凍融條件下相變?yōu)r青混合料的低溫抗裂及調(diào)溫性能

宋云連， 孫瑜， 龐鑫

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學土木工程學院， 呼和浩特 010051)

瀝青混合料是一種典型的溫度敏感性材料，瀝青路面服役后面臨高溫車轍、低溫開裂等與溫度密切相關的病害，尤其北方地區(qū)深受這些病害的影響。長期以來，國內(nèi)外重點從提高瀝青混合料溫度穩(wěn)定性方面開展新材料的研究，其中相變材料利用太陽能以潛熱儲能的特性廣受青睞。

利用相變材料實現(xiàn)瀝青路面極端溫度的平抑溫差，國內(nèi)外道路工作者基于此進行了大量的研究工作。Bueno等[1]利用十四烷相變材料對瀝青混合料進行改性，當溫度低于0 ℃時改性瀝青混合料能夠減緩冷卻，但其剛度顯著下降。Yang等[2]采用直接浸漬法制備了空心玻璃微珠-聚乙二醇復合定形相變儲熱材料，通過X射線衍射、差示掃描量熱法、熱循環(huán)測試和熱重分析，可知所制備的復合材料具有良好的熱穩(wěn)定性和可靠性。朱洪洲等[3]將十四烷/膨脹石墨相變材料應用于水泥砂漿和混凝土中，研究表明隨著十四烷/膨脹石墨的摻量增大，相變水泥砂漿及相變混凝土的強度逐漸加速衰減。董素嫻[4]以十四烷為相變儲熱物質(zhì)，將其以2%、3%的質(zhì)量比例摻加到微表處混合料中，提高了微表處的抗水損害能力與抗車轍變形能力。目前，國內(nèi)外研究學者對相變材料在瀝青混合料路面中的利用，多數(shù)都集中于相變?yōu)r青混合料的制備工藝技術和融冰化雪效果的研究，而對其路用性能、內(nèi)部孔隙狀態(tài)及真實相變?yōu)r青路面的調(diào)溫狀況少有涉及[5-7]。

因此，現(xiàn)基于凍融循環(huán)條件，采用溫拌技術，通過低溫劈裂試驗和凍斷試驗，采用劈裂強度、凍斷溫度和轉(zhuǎn)折點溫度等指標，研究相變?yōu)r青混合料的低溫抗裂性能以及相變材料的最佳摻量；通過核磁共振方法，利用T2譜與孔隙度指標，分析相變材料影響瀝青混合料力學性能的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)；同時，通過差示掃描量熱法(differential scanning calorimetry，DSC)采用相變峰值和相變焓等指標，研究相變材料吸熱放熱情況，結(jié)合試驗路段相變路面和普通路面溫度的對比，分析相變材料在實際路面中的調(diào)溫效果。

1 材料及試驗

1.1 原材料

選用90#基質(zhì)瀝青，技術指標如表1所示；溫拌劑為XT-YW溫拌劑，是一種無毒無異味、不含強堿、不含腐蝕性物質(zhì)的環(huán)保型溫拌劑，其技術指標如表2所示；相變材料選用北京某公司生產(chǎn)的顆粒型相變材料DTC，其技術指標如表3所示。

集料采用玄武巖，規(guī)格為0～5、5～10、10～15 mm三檔，填料選用由石灰?guī)r磨制而成的礦粉，各級集料技術指標如表4所示。

表1 基質(zhì)瀝青及溫拌基質(zhì)瀝青基本性能指標Table 1 Basic performance index of base asphalt and warm mix base asphalt

表2 溫拌劑技術指標Table 2 Technical index of warm mixing agent

表3 DTC特性參數(shù)Table 3 DTC characteristic parameters

表4 集料篩分試驗結(jié)果Table 4 Aggregate screening results

1.2 配合比設計

制備的瀝青混合料試件級配設計參考AC-13礦料級配范圍，玄武巖瀝青混合料的級配組成如表5所示。瀝青混合料設計采用馬歇爾設計方法，最佳瀝青用量為5%。在相變?yōu)r青混合料中，溫拌劑采用廠家推薦和課題組前期研究所得的最佳摻量0.6%，DTC摻量選擇瀝青混合料的1‰、2‰、3‰、4‰、5‰。

表5 混合料級配表Table 5 Mixing grading table

1.3 實驗方法

1.3.1 凍融循環(huán)設計

瀝青路面長期暴露在自然環(huán)境中，且北方地區(qū)氣溫偏低，多雨雪天氣，凍融循環(huán)作用對瀝青路面影響較大，因此進行凍融試驗。按照標準的飽水試驗方法，水溫控制(15±1) ℃，進行真空飽水30 min后放入塑料袋；浴水后放入(-20±2) ℃的恒溫冰箱，保存16 h；冷凍結(jié)束后，置入(60±0.5) ℃的恒溫水槽中去掉塑料袋保溫8 h。按照上述步驟完成一次凍融循環(huán)，分別循環(huán)0、5、10、15次。

1.3.2 低溫劈裂試驗

利用UTM-100進行低溫劈裂試驗，試件采用標準馬歇爾試件。試驗溫度為(-10±0.5) ℃，加載速率為50 mm/min。試驗前放入高低溫交變箱保溫6 h，環(huán)境箱溫度穩(wěn)定在試驗溫度(-10±0.5) ℃范圍內(nèi)再進行試驗。

1.3.3 約束試件溫度應力試驗

利用約束試件溫度應力試驗(即凍斷試驗)進行約束試件溫度應力測定，選用尺寸為250 mm×35 mm×30 mm的小梁試件，試驗溫度初始溫度設置為5 ℃，保溫4 h后以10 ℃/h的速率降溫，通過約束試件的溫度應力使試件發(fā)生斷裂[8]。

1.3.4 核磁共振分析

在MesoMR23-060H-I儀器中設置H質(zhì)子共振頻率23 MHz，磁體強度0.5 T，磁體溫度32 ℃。從不同凍融循環(huán)條件后小梁試件中切取20 mm×20 mm×20 mm正方體試塊。試驗前先將試塊進行真空保水30 min，之后將其放入制備好的蒸餾水中浸泡24 h后，使試件表面干燥放入核磁共振儀中測試。

1.3.5 差示掃描量熱法

在DSC 3500 sirius儀器中設置升溫速率為5 ℃/min，反應溫度上限為320 ℃。將制備好的樣品置于儀器上，確定相變材料DTC的相變焓和相變溫度，分析其吸熱放熱情況。

1.3.6 試驗路段調(diào)溫效果實測

將內(nèi)蒙古呼和浩特市果園東路路段鋪設的東半幅DTC相變調(diào)溫瀝青路面作為試驗段，西半幅普通瀝青路面為作為對比段。在兩路段中間每隔50 m選取具有代表性的3個橫斷面并進行標記，分別在每個橫斷面上對應選取3個測點，共計18個測點進行路面溫度實測。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 力學性能

2.1.1 低溫劈裂試驗結(jié)果分析

根據(jù)北方地區(qū)環(huán)境特征分析，低溫開裂是該區(qū)域瀝青路面的典型問題[9-10]。低溫劈裂試驗可以分析在低溫條件下瀝青混合料表面和內(nèi)部抵抗裂縫的能力，當超過材料自身的極限抗拉強度時產(chǎn)生裂縫[11-13]，以劈裂強度(Ss)作為相變?yōu)r青混合料(phase change warm asphalt mixture，PCWAM)的低溫抗裂性能評價指標，如圖1所示，其中原樣為未摻DTC的瀝青混合料，1‰、2‰、3‰、4‰、5‰表示PCWAM中DTC的摻量。

圖1 相變?yōu)r青混合料低溫劈裂強度Fig.1 Splitting strength of phase change asphalt mixture

由圖1可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料的低溫劈裂抗拉強度與變形能力逐漸減弱，導致其低溫抗裂性能降低。這是因為在低溫冰凍過程中，水溶液會結(jié)冰膨脹，當溫度回升時，未完全凍結(jié)的水溶液壓入混合料內(nèi)部與空氣發(fā)生膨脹，在孔內(nèi)形成正壓力，每一次的凍融循環(huán)結(jié)束，混合料內(nèi)部的含水量相應增加，使其整體強度降低，更容易發(fā)生斷裂。在相同的凍融循環(huán)條件下，PCWAM的劈裂強度隨著相變材料摻量的增加而逐漸降低，說明加入DTC相變材料降低了瀝青混合料的強度，主要是由于DTC相變材料本身的強度比較低，無法在骨架中發(fā)揮強度支撐作用。此外，相變材料的無強度特性也進一步導致相變材料與瀝青之間裹覆性較差、黏結(jié)力不強，成型后的瀝青混合料試件內(nèi)部存在結(jié)構(gòu)缺陷，并隨著相變材料摻量的增加，混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷也在逐漸增加。因此，在Ss指標下，隨著DTC摻量的增多，PCWAM的低溫抗裂性能逐步降低。

2.1.2 約束試件溫度應力試驗結(jié)果分析

凍斷試驗能夠同時考慮瀝青混合料的應力松弛能力、線收縮系數(shù)、破壞強度和降溫速率等因素，可以正確模擬現(xiàn)場狀況。而研究表明，其凍斷強度和溫度應力斜率變異系數(shù)較大[14-15]，凍斷溫度與瀝青路面低溫開裂直接相關[16]，轉(zhuǎn)折點溫度把溫度應力曲線分成松弛和無松弛兩部分的溫度[17]。故采用凍斷溫度(Tf)和轉(zhuǎn)折點溫度(TT)這兩個指標研究相變?yōu)r青混合料的低溫抗裂性能，如圖2所示。

圖2 相變?yōu)r青混合料凍斷溫度和轉(zhuǎn)折點溫度Fig.2 Freezing break temperature and turning point temperature of phase change asphalt mixture

由圖2可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料的凍斷溫度和轉(zhuǎn)折點溫度均逐漸升高，即瀝青混合料的低溫抗裂性能逐漸降低。一方面，凍融循環(huán)使瀝青與集料之間的黏附性變差，降低了瀝青自身的低溫流變性能；另一方面，在凍融循環(huán)的作用下，瀝青混合料失去應力松弛能力，對應的溫度升高，開裂時間點也相應提前。在相同的凍融循環(huán)條件下，隨著DTC相變材料摻量的增加，相變?yōu)r青混合料的凍斷溫度和轉(zhuǎn)折點溫度都有著不同程度的升高。理論上，相變材料具有儲熱放熱功能，摻入瀝青混合料后能夠降低其感溫性，減少溫縮應力，進而增強瀝青混合料的低溫抗裂性。而試驗結(jié)果表明，在低溫條件下，瀝青混合料中相變材料所表現(xiàn)的放熱功能對力學性能的影響有限，材料本身無硬度對PCWAM的力學性能造成了難以避免的損傷。因此，與低溫劈裂試驗結(jié)論一致，在Tf和TT指標下，隨著DTC摻量的增大，PCWAM的低溫抗裂性能逐漸下降。

為了進一步研究DTC的最佳摻量值，取不同凍融條件下Tf和TT的均值，繪制Tf和TT隨摻量變化進行Logistic曲線擬合，擬合結(jié)果如圖3所示。

由擬合結(jié)果可以看出，Tf和TT的Logistic擬合方程決定系數(shù)R2分別為0.98、0.94，具有很高的相關性。進一步進行處理，分別在x取2.967 1‰、2.976 4‰處，取得Tf和TT擬合公式的拐點，也就是說，當DTC摻量在3‰左右時，相變?yōu)r青混合料凍斷溫度升高速率顯著，混合料內(nèi)部的瀝青急速變硬，此時混合料的低溫抗裂性能急劇下降。因此，推薦DTC摻量為3‰。

圖3 凍斷溫度均值和轉(zhuǎn)折點溫度均值Logistic擬合曲線圖Fig.3 Logistic fitting curve of mean freeze-break temperature and mean turning point temperature

2.1.3 核磁共振結(jié)果分析

橫向弛豫T2可以反映多孔材料相應的孔結(jié)構(gòu)信息[18]，其與孔隙度的關系如式(1)所示。針對相變材料DTC不同摻量時的瀝青混合料，其對應計算結(jié)果見表6。

(1)

式(1)中：1/T2為橫向弛豫速率，m/s；ρ2為橫向表面弛豫強度，μm/ms；A為孔隙表面積，cm2；V為孔隙體積，cm3；P為孔隙度，%。

由表6可以看出，隨著凍融循環(huán)的進行，瀝青混合料孔隙度逐漸增大，說明瀝青混合料的抗冰凍破壞性能降低。與低溫劈裂強度、凍斷溫度、轉(zhuǎn)折點溫度等指標的機理一致，混合料在凝結(jié)水化過程中內(nèi)部產(chǎn)生空隙，在應力作用下混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)進而產(chǎn)生細小裂縫。同時，隨著相變材料DTC摻量的增大，各組試件孔隙度均呈現(xiàn)逐漸上升趨勢。這是由于DTC相變材料在低溫下發(fā)生放熱反應，會在內(nèi)部形成“空位”，從而影響孔結(jié)構(gòu)，進而導致相變?yōu)r青混合料抵御低溫裂縫的能力逐漸減弱。且隨著DTC摻量的增加，產(chǎn)生的“空位”也逐漸增多，試件中的孔隙數(shù)量增多、直徑增大，PCWAM的低溫抗裂性能也隨之降低。

表6 孔隙度計算結(jié)果Table 6 Porosity calculation results

由于T2譜峰值與對應尺寸的孔徑數(shù)量呈正相關[19]，因此選用未凍融組不同DTC摻量試件的核磁共振T2譜圖，如圖4所示，且將1號(T2<10 ms)、2號(10 ms100 ms)譜峰下的孔隙視為小、中、大孔隙。

圖4 不同DTC摻量下的核磁共振T2譜圖Fig.4 NMR T2 spectra under different DTC content

由圖4可以看出，在初始階段，PCWAM試件的T2譜曲線僅存在于1號譜峰，且T2值分布范圍相對較窄，表明混合料試樣存在密閉的微小孔隙，孔隙中流體受到了束縛，流動性比較小。試件的孔徑分布及其峰值主要集中在0.01～10 μm，且橫向弛豫時間T2圖譜形態(tài)整體偏右，水在孔隙中的弛豫時間較長、速度較慢，意味著試件內(nèi)部主要以大、中孔隙為主。隨著DTC摻量增加，橫向弛豫時間T2圖譜形態(tài)整體逐漸右移，流體在孔隙中的弛豫時間變長、速度變慢，大、中孔隙也增多?？傮w來看，DTC相變材料的摻入，使混合料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔徑分布占比峰值變大、孔隙的數(shù)量增多，且隨著其摻量的增加，孔隙變大增多的趨勢越來越明顯。

2.1.4 低溫抗裂指標相關性分析

基于核磁共振研究結(jié)果驗證了低溫劈裂試驗、約束試件溫度應力試驗的研究結(jié)論。為了保證3個試驗在同一環(huán)境條件下，選取4種凍融條件的試驗數(shù)據(jù)均值作為條件，原樣瀝青混合料和DTC相變材料摻量為1‰～5‰的相變?yōu)r青混合料的孔隙度(P)為橫坐標，分別對低溫劈裂強度(Ss)、凍斷溫度(Tf)和轉(zhuǎn)折點溫度(TT)等低溫開裂指標進行相關性分析，如圖5所示。

圖5 相變?yōu)r青混合料低溫開裂指標相關性分析Fig.5 Correlation analysis of low temperature cracking index of phase change asphalt mixture

由圖5可知，3條擬合直線的相關系數(shù)均在0.97以上，即PCWAM的細觀參數(shù)P與宏觀開裂指標Ss、Tf、TT均具有良好的相關性。說明根據(jù)低溫劈裂強度、凍斷溫度、轉(zhuǎn)折點溫度和孔隙度等指標來研究相變?yōu)r青混合料的低溫抗裂性能具有較好的可靠性。

2.2 調(diào)溫性能

2.2.1 相變焓和相變溫度

為了確定相變材料DTC的吸熱放熱性能，利用DSC測得其相變焓和相變溫度，如圖6所示。

圖6 相變材料DTC差示掃描量熱法測試結(jié)果Fig.6 Test results of phase change material DTC by differential scanning calorimetry

從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，在降溫過程中，DTC相變材料的相變起始溫度為34.64 ℃，終止溫度為-21.18 ℃，相變峰值溫度為24.59 ℃，結(jié)晶焓值為79.32 J/g；在升溫過程中，相變起始溫度為-24.43 ℃，終止溫度為8.32 ℃，相變峰值溫度為26.39 ℃，熔融焓值為76.40 J/g?？傮w來看，相變材料在升溫、降溫過程中均能很好地實現(xiàn)吸熱放熱，而降溫過程中的相變焓值略大于升溫過程中的相變焓值，相比升溫和降溫過程中的DTC相變材料產(chǎn)生的作用，降溫過程中的調(diào)溫效果更加明顯。

2.2.2 試驗路段DTC調(diào)溫效果實測

根據(jù)Weather Atlas的統(tǒng)計，呼和浩特市最冷的月份是一月，最低平均溫度為-17.9 ℃，因此在一月份隨機選取為-18 ℃的一個晴天進行試驗路段溫度的采集。從上午10:00開始至次日上午9:00結(jié)束，對所測相變?yōu)r青路面和普通瀝青路面的18個測點的溫度進行均值處理，得到相變?yōu)r青路面、普通瀝青路面和大氣環(huán)境的24 h內(nèi)的實測溫度曲線圖，如圖7所示。

圖7 試驗路段溫度對比圖Fig.7 Temperature contrast diagram of test section

由圖7可知，在低溫條件下24 h的溫度變化過程中，相變?yōu)r青路面的溫度滯后于普通瀝青路面的溫度，降溫曲線平緩，說明低溫條件下，DTC相變材料可以有效調(diào)節(jié)瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度，降低其溫度敏感性。當路面溫度接近-5 ℃左右，瀝青混凝土中的相變材料開始發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變，釋放出的熱量削弱了低溫環(huán)境對路面溫度的影響，產(chǎn)生了溫度平臺期。低溫條件下的升溫階段，也就是10:00—11:00，相變?yōu)r青路面的溫度滯后于普通瀝青路面的溫度，這是由于此時的太陽輻射強度逐漸增大，強太陽光直射在瀝青路面表層上，其蘊含的熱量一部分通過導熱進入相變材料蓄熱表層并存儲于相變材料中，路面吸熱并進行熱量累積。相變路面出現(xiàn)溫度高峰為1.07 ℃，比普通瀝青路面高6 ℃左右，降溫開始時間也延遲了60 min左右，相變材料在混合料中升溫效果明顯。而在后期的持續(xù)降溫中相變材料的調(diào)溫性能良好，相變?yōu)r青路面到達-15 ℃與-20 ℃的時間分別滯后于普通瀝青路面420 min和560 min，說明DTC相變材料可以延遲瀝青路面最低溫度出現(xiàn)的時間。

總體來看，在瀝青混合料中摻入DTC相變材料后，可以緩解瀝青路面的降溫速率，減少瀝青路面的晝夜溫度波動，延遲極端氣溫的出現(xiàn)時間，達到預期的目的。

3 結(jié)論

通過對不同凍融循環(huán)條件和不同DTC摻量的相變?yōu)r青混合料，采用低溫劈裂試驗、約束試件溫度應力試驗、核磁共振技術進行表征，結(jié)合差示掃描量熱法實測試驗路段面層溫度，得到的結(jié)論如下。

(1)低溫條件下，DTC相變材料的摻入會對瀝青路面的抗裂性能造成一定的負面影響，且隨著摻量的增大，瀝青混合料的低溫抗裂性能會進一步降低。根據(jù)力學指標的規(guī)范要求以及凍斷溫度和轉(zhuǎn)折點溫度的Logistic擬合曲線，綜合考慮調(diào)溫效果最大化，推薦DTC摻量為3‰。

(2)相變材料在升溫降溫過程中均能很好地實現(xiàn)吸熱放熱，而降溫過程中的相變焓值為79.32 J/g,略大于升溫過程中的相變焓值，降溫過程中的調(diào)溫效果更加明顯。

(3)隨著DTC相變材料摻量的增加，試件內(nèi)部的大、中孔隙逐漸增多，孔隙度呈現(xiàn)上升趨勢，且以孔隙度表征的結(jié)構(gòu)特性與以低溫劈裂強度、凍斷溫度和轉(zhuǎn)折點溫度等表征的低溫抗裂性能能指標的相關性系數(shù)均高于0.97，孔隙度與低溫抗裂性能緊密關聯(lián)。

(4)在北方冬季低溫天氣條件下，相變?yōu)r青路面比普通瀝青路面平均高6 ℃，到達-15 ℃與-20 ℃的時間滯后于普通瀝青路面分別為420 min和560 min。即DTC相變材料的摻入，可以緩解瀝青路面的降溫速率，減少瀝青路面的晝夜溫度波動，延遲極端氣溫的出現(xiàn)時間。