輻射試驗(yàn)的結(jié)果，設(shè)計(jì)了室外輻射試驗(yàn)對(duì)陶砂瀝青混合料在實(shí)際環(huán)境中的降溫效果進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)時(shí)，將試件置于充足的光照下進(jìn)行照射并采集試件下表面的溫度數(shù)據(jù)（見圖5），試驗(yàn)持續(xù)9 h，每30 min采集1次數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖5 室外輻射試驗(yàn)

圖6 室外輻射試驗(yàn)各試件的下表面溫度

從圖6可以看出，相比于室內(nèi)試驗(yàn)，室外試驗(yàn)中試件下表面溫度較低，且變化更為連續(xù)。這是由于室外條件下試件的散熱條件更好且為連續(xù)光照。由于曲線中并沒有明顯的溫度峰值，因此采用高溫時(shí)間段（13：00～14：00）的平均溫度作為最高溫度，如表7所示。

表7 不同陶砂摻量試件的下表面最高溫度

由表7可見，室外試驗(yàn)中試件下表面最高溫度呈先降低后升高的趨勢(shì)，陶砂摻量為60%時(shí)溫度最低，相比于普通瀝青混合料降低了2.6℃。這一結(jié)果與圖4中室內(nèi)試驗(yàn)試件下表面溫度結(jié)果相符，從而證明了試驗(yàn)結(jié)果的正確性。

4 結(jié)論

（1）摻加陶砂后瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度明顯增大，在40%～80%摻量時(shí)提高最明顯，達(dá)到1200次/mm左右；陶砂摻量對(duì)瀝青混合料的低溫抗裂性影響較小；隨著陶砂摻量的增加，瀝青混合料的水穩(wěn)定性逐漸降低，摻量達(dá)到80%時(shí)已不符合JTG F40—2004要求，因此陶砂摻量不宜過高。

（2）陶砂可以有效降低瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù)，隨著陶砂摻量增加，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低。室內(nèi)及室外輻射試驗(yàn)結(jié)果表明，摻加陶砂后瀝青混合料的阻熱性能明顯提高，陶砂摻量為60%時(shí)，下表面最高溫度較未摻陶砂的最高降低2.6℃。

（3）陶砂瀝青混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性和阻熱能力，適宜應(yīng)用到路面的上中面層以提高路面的抗車轍能力。