相變儲熱瀝青路面對提升路面性能的影響研究

陳泓列 董浩垠 賴江雪 李函笑 付祖智

◆摘? 要：針對桂林市瀝青路面的實(shí)際情況，試驗(yàn)主要是研究相變材料聚乙二醇對基質(zhì)瀝青和AC-13混合料的基本性能、高溫穩(wěn)定性、降溫性能及抗車轍性能的影響，并將PEG2000作為實(shí)驗(yàn)要加入的相變材料。研究結(jié)果表明：隨著相變材料的摻量增加，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有明顯的提升，但對延度等低溫性能影響大，需控制相變材料的摻量。

◆關(guān)鍵詞：相變材料;聚乙二醇2000;高溫穩(wěn)定性;降溫性能;抗車轍性能

1引言

桂林市雨水豐富，夏季時間長，日照充足，氣溫較高，且雨熱基本同季。對桂林地區(qū)瀝青路面車轍破壞的初步調(diào)查顯示：在高溫和雨水的雙重影響下，目前桂林市瀝青路面易出現(xiàn)車轍、裂縫、松散、坑槽等病害現(xiàn)象。高溫和雨水的聯(lián)合作用是導(dǎo)致被研究路面過早出現(xiàn)上述病害的主要原因。

長期以來，研究人員從瀝青混合料性能提升和瀝青路面結(jié)構(gòu)改良等方面提出了一系列的抗車轍措施，如新材料、新工藝、新設(shè)備等研究。雖然這些措施能夠在一定程度上增強(qiáng)瀝青路面的抗車轍性能，但是這些措施忽視了溫度對瀝青路面影響這一重要因素，實(shí)施效果有限。聚乙二醇是一種水溶性良好的高分子化合物，可在相應(yīng)熔點(diǎn)下熔化，吸收或釋放熱量保持溫度維持在一定范圍，是一種很好的相變材料，在工程中經(jīng)常作為相變材料被使用。國內(nèi)外在聚乙二醇相變材料維持溫度穩(wěn)定性做了許多研究。為此，本研究在已有相變材料研究的基礎(chǔ)上，在瀝青混合料中添加相變材料制備改性瀝青混合料，研究在高溫和雨水的作用下，相變材料摻入瀝青混合料對瀝青路面性能的提升。

2桂林市瀝青路面路面性能調(diào)查情況及分析

研究小組于去年八月中旬選取了桂林市幾段典型性路段的路面進(jìn)行調(diào)查。以普陀路、中山北路、六合路、解放東路等為代表的市區(qū)中心瀝青道路路段和以環(huán)城北二路、環(huán)城西二路為代表的外環(huán)瀝青道路作為研究對象。

從表中看出，市區(qū)中心道路非機(jī)動車道路面破壞以啃邊和擁包為主，機(jī)動車道中間路面以橫、縱裂縫破壞為主，機(jī)動車道邊緣以松散、啃邊為主;外環(huán)道路路段及縣級公路相較市區(qū)中心道路更為普遍和嚴(yán)重，非機(jī)動車道以坑槽和裂縫為主，機(jī)動車道以坑槽和橫向裂縫為主。由以上調(diào)查結(jié)果可知桂林市的瀝青路面通常出現(xiàn)松散、坑槽、裂縫、車轍和擁包等病害情況，而雨熱同季即高溫氣候及雨水豐沛的聯(lián)合作用是導(dǎo)致桂林市瀝青路面病害出現(xiàn)的主因。水對瀝青混凝土產(chǎn)生軟化、 剝離和沖刷作用，降低瀝青與集料的粘附性造成瀝青混凝土松散、形成坑槽。實(shí)地調(diào)查的桂林市瀝青路面結(jié)果充分地體現(xiàn)了桂林市瀝青路面的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)性普遍不足。

3相變?yōu)r青混合料路用性能研究

基于前人研究經(jīng)驗(yàn)，利用聚乙二醇的相變儲熱特性本研究將不同比例的聚乙二醇作為相變材料摻入瀝青混合料中研究水穩(wěn)定性、高低溫穩(wěn)定性以及抗車轍性能等。

3.1相變材料和瀝青混合料的選擇

本文主要根據(jù)相變材料的溫度，水穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性幾個指標(biāo)來選擇相變材料。由于相變材料PE2000屬于無機(jī)非金屬晶體材料，能夠在瀝青中產(chǎn)生相互作用，提高瀝青混凝土的導(dǎo)熱性能，故本研究采用相變材料PE2000。采用熱拌法將AC-13級配碎石與瀝青拌和得到瀝青混合料。

3.2相變材料對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響

3.2.1室外升溫模擬試驗(yàn)

為了更加準(zhǔn)確地反映實(shí)際瀝青混凝土路面的溫度狀況，對恒溫瀝青混凝土試件進(jìn)行室外模擬試驗(yàn)，研究瀝青混凝土的調(diào)溫效果。根據(jù)AC-13級配，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》《JTGE20-2011》PEG2000制作摻量分別為0、5%、10%、15%和20%（PEG2000與瀝青質(zhì)量的百分比）的馬歇爾試件，利用試驗(yàn)儀器按照上述試驗(yàn)步驟進(jìn)行室外模擬試驗(yàn)。在馬歇爾試件從中心鉆0.5cm的孔，將溫度記錄器插入孔內(nèi)，并用成型的混合料的余料填充空隙。模擬路面升溫過程，將馬歇爾試件放置在晴天無遮擋的室外，每隔15min記錄一次，連續(xù)12h，溫度記錄結(jié)果測試其在室外溫度變化的情況下，對比不同配比的瀝青混合料試件的溫度升高情況，檢測其高溫穩(wěn)定性。

3.2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖可知，在升溫階段，五個試件的溫差隨時間增長而變大。當(dāng)溫度達(dá)到50℃左右時，未摻入PEG2000的試件升溫曲線比較陡峭，而摻入PEG2000的試件，升溫曲線變化較為緩慢，溫度低于未摻入PEG2000的試件。說明相變材料在氣溫上升過程中都產(chǎn)生了“減少升溫速率”和“降低高溫峰值”的效果，其中在14：00～16：00降溫幅度最大，與未摻入相變材料PEG2000的試件相比達(dá)到了1.6℃的降溫效果，如圖1 所示摻量5%的試件降溫效果最好。在氣溫下降過程中，摻入相變材料PEG2000的試件和未摻入相變材料PEG2000的試件降溫效果基本一致。

3.3浸水馬歇爾試驗(yàn)

采用自動馬歇爾擊實(shí)儀成型圓柱體試件，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，桂林市市區(qū)路面的擊實(shí)次數(shù)為雙面各75次。將成型好的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件分為兩組，一組在60℃恒溫水槽中保溫30-40 min后測其馬歇爾穩(wěn)定度Ms1;另一組在60℃恒溫水槽中保溫48h后測其馬歇爾穩(wěn)定度MS2;由式（1）計(jì)算殘留穩(wěn)定度

[Ms=ms2Ms1×100%]

式中：Ms為試件的浸水殘留穩(wěn)定度（%）;Ms1為試件的穩(wěn)定度（KN）;Ms2為試件浸水48h后的穩(wěn)定度（KN）

3.3.1不同摻量相變材料對浸水馬歇爾試驗(yàn)的影響

為了研究相變材料對瀝青混合料對瀝青路面水穩(wěn)定性的影響，采用浸水馬歇爾試驗(yàn)的方法制定相應(yīng)研究方案。摻量0%、5%、10%、15%和20%的瀝青混合料各制備2組試件，第一組在60℃的恒溫水槽中浸水0.5h后測試其穩(wěn)定度Ms1，第二組在60℃的恒溫水槽中浸水48h后測試其穩(wěn)定度Ms2，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

3.3.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

由表2可知，隨著相變材料的摻量增加，瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度逐漸降低，這是由于相變顆粒聚乙二醇（PEG2000）對水的吸附能力大于瀝青，當(dāng)受到水的作用，瀝青膜更容易脫落從而破壞瀝青混合料。雖然想變材料的摻入降低了瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，但大多數(shù)仍能滿足我國規(guī)范《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的要求值，只有摻量20%相變材料的瀝青混合料殘留穩(wěn)定度不符合規(guī)定的大于或等于85%的技術(shù)要求。

3.4車轍實(shí)驗(yàn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)相關(guān)結(jié)論表明，各種相變材料摻量的改性瀝青抗車轍因子均隨溫度升高而呈現(xiàn)下降的趨勢，但均高于基質(zhì)瀝青;且摻量越多，抗車轍因子越大，表明PEG的摻加可有效改善瀝青的高溫穩(wěn)定性，增強(qiáng)高溫抗車轍能力。

由圖可知，不同摻量的改性瀝青相位角均隨溫度的升高而呈現(xiàn)上升的趨勢，但均低于基質(zhì)瀝青，且摻量越多，δ越小，說明高溫抗車轍能力有所提高。

4結(jié)論

在瀝青混合料中摻入聚乙二醇相變材料后，高溫穩(wěn)定性變高，水穩(wěn)性雖降低但是在規(guī)定范圍內(nèi)。而且實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)隨著聚乙二醇摻入量的增大，瀝青混合料高溫穩(wěn)定性趨勢沒有增加反而降低且水穩(wěn)性不斷降低。經(jīng)研究分析在5%時能同時具有較好的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)性，滿足桂林市氣候條件對瀝青路面影響，對減少瀝青路面病害有較大幫助。