相變?yōu)r青混合料調(diào)溫效果及路用性能研究

譚海勤

(湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司， 湖南 長沙 410075)

0 引言

瀝青路面在我國高等級(jí)公路廣泛使用，具有平整度好、行車噪音小等優(yōu)點(diǎn)，但瀝青為溫度敏感性材料，高溫時(shí)粘度降低，在汽車荷載作用下容易產(chǎn)生車轍病害，影響路面使用壽命和行車安全，因而研究改善瀝青路面高溫抗車轍性能具有重要意義。實(shí)際應(yīng)用中一般采取在瀝青中摻入改性劑提高其粘度、優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)和優(yōu)化級(jí)配等被動(dòng)措施改善瀝青路面高溫抗車轍性能[1-5]，目前已取得一定效果，但瀝青路面高溫車轍病害依然嚴(yán)重。

近年來相關(guān)學(xué)者提出瀝青路面主動(dòng)降溫技術(shù)[6-8]，其中相變?yōu)r青混合料引發(fā)較大關(guān)注，其原理為將相變材料摻入瀝青混合料，混合料受高溫輻射時(shí)相變材料吸熱儲(chǔ)存，使混合料溫度降低，而混合料溫度降低至相變材料結(jié)晶溫度時(shí)熱量釋放[9-10]，如此往復(fù)循環(huán)，可有效降低混合料高溫持續(xù)時(shí)間，提高瀝青路面的高溫抗車轍性能。為分析相變?yōu)r青混合料的調(diào)溫效果及路用性能，本文制備相變?yōu)r青混合料，研究相變材料配比和摻量對(duì)調(diào)溫效果的影響，并就相變?yōu)r青混合料路用性能進(jìn)行試驗(yàn)分析。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

1) 瀝青

選用SBS(I-C)改性瀝青進(jìn)行試驗(yàn)研究，主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 SBS(I-C)改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比項(xiàng)目針入度(25 ℃,100 g,5 s)/0.1 mm延度(5 cm/min,5 ℃) /cm軟化點(diǎn)/℃密度/(g·cm-3)溶解度/%RTFOT后殘留物質(zhì)量變化/%針入度比(25 ℃)/%延度(5 ℃)/cm試驗(yàn)結(jié)果72.233.462.81.02899.40.157224.1技術(shù)要求60～80≥30.0≥55.0實(shí)測≥99.0≤±1.00≥60≥20.0

2) 集料和級(jí)配

粗細(xì)集料均采用玄武巖，填料為石灰?guī)r礦粉，級(jí)配采用SMA-13，其各篩孔通過率如表2所示。

表2 SMA-13集料級(jí)配通過下列篩孔(mm)的質(zhì)量百分率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.07510095.065.134.227.322.216.114.513.210.8

3) 聚乙二醇和硅溶膠

采用聚乙二醇(PEG2000)和硅溶膠為原料制備PEG2000/SiO2復(fù)合定形相變材料，主要技術(shù)指標(biāo)分別如表3、表4。

表3 PEG2000主要技術(shù)指標(biāo)外觀(25 ℃)羥值/(mgKOH·g-1)凝固點(diǎn)/℃白色片狀固體51～6348～50

表4 硅溶膠主要技術(shù)指標(biāo)外觀二氧化硅含量/%Na2O含量/%25 ℃粘度/(Pa·S)PH值密度/(g·cm-3)乳白色半透明液體300.2669.21.21

1.2 PEG2000/硅溶膠復(fù)合定形相變材料制備

按配比稱取PEG2000和硅溶膠溶液，將硅溶膠水浴加熱至60 ℃，摻入PEG2000使用電動(dòng)攪拌機(jī)以300 r/min速率攪拌混合物至凝膠狀態(tài)后置于室溫陳化24 h，然后移入80 ℃烘箱中干燥至恒重，取出后研磨即可制得PEG2000/硅溶膠復(fù)合定形相變材料。

1.3 相變?yōu)r青混合料調(diào)溫效果試驗(yàn)

采用輪碾法成型尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的相變?yōu)r青混合料試件，室溫放置24 h后在其底部中央鉆30 mm深孔，埋入溫度傳感器后將相變?yōu)r青混合料置于車轍試驗(yàn)儀加熱(加熱溫度60 ℃)進(jìn)行調(diào)溫效果試驗(yàn)，記錄瀝青混合料內(nèi)部溫度隨加熱時(shí)間變化規(guī)律，直至溫度達(dá)到60 ℃。

2 相變?yōu)r青混合料調(diào)溫效果

2.1 相變材料配比對(duì)瀝青混合料調(diào)溫效果影響

制備PEG2000與硅溶膠比例分別為3∶10、5∶10和7∶10的復(fù)合相變材料，以摻量為5%成型相應(yīng)瀝青混合料進(jìn)行調(diào)溫效果試驗(yàn)，并以未摻相變材料的瀝青混合料作參照，結(jié)果如圖1所示。

圖1 相變材料配比對(duì)瀝青混合料調(diào)溫效果的影響

由圖1可知，溫度高于40 ℃后復(fù)合相變材料能有效降低瀝青混合料高溫持續(xù)時(shí)間。加熱時(shí)間小于60 min時(shí)，各組瀝青混合料溫度基本一致;而時(shí)間超過60 min后,摻有相變材料的瀝青混合料溫度逐漸低于普通瀝青混合料，但隨著時(shí)間延長，各組瀝青混合料溫度又趨于一致。分析原因?yàn)镻EG2000相變溫度為40 ℃左右，溫度低于該值時(shí)相變材料不發(fā)揮作用，而高于此值時(shí)相變材料發(fā)生相變吸熱儲(chǔ)存，混合料溫度降低，隨著加熱時(shí)間進(jìn)一步延長，相變材料儲(chǔ)熱達(dá)到極限，混合料溫度又逐漸接近加熱溫度，表明相變材料對(duì)混合料的作用表現(xiàn)為可降低其高溫持續(xù)時(shí)間。隨著復(fù)合相變材料中PEG2000比例提高，其降溫效果呈先提高后降低趨勢，其中PEG2000與硅溶膠配比為5∶10時(shí),降溫效果最優(yōu)。同一加熱時(shí)間下PEG2000與硅溶膠配比分別為3∶10、5∶10和7∶10時(shí)，混合料溫度較普通瀝青混合料最大溫差分別為2.0 ℃、4.1 ℃和2.7 ℃，這是由于復(fù)合相變材料中僅PEG2000具有相變功能，PEG2000吸熱相變?yōu)橐后w后通過毛細(xì)管作用和表面張力作用吸附于硅溶膠三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，因而PEG2000比例提高時(shí)調(diào)溫效果相應(yīng)提高，但其比例超出一定范圍后，硅溶膠不足以使液化的PEG2000穩(wěn)定聚集，此時(shí)PEG2000發(fā)生滲漏，調(diào)溫效果下降。

2.2 相變材料摻量對(duì)瀝青混合料調(diào)溫效果影響

制備PEG2000與硅溶膠配比為5∶10的復(fù)合相變材料，以摻量1%、3%、5%和7%分別制備相變?yōu)r青混合料進(jìn)行調(diào)溫效果試驗(yàn)，得出試驗(yàn)過程中同一加熱時(shí)間條件下與普通瀝青混合料的最大溫差，如圖2所示。

圖2 相變材料摻量對(duì)瀝青混合料調(diào)溫效果的影響

由圖2可知，隨著相變材料摻量增加，對(duì)瀝青混合料的調(diào)溫效果逐漸提高，摻量為1%、3%、5%和7%的相變?yōu)r青混合料與普通瀝青混合料最大溫差分別為0.9 ℃、2.9 ℃、4.1 ℃和5.2 ℃。進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)，相變材料對(duì)瀝青混合料的調(diào)溫幅度與其摻量呈明顯的線性關(guān)系，相關(guān)分析中R2值達(dá)到0.977，由斜率值可知相變材料摻量每增加1%，其調(diào)溫幅度約增加0.705 ℃。

3 相變材料對(duì)瀝青混合料路用性能影響

3.1 高溫穩(wěn)定性

分別制備摻量為0%、1%、3%、5%和7%的相變?yōu)r青混合料，進(jìn)行保溫時(shí)間為120 min和240 min(標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間)的車轍試驗(yàn)，輪壓0.7 MPa，結(jié)果如圖3所示。

圖3 相變材料對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響

由圖3可知，保溫時(shí)間為120 min的瀝青混合料，隨著相變材料摻量增加，其高溫穩(wěn)定性逐漸提高，但摻量超過5%后提高速率降低。相變材料摻量由0%增加至5%時(shí)，摻量每增加1%，瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度約提高286 次/mm;而摻量由5%增加至7%時(shí)，摻量每增加1%動(dòng)穩(wěn)定度約提高56 次/mm，提高速率明顯降低。分析原因?yàn)楸貢r(shí)間為120 min試驗(yàn)條件下，摻有相變材料的瀝青混合料溫度較低，抗車轍性能較強(qiáng)。

而保溫時(shí)間為240 min的瀝青混合料，隨著相變材料摻量增加，其高溫穩(wěn)定性逐漸降低，尤其摻量超過3%后降低速率加大。相變材料摻量由0%增加至3%時(shí)，摻量每增加1%,瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度約降低111次/mm;而摻量由3%增加至7%時(shí)，摻量每增加1%,動(dòng)穩(wěn)定度約降低280次/mm，降低速率提高了1.5倍。分析原因?yàn)楸貢r(shí)間為240min試驗(yàn)條件下，瀝青混合料中相變材料吸熱已飽和，混合料溫度與普通瀝青混合料相當(dāng)，此時(shí)摻入的相變材料部分填充于粗集料骨架形成的空隙，部分影響粗集料間接觸狀況，因而高溫抗車轍性能變差，而相變材料摻量超過一定范圍時(shí)，對(duì)粗集料骨架的影響效應(yīng)明顯，表現(xiàn)為抗車轍性能急劇下降。此外，相變材料摻量為3%時(shí)，瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度為3 542次/mm，明顯大于《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)對(duì)改性SMA瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度不小于3 000次/mm的要求，而相變材料摻量為5%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度為2 991次/mm，已不滿足規(guī)范要求，因此就高溫穩(wěn)定性方面考慮，建議瀝青混合料中相變材料摻量不大于3%。

3.2 低溫抗裂性

分別制備相變材料摻量為0%、1%、3%、5%和7%的瀝青混合料進(jìn)行低溫小梁彎曲試驗(yàn)，溫度-10 ℃，加載速率50 mm/min，結(jié)果如圖4所示。

圖4 相變材料摻量對(duì)瀝青混合料低溫抗裂性的影響

由圖4可知，隨著相變材料摻量增加，瀝青混合料低溫抗裂性呈先變好后變差趨勢，在摻量為3%時(shí)低溫抗裂性最優(yōu)。摻量為1%和3%的相變?yōu)r青混合料低溫最大彎拉破壞應(yīng)變分別為3 822 με和4 014 με，較普通瀝青混合料分別提高130 με和322 με；而相變材料摻量繼續(xù)增加至5%和7%時(shí)，最大彎拉破壞應(yīng)變分別為3 899 με和3 742 με，較3%的相變?yōu)r青混合料分別降低115 με和272 με。分析原因可能為相變材料摻量較低時(shí)其摻入改變了瀝青混合料的熱物理性質(zhì)，此時(shí)降溫過程中混合料溫度應(yīng)力累積速率減慢，從而與瀝青蠕變造成的應(yīng)力松弛更加匹配，故低溫抗裂性提高，而摻量超過一定范圍后相變材料破壞了瀝青混合料的連續(xù)相，此時(shí)混合料因缺乏膠結(jié)料的粘附作用而容易產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，因此就低溫抗裂性方面考慮建議瀝青混合料中相變材料摻量不大于3%。

3.3 水穩(wěn)定性

分別制備相變材料摻量為0%、1%、3%、5%和7%的瀝青混合料進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 相變材料摻量對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

由圖5可知，隨著相變材料摻量增加，瀝青混合料水穩(wěn)定性逐漸下降，尤其摻量超過5%后下降明顯。相變材料摻量由0%增加至5%時(shí)，其摻量每增加1%瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比約下降1.2%，而摻量由5%增加至7%時(shí)，摻量每增加1%凍融劈裂強(qiáng)度比約降低3.6%，分析原因?yàn)镻EG2000和硅溶膠均為親水性材料，在凍融作用下容易受水侵蝕破壞，故瀝青混合料水穩(wěn)定性也相應(yīng)降低。此外，相變材料摻量不大于5%時(shí)瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比均大于80%，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)對(duì)改性SMA瀝青混合料水穩(wěn)定性的要求，故就水穩(wěn)定性而言建議瀝青混合料中相變材料摻量不大于5%。

4 結(jié)語

1) 溫度高于40 ℃后，PEG2000/硅溶膠相變材料能有效降低瀝青混合料高溫持續(xù)時(shí)間，且隨相變材料中PEG2000比例提高，其對(duì)瀝青混合料降溫效果呈先提高后降低趨勢；隨相變材料摻量增加，其對(duì)瀝青混合料降溫效果逐漸變好，降溫幅度與摻量呈明顯的線性關(guān)系。

2) 瀝青混合料升溫過程中，隨相變材料摻量增加，其高溫穩(wěn)定性逐漸提高，而瀝青混合料升溫穩(wěn)定后，增加相變材料時(shí)其高溫穩(wěn)定性逐漸降低。

3) 隨著相變材料摻量增加，瀝青混合料低溫抗裂性呈先變好后變差趨勢，在摻量為3%時(shí)低溫抗裂性最優(yōu)；隨相變材料摻量增加，瀝青混合料水穩(wěn)定性逐漸下降，尤其摻量超過5%后下降明顯。

4) 推薦采用PEG2000與硅溶膠配比為5∶10、摻量為3%制備相變?yōu)r青混合料，此時(shí)調(diào)溫效果優(yōu)良，且高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。