相變材料對溫拌瀝青混合料路用性能及微觀機理的影響

宋云連， 張捷， 高盼

(內蒙古工業(yè)大學土木工程學院， 呼和浩特 010051)

瀝青混合料在拌合及使用過程中會逐漸發(fā)生老化，繼而直接影響瀝青路面的耐久性能和使用壽命，而傳統(tǒng)的熱拌技術不僅會加速材料老化，浪費能源，而且過高的拌合溫度會對相變材料造成質量損失、熱物性減少。近年來，溫拌瀝青應用在道路中，不僅能夠降低環(huán)境污染、減少能源的損耗，而且對瀝青混合料的性能影響較小[1-3]。在北方冬季，溫拌瀝青路面也有融雪化冰問題需要解決，路面的積雪結冰使得路面附著能力大大降低，對車輛的驅動性及安全性極為不利[4]，據統(tǒng)計，冬季30%左右的交通事故與路面積雪有關，因此，融冰化雪引起了眾多學者的關注；傳統(tǒng)的除雪方式主要有人工機械除雪、鋪撒融雪劑融雪、以及鹽化物瀝青混凝土路面[5-8]，傳統(tǒng)方式不僅要耗費大量的人力、物力、財力，還腐蝕路面、破壞周邊環(huán)境，從而降低使用年限。具有良好調溫性能相變材料(phase change material, PCM)的出現，引起人們的高度重視。因為相變儲能材料在保證材料基本屬性的基礎上，可以吸收和釋放大量的熱能，從而調控材料溫度[9]。何麗紅等[10]采用石蠟/膨脹石墨復合相變材料研究了對摻入復合相變材料的冷拌瀝青混合料路面降溫效果、高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性，得出了復合相變材料可以最高降低瀝青混凝土路面表面溫度5.2 ℃且瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性均滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)要求。許子龍[11]通過不同合成工藝制備出兩種適用于瀝青路面儲熱降溫的相變材料，研究分析相變顆粒摻加前后瀝青混合料的路用性能，得出了相變?yōu)r青混合料的高溫穩(wěn)定性降低，低溫抗裂性、水穩(wěn)定性良好。高穎等[12]研究了玻璃纖維聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性，得出了玻璃纖維可以提高PEG瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，玻璃纖維對PEG混合料低溫性能、水穩(wěn)定性有影響，但效果不明顯。白捷等[13]通過自制相變微膠囊研究了微膠囊性能以及微膠囊瀝青的性能，研究得出微膠囊可以將相變潛熱降低至119J/g，且相變微膠囊封裝效果良好，在瀝青中不易破裂、漏液，對瀝青的路用性能影響較小。王斌等[14]研究了融冰雪相變材料加入到瀝青混合料后的路用性能，得出了摻入相變材料降低了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性，而抗凍融循環(huán)強度衰減性能增強。武昊等[15]研究了相變材料對多孔瀝青混合料路用性能及抗凝冰性能的影響，結果表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)定性沒有明顯差距且相變多孔瀝青混合料具有良好的調溫效果，且具備一定的融冰雪能力。

上述學者多數都集中在研究相變材料在瀝青混合料中的路用新能及調溫性能，但是目前將相變材料應用在溫拌瀝青混合料中的研究較少，且在相變?yōu)r青混合料經歷老化后的性能研究少之又少，也少見從微觀層面進行深入研究的報告。因此，探究溫拌相變?yōu)r青混合料在經歷老化后的路用性能的變化規(guī)律以及從微觀層面解釋宏觀層面的變化，對后續(xù)的研究具有參考意義。

為此，研究摻入相變材料后的溫拌瀝青混合料路用性能及微觀機理，通過馬歇爾穩(wěn)定度試驗、劈裂試驗、小梁彎曲試驗研究瀝青混合料高溫、低溫、水穩(wěn)性能的變化規(guī)律，由電子顯微鏡試驗和核磁共振試驗獲知瀝青混合料在微觀層面的變化，關聯(lián)分析宏觀性能變化的原因。

1 實驗材料與方法

1.1 溫拌瀝青

試驗所用瀝青為90#基質瀝青，選用Evotherm溫拌劑進行試驗研究，Evotherm是一種表面活性型溫拌劑，在常溫下為深褐色黏稠狀液體，根據實驗所得其最佳摻量為0.6%。參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)，其技術指標如表1所示。

表1 瀝青基本性能指標Table 1 Basic performance index of asphalt

1.2 相變材料DTC

選用的相變材料DTC是由某公司生產，為白色顆粒狀固體，其DSC曲線如圖1所示。為了更好地研究DTC摻量對瀝青混合料的影響，摻量設置為0、1‰、2‰、3‰、4‰、5‰。

圖1 相變材料DTC的DSC曲線Fig.1 DSC curve of phase change material DTC

1.3 集料及混合料級配

試驗采用AC-13混合料類型，粗、細集料均產自大青山玄武巖，性能均符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)要求。AC-13礦料級配范圍及合成級配如表2所示，通過馬歇爾試驗確定最佳油石比為5%。

表2 AC-13的級配組成Table 2 Gradation composition of AC-13 asphalt mixture

1.4 老化方法

所采用的老化方法為熱氧老化，短期老化和長期老化均采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中的老化方法。

2 實驗及結果

2.1 DTC摻量對高溫性能的影響

馬歇爾穩(wěn)定度指標常被用來評價瀝青混合料的高溫性能，在試驗前將試件在60 ℃恒溫浴箱中浸水30 min，加載速度為50 mm/min，試驗結果如圖2所示。

如圖2所示，無論老化與否，馬歇爾穩(wěn)定度與DTC摻量符合線性關系，相關系數均在0.93以上，其中5‰摻量比0摻量最大降低了14.63%，一方面是由于DTC的主要成分是不飽和酸，摻入后使瀝青變軟，從而降低了瀝青混合料的黏結性；另一方面是瀝青混合料試件溫度達到60 ℃時，摻DTC的試件以潛熱形式吸收并存儲了部分熱量，總熱量大于未摻DTC的馬歇爾試件，分子運動加劇，導致性能有所降低；隨著老化程度的增加，其馬歇爾穩(wěn)定度也在降低，與未老化相比，短期老化性能最大降幅為3.18%，長期老化性能最大降幅為4.01%，說明DTC摻量對瀝青混合料高溫性能的影響較大。

未老化用字母U來表示；短期老化用字母S； 長期老化用字母L表示圖2 馬歇爾穩(wěn)定度與DTC摻量擬合圖Fig.2 Fitted Chart of Marshall stability and DTC dosage

2.2 DTC摻量對低溫性能的影響

制成尺寸為250 mm(長)×30 mm(寬)×35 mm(高)的長方體小梁，小梁試件強度的計算公式為

(1)

式(1)中：RB為試件破壞時的抗彎拉強度， MPa；b為跨中斷面試件的寬度，mm；h為跨中斷面試件的高度，mm；L為試件的跨徑，mm；PB為試件破壞時的最大荷載，N。

圖3 小梁抗彎拉強度值與DTC摻量擬合圖Fig.3 Fitted Chart of flexural tensile strength value of trabecular against DTC dosage

圖3為-20、-10、0 ℃下的小梁抗彎拉強度與DTC摻量關系擬合圖。可以看出，小梁抗彎拉強度RB與摻量x符合線性關系，除0 ℃時未老化小梁抗彎拉強度擬合的相關系數較低外，其他擬合系數都在0.93以上。5‰摻量比0摻量的小梁抗彎拉強度最大降幅為25.48%，隨著老化程度的加深，小梁抗彎拉強度在逐步下降，其短期老化最大降幅為10.97%，長期老化最大降幅為20.27%。

2.3 DTC摻量對水穩(wěn)性能的影響

凍融劈裂試驗將標準馬歇爾試件隨機分成兩組，第一組室溫保存?zhèn)溆?，第二組按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)方法進行真空飽水，兩組試件都進行凍融循環(huán)一次。然后采用50 mm/min的加載速率進行劈裂試驗。實驗結果如圖4所示。凍融劈裂抗拉強度比計算公式為。

(2)

由圖4可知，無論老化與否，隨著DTC摻量的增大，兩組試件劈裂抗拉強度都在減小，但劈裂抗拉強度比卻無顯著規(guī)律，從劈裂抗拉強度比的大小來看，0～3‰摻量的劈裂抗拉強度比都在90%以上，而4‰～5‰摻量數值偏小，其未老化、短期老化、長期老化5‰摻量的劈裂抗拉強度比0摻量分別減小了15.83%、17.73%、18.81%，而1‰～3‰摻量最大降幅分別為2.49%、2.81%、2.01%，與未老化相比，短期老化和長期老化的數值大小差別并不是很大。

為此，對劈裂抗拉強度比進行t檢驗統(tǒng)計分析和F檢驗統(tǒng)計分析。假設總體服從正態(tài)分布N(μ,σ2)，其中μ、σ2均為未知參數，(X1,X2,…,Xn)T為總體樣本容量的n個樣本，檢驗假設H0：u=u0和σ=σ0，其中，u=u0表示兩總體均值相等，符合t檢驗中零假設，即H0；σ=σ0表示兩總體方差相等，符合F檢驗中零假設，即H0，現將未老化抗拉強度比作為原樣本，短期老化和長期老化作為檢驗樣本，驗證檢驗樣本和原樣本的均值和方差是否有顯著差異，計算結果如表3所示。

圖4 凍融劈裂試驗結果Fig.4 Test results of freeze-thaw splitting

表3 統(tǒng)計檢驗計算Table 3 Statistical test calculation

對于均值檢驗，當顯著水平α=0.05時，查表得t0.025(5)=2.570 6，由于短期老化的|t|=1.597t0.025(5)=2.570 6，故認為長期老化瀝青混合料的劈裂抗拉強度比均值與未老化有顯著差異。對于方差檢驗，當α=0.05時，查表F0.025(5,5)=7.17，F0.975(5,5)=0.139 5，由于F0.975(5,5)

2.4 DTC摻量與路用性能的關聯(lián)度研究

灰色關聯(lián)度理論是以因素之間的發(fā)展態(tài)勢、幾何對應關系為依據來衡量因素之間的關聯(lián)程度，以DTC摻量作為參考數列，以馬歇爾穩(wěn)定度、抗彎拉強度(-10 ℃)、劈裂強度作為比較數列，比較數列和參考數列的關聯(lián)系數見式(3)，灰色關聯(lián)度見式(4)。

(3)

表4 DTC摻量灰色關聯(lián)度結果Table 4 Results of grey correlation degree of DTC dosage

(4)

由表4可知，隨著老化程度的加深，DTC摻量對馬歇爾穩(wěn)定度、抗彎拉強度、劈裂強度的影響甚微，其最大起伏僅為1.26%，但從均值角度出發(fā)，DTC摻量對瀝青混合料的影響程度由大到小依次是馬歇爾穩(wěn)定度、抗彎拉強度、劈裂強度。

3 微觀機理分析

3.1 電子顯微鏡結果與分析

為了從微觀層面解釋宏觀結構的變化規(guī)律，制成10 mm(長)×10 mm(寬)×5 mm(高)的長方體試件，采用QUANTA FEG 650電子顯微鏡觀測不同DTC摻量下的微觀形貌圖，相較于老化對瀝青混合料的影響，DTC摻量對瀝青混合料的影響更大。且老化對瀝青混合料的微觀研究較多，因此，主要研究DTC摻量在微觀層面對宏觀性能的影響，圖5為不同DTC摻量的瀝青混合料試件放大1 000倍的微觀形貌圖。

圖5 不同DTC摻量瀝青混合料的微觀形貌Fig.5 Micromorphology of asphalt mixtures with different DTC dosage

從圖5可以看出，隨著摻量的增加，試件表面的孔隙越來越多，孔洞也越來越大，并且各集料間也出現了明顯的縫隙，而宏觀表現為高溫性能、水穩(wěn)性能、低溫性能下降。

3.2 核磁共振結果與分析

制成20 mm×20 mm×20 mm的正方體試件，采用上海紐邁公司推出的Meso-MR-60S核磁共振儀進行試驗，試件進行試驗之前真空飽水30 min，之后將試件放入蒸餾水中浸泡24 h后取出擦干，試驗結果如圖6所示。

由圖6可知，試件的孔徑分布及其峰值主要集中在0.01～0.1 μm，雖然在1、20 μm附近出現峰值，但最大占比僅有0.005%，隨著DTC摻量的增多，其孔徑分布占比的峰值也越來越大，只有5‰摻量的峰值略小，與0摻量相比，1‰～5‰摻量的峰值分別增加了0.004 0%、0.013 1%、0.020 9%、0.021 7%、0.018 8%。為了能表征孔隙的整體變化，采用孔隙度指標，即試件中所有孔隙空間體積之和與該巖樣體積的比值，其孔隙度變化如圖7所示。

由圖7可知，隨著摻量的增大，孔隙度也在增大，但2‰摻量到3‰摻量的增幅要遠遠大于其他摻量的增幅，其增幅為0.210 8%，之后孔隙度的增幅較小，而宏觀表現為馬歇爾穩(wěn)定度降低，凍融劈裂強度下降，小梁抗彎拉強度減小。為了量化表征宏觀與微觀之間的聯(lián)系，引入相關性分析，計算公式見式(5)，結果如表5所示。

(5)

式(5)中：γ為相關性系數；xi、yi為相關變量；n為單個變量的個數。

選取孔隙度來量化表征瀝青混合料微觀結構特性，選取馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂抗拉強度比、小梁抗彎拉強度(-10 ℃)來表征宏觀尺度性能，建立瀝青混合料微觀特性與宏觀尺度性能之間的聯(lián)系。

由表5可知，表征微觀結構特性的孔隙度與表征宏觀性能的3個指標的相關系數γ絕對值0.77以上，有的甚至達到了0.95，其絕對值從大到小依次是馬歇爾穩(wěn)定度、小梁抗彎拉強度、劈裂抗拉強度比，這與灰色關聯(lián)度分析的結果一致，說明相變材料DTC的摻入使瀝青混合料的孔隙度增大從而體現為宏觀性能的降低，且孔隙度的變化趨勢與瀝青混合料的宏觀性能的3個指標變化趨勢呈負相關，說明相變?yōu)r青混合料微觀性能與宏觀性能緊密關聯(lián)。

4 結論

(1)基于試驗獲知馬歇爾穩(wěn)定度值、小梁抗彎拉強度值與相變材料DTC摻量符合線性關系，通過t檢驗和F檢驗可知短期老化對劈裂抗拉強度比的均值和方差無顯著影響，長期老化對劈裂抗拉強度比的均值影響顯著，對方差無顯著影響。

圖6 不同DTC摻量對應孔徑分布Fig.6 Pore size distributionbased on different DTC dosage

圖7 孔隙度曲線Fig.7 Porosity curve

表5 相關系數計算Table 5 Calculation of correlation coefficient

(2)通過灰色關聯(lián)度分析獲知老化對關聯(lián)度的影響甚微，DTC摻量對馬歇爾穩(wěn)定度的影響最大，其次是小梁抗彎拉強度，最后是劈裂抗拉強度比。

(3)以電子顯微鏡和核磁共振的研究發(fā)現，隨著DTC摻量的增多試件內的孔隙越來越多，同時孔隙度和孔洞也越來越大，但孔徑分布及其峰值主要集中在0.01～1 μm，與0摻量相比，1‰～5‰摻量的孔徑分布的峰值分別增加了0.04‰、0.131‰、0.209‰、0.217‰、0.188‰，說明DTC摻量越大是馬歇爾穩(wěn)定度值、劈裂抗拉強度值和小梁抗彎拉強度值下降越多的主要原因。

(4)表征微觀結構特性的孔隙度與表征宏觀性能的馬歇爾穩(wěn)定度、小梁抗彎拉強度、劈裂抗拉強度比的相關系數絕對值0.77以上，表明瀝青混合料微觀性能與宏觀性能緊密關聯(lián)。