融冰雪相變材料對瀝青混合料性能的影響

王 斌，李自齊

(甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030)

1 公路新型融冰雪技術(shù)概述

為解決路面積冰雪的養(yǎng)護難題，變被動養(yǎng)護為主動預防性養(yǎng)護，國內(nèi)外積極開展“融冰雪路面技術(shù)研究及應用”項目[1-2].區(qū)別于傳統(tǒng)的公路融冰雪技術(shù)如人工作業(yè)和撒鹽，我國目前道路融冰雪技術(shù)主要有5種：彈性自應力破冰、熱能融雪除冰、鹽化物融雪抑冰、抗凝冰表面涂層和相變材料調(diào)溫[3-6].總之，新型融冰雪技術(shù)就是在瀝青路面鋪筑過程中摻入外加劑、埋設(shè)導熱體，或是在路面建成或養(yǎng)護期間進行抗凝冰霧封層處治.通過外加材料的物理或化學作用來抑制路面結(jié)冰，確保冬季交通安全的同時，減少除雪鹽的灑布，保護沿線環(huán)境；另一方面也降低公路養(yǎng)護人員的工作量，減少冬季養(yǎng)路成本.融雪鹽對路面結(jié)構(gòu)的腐蝕破壞見圖1.

圖1 融雪鹽對路面結(jié)構(gòu)的腐蝕破壞

本文所研究的融冰雪相變材料屬于物理類融雪抑冰的范疇.相變材料是通過相態(tài)變化實現(xiàn)儲能和釋能，可隨著環(huán)境自動調(diào)控溫度.當外部溫度降低時，相變材料與外部環(huán)境發(fā)生熱交換而釋放出熱能.將融冰雪相變材料應用到瀝青路面中，就可以使路面調(diào)節(jié)外部溫度達到直接融化冰雪的功能[7].

2 對瀝青混合料性能的影響

瀝青混合料是一種高分子材料，存在性質(zhì)不穩(wěn)定的問題，還需在高溫條件下拌制.融冰雪相變材料不僅要有足夠的調(diào)溫性能，還應保證與瀝青混合料混合后各項路用性能都達標.

本文選用一種新型的道路融冰雪相變材料.為了驗證加入相變材料后對瀝青混合料性能的影響，選擇AC-13型密級配瀝青混合料，分別對加入融冰雪相變材料前后的AC-13瀝青混合料進行體積指標和路用性能指標測試.融冰雪相變材料摻量為瀝青混合料質(zhì)量的4‰，在瀝青混合料正常拌和程序結(jié)束后加入并攪拌90 s.整個拌和過程對瀝青混合料溫度和工藝無特殊要求，與常規(guī)工藝保持一致.

2.1 馬歇爾穩(wěn)定度試驗影響

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011 )規(guī)定，分別對成型后的瀝青混合料馬歇爾試件進行穩(wěn)定度試驗和浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗，測其空隙率、穩(wěn)定度、流值及浸水48 h后的穩(wěn)定度，并計算殘留穩(wěn)定度值.將測得的數(shù)據(jù)與規(guī)范中要求值進行比較，以驗證摻入融冰雪相變材料的可行性.測得的數(shù)據(jù)見表1～2.

表1 未加融冰雪相變材料穩(wěn)定度試驗結(jié)果

表2 加融冰雪相變材料穩(wěn)定度試驗結(jié)果

由試驗結(jié)果可知：2組試驗的空隙率均滿足規(guī)范中3%～5%的技術(shù)要求；相比未加入融冰雪相變材料，加入融冰雪相變材料后瀝青混合料的空隙率略有減少.

加入融冰雪相變材料前后，瀝青混合料的穩(wěn)定度和流值基本近似，且均滿足技術(shù)要求.對比浸水馬歇爾試驗得出，加入融冰雪相變材料后，瀝青混合料流值變化幅度較大，較未加相變材料前增大81.4%，穩(wěn)定度指標有所下降，下降幅度為7.7%.

加入融冰雪相變材料后瀝青混合料殘留穩(wěn)定度下降，下降幅度為4.9%，然而均滿足殘留穩(wěn)定度≥85%的技術(shù)要求.

綜上分析得出，瀝青混合料中加入融冰雪相變材料后，其馬歇爾穩(wěn)定度試驗的結(jié)果均能滿足技術(shù)規(guī)范要求，空隙率變小，穩(wěn)定度下降，流值顯著增大，殘留穩(wěn)定度值下降.表明加入融冰雪相變材料后，瀝青混合料的強度和水穩(wěn)定性能均有所下降.

2.2 凍融劈裂試驗影響

劈裂強度可評價瀝青混合料的力學性能.按照試驗規(guī)程的規(guī)定，分別進行劈裂試驗和凍融劈裂試驗，測其凍融前后劈裂強度并計算凍融劈裂強度比.本研究用凍融處理后的劈裂強度來評價瀝青混合料的低溫抗裂性能，凍融劈裂強度比可評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性.測得的試驗數(shù)據(jù)見表3～4.

表3 未加融冰雪相變材料劈裂試驗結(jié)果

分析試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：對于常溫下未進行凍融循環(huán)的劈裂試驗，摻入融冰雪相變材料后，劈裂強度顯著下降，下降幅度為36.7%；對于經(jīng)歷凍融循環(huán)處理后的劈裂試驗，摻入融冰雪相變材料后，劈裂強度下降幅度為34%.總之，加入融冰雪相變材料降低了瀝青混合料的抗劈裂性能.

表4 加融冰雪相變材料劈裂試驗結(jié)果

殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比的試驗對比如圖2所示，可以得出：加入融冰雪相變材料后，凍融劈裂強度比增大，增大幅度為5.1%，凍融劈裂強度比滿足≥80%的技術(shù)要求.說明加入融冰雪相變材料提高了瀝青混合料的抗凍融循環(huán)強度衰減性.

圖2 殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂比對比

綜上指標驗證得出：瀝青混合料中加入融冰雪相變材料后，空隙率、穩(wěn)定度、流值、殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比等指標均滿足技術(shù)要求；其中，穩(wěn)定度較未加融冰雪相變材料時呈現(xiàn)小幅減小，表明高溫穩(wěn)定性呈輕微下降；在浸水48 h后，殘留穩(wěn)定度指標呈現(xiàn)下降趨勢，表明加入融冰雪相變材料對瀝青混合料的水穩(wěn)定性有減弱影響.然而對于加入融冰雪劑后較未加融冰雪劑，瀝青混合料凍融劈裂強度比增大，表明加入融冰雪劑提高了瀝青混合料的抗凍融循環(huán)強度衰減性.

3 結(jié)論

1) 經(jīng)試驗可得，空隙率、穩(wěn)定度、流值、殘留穩(wěn)定度、劈裂強度、凍融劈裂強度比等指標均滿足技術(shù)要求，驗證了相變材料摻入瀝青混合料中，在保證瀝青混合料各項性能達標的前提下能自調(diào)溫，起到融冰雪作用.

2) 瀝青混合料摻入融冰雪相變材料后，其穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度指標較未加融冰雪相變材料時呈現(xiàn)小幅減小，而凍融劈裂強度比增大.表明摻入相變材料后，高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性均呈下降趨勢，而抗凍融循環(huán)強度衰減性能增強.