自調(diào)溫瀝青混凝土的研究與應(yīng)用

文/王 婷

公路黑冰、凍雨冰層影響行車安全性，是瀝青混凝土路面需要解決的難題。道路相變調(diào)溫材料可以改善瀝青混合料對溫度的適應(yīng)能力，用相變儲能調(diào)溫機理，在降溫過程中釋放相變潛熱、升溫過程中儲存相變潛熱的特性，主動調(diào)控瀝青路面使用溫度的高低溫極值和變化幅度，提高瀝青路面環(huán)境適應(yīng)能力［1］，達到平抑溫差的目的。

1 道路相變調(diào)溫材料

具有熱能存儲和溫度調(diào)控功能的物質(zhì)稱為相變材料［2］，道路相變調(diào)溫材料（DTC）是通過對植物的臨界萃取、冷凍離析，然后經(jīng)過堿化、螯合等工藝，利用化學(xué)盾構(gòu)的方式復(fù)合而成的新型化合物。道路相變調(diào)溫材料可以改善瀝青混合料性能，使自身能夠儲存能量，在不同溫度下進行相變調(diào)溫［3］，智能調(diào)控瀝青路面溫度，避免路面受環(huán)境溫度影響出現(xiàn)高溫車轍、低溫開裂等破壞現(xiàn)象，延長瀝青混合料的溫度疲勞壽命［4］。

2 室內(nèi)試驗

通過室內(nèi)試驗對比添加相變調(diào)溫材料的瀝青混凝土和普通瀝青混凝土的路用性能。

1）路面溫度的測試結(jié)果見圖1。

由圖1 可以看出，道路相變調(diào)溫瀝青混合料路面比一般路面溫度高2～4 ℃。

2）溫度應(yīng)力測試結(jié)果見圖2。

圖1 路面溫度對比

圖2 溫度應(yīng)力

由圖2 可以看出，與普通瀝青混合料路面相比，道路相變調(diào)溫瀝青混合料的路面在降溫過程中溫度應(yīng)力減小約7%。有利于提高秋末冬初季節(jié)快速降溫過程中瀝青路面抵抗低溫收縮開裂的能力。

相變調(diào)溫材料可以有效的減小持續(xù)降溫條件下瀝青路面的溫度應(yīng)力，明顯提高瀝青路面溫度疲勞壽命，達到了預(yù)防瀝青路面與溫度有關(guān)的病害的目的。

與此同時，道路相變調(diào)溫材料的摻入改變了瀝青混合料的熱物理特性，使瀝青混合料降溫過程中的降溫速率減小，低溫出現(xiàn)時間滯后，快速降溫、持續(xù)低溫等條件下瀝青路面內(nèi)部產(chǎn)生的溫度應(yīng)力減小，明顯減輕瀝青路面低溫收縮裂縫和溫度疲勞裂縫的出現(xiàn)，提高瀝青路面的抗低溫開裂能力。

當(dāng)環(huán)境溫度劇變，公路產(chǎn)生黑冰(霜凍)時，道路相變調(diào)溫瀝青混合料利用太陽能，通過相變存儲熱量，削減路面溫度和環(huán)境溫度溫差值，從而消除一部分黑冰帶來的安全危害；環(huán)境溫度在0～-15 ℃時，路面發(fā)生雨雪結(jié)冰層，一般瀝青混合料達到冰點，路面即時形成冰凍層，道路相變調(diào)溫瀝青混合料路面溫度比一般路面溫度高近3～4 ℃，基本形不成冰凍層。

3 試驗路應(yīng)用

天津市應(yīng)用道路相變調(diào)溫瀝青混凝土共鋪設(shè)3條試驗路段，按時間順序，分別為薊州區(qū)津圍公路、薊州區(qū)馬平公路以及津南區(qū)津港公路，本文針對以上鋪設(shè)的試驗路段進行系統(tǒng)性總結(jié)。

3.1 薊州區(qū)津圍公路

天津市薊州區(qū)津圍公路試驗路段為K132+900～K134+900，全長2 km。其中：K132+900～K133+400段使用改性瀝青混合料，道路相變調(diào)溫材料添加量為0.4%；K133+400～K133+900段使用改性瀝青混合料，道路相變調(diào)溫材料添加量為0.3%；K133+900～K134+400 段使用普通瀝青混合料，道路相變調(diào)溫材料添加量為0.3%；K134+400～K134+900 段使用普通瀝青混合料，道路相變調(diào)溫材料添加量為0.4%。

2017年12月11日—12月12日，對該路段進行了24 h不間斷定點觀測，見圖3。

圖3 津圍公路試驗路段溫度

由圖3 可以看出，添加道路相變調(diào)溫材料路段比未添加路段路表溫度高出2～3 ℃，蓄能效果顯著。

2018年1月30日，天津境內(nèi)降雪，考慮到安全隱患問題，當(dāng)?shù)氐谝粫r間封閉道路，進行清雪工作，相關(guān)技術(shù)人員到達現(xiàn)場時，主路面已完成清雪工作，部分路肩積雪尚未清理，通過溫度探測儀，對已清理路面與積雪路肩進行了溫度檢測。檢測結(jié)果，添加道路相變調(diào)溫材料路面比未添加路面路面溫度平均高出2.64 ℃。經(jīng)現(xiàn)場觀測，在環(huán)境溫度為-13 ℃，路肩積雪仍未與路表面凍實，雪層松散，極利于清理。見圖4。

圖4 路段現(xiàn)場對比

3.2 薊州區(qū)馬平公路

為進一步驗證道路相變調(diào)溫材料在天津地區(qū)的使用效果，于2018年12月7日—12月8日，在天津市薊縣S301 馬平線東井峪—津圍公路路段鋪筑了添加相變調(diào)溫材料的瀝青路面，選擇了其中6 km作為試驗段，該段路寬6 m，表層瀝青混合料厚度為4 cm，相變調(diào)溫材料材料添加量為0.4%。

在同一時間段，在相變調(diào)溫材料瀝青路段和相鄰普通路段選取6 個檢測點，采取24 h 不間斷定點檢測的方式，采用FLUKE測試路表溫度。見表1 和圖5。

表1 瀝青路面路表溫度 ℃

圖5 路段實景

由表1 和圖5 可以看出，添加道路相變調(diào)溫材料路表溫度比未添加的路段高出4.2～4.7 ℃，除雪效果明顯。

3.3 津南區(qū)津港公路

津港公路屬于市級干線道路，試驗段全長2 km，表層瀝青混合料設(shè)計厚度為4 cm，道路相變調(diào)溫材料添加量為0.3%。

對津港公路24 h不間斷監(jiān)測，添加了道路相變調(diào)溫材料的路段路表溫度比未添加的路段高出2.7～3 ℃，調(diào)溫效果明顯，再次驗證了DTC材料能有效提高公路的熱應(yīng)性。

4 結(jié)論

1）道路相變調(diào)溫材料應(yīng)用于路面，為改善瀝青路面低溫開裂、結(jié)霜凝冰等難題提供了新方法。

2）修建的3 條試驗路段，從實際效果以及觀測數(shù)據(jù)上，都證實了道路相變調(diào)溫材料在天津地區(qū)的應(yīng)用效果，能夠有效的提升混凝土瀝青路面的熱應(yīng)性，在惡劣環(huán)境溫度下，依舊能夠提高路表溫度并持續(xù)釋放熱量，對冬季融冰融雪起到了十分關(guān)鍵的作用。

3）在實際應(yīng)用當(dāng)中，對于2～3 cm 厚的積雪，基本達到即下即融；對于厚度更大的積雪，在維持原有清雪作業(yè)的基礎(chǔ)上，可代替鹽類融雪劑。