相變多孔瀝青混合料路用性能及抗凝冰特性探究

武昊 項震宇 李明亮 李俊 韓丁丁

（1.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088；2.道路結(jié)構(gòu)與材料交通運輸行業(yè)重點實驗室，北京 100088；3.金華市公路與運輸管理中心，浙江 金華 321000）

目前，常見的融冰雪型路面添加劑主要為氯鹽類和相變材料類。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，氯鹽類融冰雪瀝青路面的作用機理主要是通過氯鹽的析出來降低路表積水的冰點，從而達到融冰雪的目的。但氯鹽類材料作為改性劑對瀝青混合料各項性能有一定的負面影響，其中水穩(wěn)定性受影響較大。且隨著鋪筑時間的增加，瀝青路面的融雪能力會逐漸降低，此外融雪型瀝青路面中融雪劑的析出效率也會隨路面深度的增加而降低。而相變材料（主要有合金類、有機類）具有儲熱特性，在環(huán)境溫度變化時，可通過自身在相態(tài)轉(zhuǎn)變的過程中吸放熱量來調(diào)節(jié)周邊環(huán)境溫度。目前，相變材料作為保溫材料已被廣泛應(yīng)用于電池、構(gòu)筑物、冷鏈運輸?shù)阮I(lǐng)域。由于相變材料具有高潛熱值的特點，添加在路面材料中可提高其抗凝冰能力，使得瀝青路面具有自主調(diào)溫的功能，從而達到融冰雪的目的。

一.試驗設(shè)計

（一）相變材料

本次試驗采用的相變材料常溫下為白色固體顆粒，按照 《公路瀝青混合料用融冰雪材料》（（JT/T 1210.2-2018））第1部分對相變材料的規(guī)定，對相變材料的熔融焓值（J/g）、相變形式及焓值衰減率（%）開展試驗，結(jié)果如表1所示。由試驗結(jié)果可知，相變材料的尺寸及理化性能符合相關(guān)要求。

表1 相變材料的尺寸及理化性能

表1 相變材料的尺寸及理化性能

（二）瀝青混合料

本次試驗的瀝青是采用高黏度添加劑與SBS改性瀝青復(fù)合的改性瀝青，摻配比例為8:92；礦粉采用石灰?guī)r礦粉；細集料采用直徑小于3mm的石灰?guī)r機制砂；粗集料分別采用直徑為5mm～10mm、10mm～15mm的玄武巖粗集料；聚酯纖維摻量為多孔瀝青混合料質(zhì)量的0.1%。上述原材料各項指標檢測結(jié)果均滿足要求。

試驗采用表2級配和表3配合比制備相變多孔瀝青混合料。

表2 相變多孔瀝青混合料目標設(shè)計級配

表2 相變多孔瀝青混合料目標設(shè)計級配

表3 礦料配合比及油石比

表3 礦料配合比及油石比

二、研究方案

（一）相變多孔瀝青混合料常規(guī)路用性能試驗

采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）相關(guān)試驗方法，對比分析相變多孔瀝青混合料和常規(guī)多孔瀝青混合料（對照組）的常規(guī)路用性能。

（二）相變多孔瀝青混合料室內(nèi)融冰雪能力試驗

按照《公路瀝青融雪材料》規(guī)定的融冰雪能力值及試驗方法，相變多孔瀝青混合料與常規(guī)多孔瀝青混合料（對照組）開展試驗，具體流程如下：

將測試試件在恒定溫度為25℃且無熱源條件下放置12h以上；將試件置于密閉的箱體中用熱源在車轍板正上方照射2h；將照射后的試件放入-5℃的冰柜中；每塊試件各放置1塊冰塊，分別稱量冰塊的質(zhì)量記為，并將冰塊豎直放置于車轍板中間；每間隔30min稱量并記錄冰塊質(zhì)量，之后放回原位置繼續(xù)試驗，3h后稱量各冰塊質(zhì)量記為計算試件的融冰雪能力值；每組測試相同配合比混合料的3塊試件，取3次試驗平均值作為該組試件的融冰雪能力值。按公式（1）計算融冰雪能力值，精確至小數(shù)點后兩位。

公式（1）中，ω表示摻加相變材料的瀝青混合料融冰雪能力值，單位為克/每平方厘米（g/cm2）；表示相變材料瀝青混合料上冰塊的初始質(zhì)量，單位為克（g）；表示相變材料瀝青混合料上3h后的冰塊質(zhì)量，單位為克（g）；表示基準對照組瀝青混合料上冰塊初始質(zhì)量，單位為克（g）；表示基準對照組瀝青混合料上3h后冰塊質(zhì)量，單位為克（g）；S表示冰塊與瀝青混合料的接觸面積，單位為平方厘米（cm2）。

（三）相變多孔瀝青混合料試驗段調(diào)溫性能測試

選擇G2513淮徐高速江蘇段作為相變多孔瀝青混合料鋪筑試驗段，段落長度約為2.5km，半幅鋪筑，鋪筑寬度為11.75m，路面結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

圖1 相變多孔瀝青路面結(jié)構(gòu)試驗段方案

本次測試采用溫度法測量評價相變多孔瀝青路面調(diào)溫性能，溫度測量點位分別選取路基段、橋梁段的典型段落，如表4所示，其中“對照組”為相變多孔瀝青試驗段對向車道未加相變材料的常規(guī)多孔瀝青路面。

表4 溫度觀測位置及觀測方案

表4 溫度觀測位置及觀測方案

三、研究結(jié)果與分析

（一）相變多孔瀝青混合料常規(guī)路用性能

相變多孔瀝青混合料和常規(guī)多孔瀝青混合料（對照組）的路用性能試驗結(jié)果如表5所示。

表5 相變多孔瀝青混合料的路用性能

表5 相變多孔瀝青混合料的路用性能

由表5數(shù)據(jù)可知，與常規(guī)多孔瀝青混合料相比，相變多孔瀝青混合料的析漏損失減小了63.2%、飛散試驗損失減小了7.5%、浸水飛散損失減少了4.5%，這是因為相變材料填充在混合料的空隙中，需要更多的瀝青裹附在混合料表面，從而減少多余瀝青的自由流動及析漏損失；由于相變多孔瀝青混合料具有更小的空隙率和更小的析漏損失，黏附在集料-相變材料表面的有效瀝青含量較高，因此其具有更好的抗飛散性能；相變多孔瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、浸水馬歇爾試驗殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂試驗殘留強度比與常規(guī)多孔瀝青混合料相比沒有明顯差距，可以說明相變材料的加入對多孔瀝青混合料的水穩(wěn)定性影響不大；相變多孔瀝青混合料的動穩(wěn)定度比常規(guī)多孔瀝青混合料低18.6%，說明相變材料的加入使多孔瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有所降低，這是因為相變材料在試驗過程中吸收了一定的熱量，為使試件表面維持在設(shè)定的試驗溫度，需承受更高的熱量，致使相變多孔瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有所降低。

（二）相變多孔瀝青混合料融冰雪特性

1.室內(nèi)融冰雪特性

根據(jù)上述試驗方案，相變多孔瀝青混合料的融冰雪能力試驗結(jié)果如圖2所示，融冰雪能力值如表6所示。

圖2 融冰雪性能隨時間變化

相變多孔瀝青混合料融冰雪能力

相變多孔瀝青混合料融冰雪能力

由圖2實線走勢可以看出，隨試驗時間的增加，冰塊的損失質(zhì)量不斷增加，在0h～1.5h，冰塊損失質(zhì)量迅速上升；在2h～3h，冰塊損失質(zhì)量趨于穩(wěn)定。在相同的觀測時間內(nèi)，試驗3h時置于相變多孔瀝青混合料試件的融冰質(zhì)量為127.3g，比常規(guī)多孔瀝青混合料試件（融冰質(zhì)量為96.0g）增大了32.6%。經(jīng)過計算，相變多孔瀝青混合料融冰雪能力值平均可達到0.40g/cm2。說明與常規(guī)多孔瀝青混合料相比，相變多孔瀝青混合料有較強的融冰雪能力。

由圖2虛線走勢可以看出，試件的融冰速率（每0.5h冰塊的損失質(zhì)量/冰塊總質(zhì)量）隨試驗時間的增加而降低。在0h～1h期間，相變多孔瀝青混合料和對照組融冰速率差異較小；在1h～2.5h期間，相變多孔瀝青混合料的融冰速率明顯高于對照組；在2.5h以后，相變多孔瀝青混合料的融冰速率逐漸趨于平緩。相變多孔瀝青混合料在1h、1.5h、2h、2.5h時的融冰速率分別比對照組高36%、129%、373%和294%，可以說明，在1h～2.5h期間，相變多孔瀝青混合料的融冰能力明顯高于對照組。這是因為在試驗時間內(nèi)，相變材料根據(jù)環(huán)境溫度的降低而持續(xù)釋放熱量，使混合料在1h～2.5h期間具有持續(xù)、穩(wěn)定的融冰能力。

2.試驗段調(diào)溫性能

由各觀測點的觀測結(jié)果中取同一觀測點不同點位溫度的平均值，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 橋梁段各觀測點測量結(jié)果

圖4 路基段各觀測點測量結(jié)果

由圖3、圖4中各觀測點的觀測結(jié)果可知：

整體來看，路基段的路表平均溫度高于橋梁段，其中未加相變材料（對照組）的路基段路表平均溫度為-1.1℃，比對照組的橋梁段路表平均溫度（-2.7℃）高1.6℃；相變多孔瀝青路面的路基段路表平均溫度為3.2℃，比相變多孔瀝青路面橋梁段路表平均溫度（2.1℃）高1.1℃。這是因為橋面下部為懸空形式，與路面相比溫度極易散失、保溫效果差。

在同一觀測點，無論橋梁段還是路基段的相變多孔瀝青路面路表溫度均高于對照組路表溫度。橋梁段相變多孔瀝青路面路表平均溫度為2.1℃，比對照組路表溫度（-2.7℃）提升了4.8℃；路基段相變多孔瀝青路面路表平均溫度為3.2℃，比對照組路表溫度（-1.1℃）提升了4.3℃。相變材料的加入使路表平均溫度比對照組提升了4℃以上，且使路面/橋面的溫度始終維持在冰點以上。

四、結(jié)語

與常規(guī)多孔瀝青路面相比，采用相變材料制備的相變多孔瀝青混合料路用性能的析漏損失減小了63.2%、飛散試驗損失減小了7.5%、浸水飛散損失減少了4.5%、動穩(wěn)定度降低了18.6%、浸水馬歇爾試驗殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗殘留強度相比沒有明顯差距，說明相變多孔瀝青混合料抗飛散性能較好、高溫穩(wěn)定性較差，水穩(wěn)定性則沒有明顯差距。

相變材料的加入使多孔瀝青混合料融冰雪能力值達到0.4g/cm2，測試3h時融冰質(zhì)量為127.3g，比常規(guī)多孔瀝青混合料試件（融冰質(zhì)量為96g）增大了32.6%，說明相變多孔瀝青混合料具有一定的融冰化雪能力。

降雪后，相變多孔瀝青路面比對照組路表溫度高4℃以上，說明相變材料的加入可使相變多孔瀝青路面具有良好的調(diào)溫效果，且具備一定的融冰雪能力。