熱阻式瀝青混凝土路用性能及降溫效果研究

劉飛 張旭龍

摘? 要：熱阻式瀝青路面可以降低路面溫度，但會對路面路用性能產(chǎn)生負面影響。因此，該研究在采用煅燒鋁礬石制備熱阻式瀝青混凝土的基礎上，采用有機硅樹脂對煅燒鋁礬石進行改性處理以保證瀝青混凝土的路用性能。通過車轍試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗分析熱阻式瀝青混凝土的路用性能；通過測試瀝青混凝土試件的導熱系數(shù)以及上下表面溫度確定熱阻式瀝青混凝土的降溫效果。試驗結果表明，煅燒鋁礬石的加入可提高瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性；有機硅樹脂對煅燒鋁礬石瀝青混凝土水穩(wěn)定性的改善效果明顯；煅燒鋁礬石可擴大瀝青混凝土試件上下表面的溫度差，并顯著減小試件的導熱系數(shù)。綜合熱阻式瀝青混凝土路用性能和降溫效果的變化，對煅燒鋁礬石進行有機改性處理，并將其替代天然粗集料的比例維持在75%左右，是比較適合煅燒鋁礬石在熱阻式瀝青混凝土中應用的方式。

關鍵詞：煅燒鋁礬石；有機硅樹脂；路用性能；降溫效果；瀝青混凝土

中圖分類號：U414? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）10-0071-04

Abstract： Thermal resistance asphalt pavement can reduce the pavement temperature， but it will have a negative impact on the pavement performance. Therefore， on the basis of using calcined bauxite to prepare thermal resistance asphalt concrete， silicone resin is used to modify calcined bauxite to ensure the road performance of asphalt concrete. The road performance of thermal resistance asphalt concrete is analyzed by rutting test， immersion Marshall test and freeze-thaw splitting test， and the cooling effect of thermal resistance asphalt concrete is determined by testing the thermal conductivity and upper and lower surface temperature of asphalt concrete specimens. The test results show that the addition of calcined bauxite improves the high temperature stability of asphalt concrete， and the silicone resin improves the water stability of calcined bauxite asphalt concrete obviously. Calcined bauxite enlarges the temperature difference between the upper and lower surfaces of asphalt concrete and significantly reduces the thermal conductivity of the specimen. Based on the changes of road performance and cooling effect of thermal resistant asphalt concrete， calcined bauxite is organically modified and the proportion of calcined bauxite instead of natural coarse aggregate is maintained at about 75%， which is more suitable for the use of calcined bauxite in thermal resistant asphalt concrete.

Keywords： calcined bauxite; silicone resin; road performance; cooling effect; asphalt concrete

瀝青路面具有行車舒適、噪音小、施工便捷等優(yōu)勢，因而在我國道路建設中被廣泛采用，我國90%以上的主干路段均采用瀝青路面。瀝青路面是由集料、瀝青、礦粉和添加劑等拌合后攤鋪而成。其中，瀝青是一種黑色材料，使得路面也呈黑色，這導致瀝青路面有著高吸熱的特點[1]。在夏季的白天，路面大量吸熱，路面溫度可達60 ℃以上，過高的溫度將誘發(fā)路面產(chǎn)生車轍等病害。到了夜間，路面吸收的熱量又將以熱輻射的形式釋放，這是形成城市熱島效應的主要原因之一[2]。可見，路面溫度過高不僅對路面性能有著負面影響，同時可加劇城市熱島效應。因此，降低路面溫度、提高路面路用性能等需求引起了研究人員的廣泛關注[3]。

降低路面溫度的方式主要有2種，一種是通過改變環(huán)境條件來降低路面溫度，例如向路面灑水，通過水分的蒸發(fā)帶走熱量；通過道路兩側樹木遮擋陽光，減少路面對熱量的吸收等。但是灑水降溫方式將浪費大量的水資源，并且影響交通安全，而樹木同樣難以遮擋寬大道路的中間區(qū)域[4]。另一種方式則是使路面本身具有阻熱的能力，例如采用熱阻材料制備熱阻式瀝青路面[5]。熱阻材料具有導熱性能差、熱吸收小的特點，采用其制備的路面也具有同樣的特點，從而實現(xiàn)了控制路面溫度的效果。王振軍等[6]采用多孔玄武巖和粉煤灰漂珠制備瀝青基復合材料，相較于普通集料復合材料，前者中部和底部溫度分別低了13 ℃和16 ℃。王軍等[7]則采用膨脹珍珠巖填料降低瀝青路面的溫度敏感性，路用性能和導熱性能測試結果表明，膨脹珍珠巖可以改善基質(zhì)瀝青的基礎性能，提高瀝青混凝土的高低溫性能，同時明顯減小瀝青混凝土的導熱系數(shù)。雷雨滋等[8]則采用耐火集料替代普通集料制備熱阻式瀝青混凝土，研究表明熱阻式瀝青混凝土能夠有效降低路面的整體溫度，相較于普通瀝青混凝土路面，路面溫度下降8 ℃，路面內(nèi)部溫度下降7.2 ℃。但瀝青混凝土的路用性能測試結果表明，雖然瀝青混凝土的高溫性能有所提高，但是低溫性能和水穩(wěn)定性能則均有所下降。因此，如何在保證瀝青路面路用性能的基礎上提高其降溫效果是關鍵。

綜上，為兼顧瀝青混凝土的降溫效果和路用性能，本研究采用低吸熱率、低導熱系數(shù)的煅燒鋁礬石替代普通集料制備熱阻式瀝青混凝土，同時采用有機硅樹脂對煅燒鋁礬石進行改性處理以期提高熱阻式瀝青混凝土的路用性能。重點分析了有機改性技術和煅燒鋁礬石摻量對熱阻式瀝青混凝土高溫性能、水穩(wěn)定性以及降溫效果的影響。

1? 原材料性能

粗集料選用天然石灰?guī)r碎石和煅燒鋁礬石，細集料選用石灰?guī)r石屑，填料選用石灰?guī)r礦粉，瀝青選用SBS改性瀝青。由表1—表4可知，各類原材料的性能參數(shù)均符合我國現(xiàn)行規(guī)范的要求。

表1? 粗集料基本性能

2? 試驗方法

通過噴灑有機硅樹脂溶液對煅燒鋁礬石表面進行改性，然后采用改性前后的煅燒鋁礬石按照不同摻入量分別設計瀝青混凝土，共涉及25%、50%、75%和100%這4種摻量（替換普通石灰?guī)r粗集料的比例），天然石灰?guī)r集料瀝青混凝土作為對照組。按照規(guī)范中的標準方法開展瀝青混凝土的車轍試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，分別用于評價瀝青混凝土的高溫性能和水穩(wěn)定性。

通過測試瀝青混凝土試件表層和底部的溫度以及試件的導熱系數(shù)分析瀝青混凝土的阻熱效果。試件上下表面溫度的確定主要依賴于搭建的室內(nèi)模擬日照試驗平臺，如圖1所示，采用碘鎢燈對試件表面進行照射，待試件整體溫度穩(wěn)定后，分別測定試件表面和底部的溫度，計算溫差。

3? 結果與討論

3.1? 高溫性能

車轍試驗結果如圖2所示，可以看出，無論是否對煅燒鋁礬石進行有機改性處理，隨著煅燒鋁礬石摻量的增加，瀝青混凝土的動穩(wěn)定度均呈現(xiàn)出先逐漸增大后減小的趨勢。首先分析未改性煅燒鋁礬石對瀝青混凝土動穩(wěn)定度的影響，石灰?guī)r集料瀝青混凝土的動穩(wěn)定度為5 400次/mm，當按照25%、50%、75%和100%的比例摻入未改性煅燒鋁礬石時，瀝青混凝土的動穩(wěn)定度分別提高了23.1%、36.1%、47.3%和39.1%。這說明煅燒鋁礬石的摻入能夠有效提高瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性，這主要是因為煅燒鋁礬石的導熱系數(shù)較低，減緩了熱量在瀝青混凝土內(nèi)部的傳輸速率，進而提高了瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性。當未改性煅燒鋁礬石的摻量為75%時，動穩(wěn)定度達到最大，為7 955次/mm。未改性煅燒鋁礬石的摻量超過75%后，瀝青混凝土的動穩(wěn)定度有所下降，這可能是因為未改性煅燒鋁礬石與瀝青的黏附性能相對較差，大摻量的未改性煅燒鋁礬石反而加劇了車轍變形。當煅燒鋁礬石經(jīng)過有機改性處理后，瀝青混凝土動穩(wěn)定度的變化規(guī)律與未改性煅燒鋁礬石瀝青混凝土類似，但動穩(wěn)定度總體上均有所提高。這說明有機硅樹脂改性技術能夠提高瀝青混凝土的動穩(wěn)定度。當改性煅燒鋁礬石摻量為75%時，瀝青混凝土的動穩(wěn)定度同樣達到最大，為8 150次/mm，相較于未改性煅燒鋁礬石瀝青混凝土，動穩(wěn)定度提高了2.5%。這主要是因為有機硅樹脂通過改性煅燒鋁礬石表面性狀提高了煅燒鋁礬石與瀝青之間的黏附性能，進而改善了瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性。但當有機改性煅燒鋁礬石的摻量超過75%后，瀝青混凝土的動穩(wěn)定度同樣呈現(xiàn)下降趨勢，這說明除了煅燒鋁礬石與瀝青之間的黏附性能，還有其他因素影響煅燒鋁礬石瀝青混凝土的動穩(wěn)定度，例如煅燒鋁礬石的高壓碎值可能是潛在的原因之一。因此，就瀝青混凝土的高溫性能而言，采用有機改性煅燒鋁礬石或者未改性煅燒鋁礬石制備瀝青混凝土均是合適的，建議將其在粗集料中的摻量維持在75%。

圖2? 車轍試驗結果

3.2? 水穩(wěn)定性

浸水馬歇爾試驗結果和凍融劈裂試驗結果分別如圖3（a）和圖3（b）所示，可見，無論是否對煅燒鋁礬石進行有機改性處理，隨著煅燒鋁礬石摻量的增加，瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度和劈裂強度比均逐漸下降。但兩者的變化程度存在明顯區(qū)別，當煅燒鋁礬石摻量逐步提升至100%，未改性煅燒鋁礬石瀝青混凝土和改性煅燒鋁礬石瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度分別為86.1%和87.9%；劈裂強度比分別為81.2%和83.8%?？梢姡锤男造褵X礬石瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度和劈裂強度比變化更明顯，殘留穩(wěn)定度和劈裂強度比勉強滿足規(guī)范對改性瀝青混凝土的要求（殘留穩(wěn)定度不小于85%，劈裂強度比不小于80%）。這可能主要與未改性煅燒鋁礬石與瀝青的黏附性能不佳有關。另外，在水損害條件下，尤其當瀝青混凝土面臨凍融破壞時，進入煅燒鋁礬石孔隙結構的水分產(chǎn)生凍脹力，破壞煅燒鋁礬石的完整性，加速惡化煅燒鋁礬石與瀝青之間的有效黏結。從圖3也可以看出，劈裂強度比的變化比殘留穩(wěn)定度的變化更顯著，說明瀝青混凝土對凍融破壞更加敏感。同時，相較于未改性煅燒鋁礬石瀝青混凝土，隨著煅燒鋁礬石摻量的提高，改性煅燒鋁礬石瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度和劈裂強度比變化較為緩和，說明有機硅樹脂提高了瀝青混凝土的水穩(wěn)定性，這也得益于有機硅樹脂改善了煅燒鋁礬石與瀝青之間的黏附性能。但瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度和劈裂強度比也隨著改性煅燒鋁礬石摻量的增加而逐漸減小，這也表明隨著煅燒鋁礬石摻量的提高，煅燒鋁礬石其他性質(zhì)對瀝青混凝土性能產(chǎn)生的不利影響逐漸突顯出來。就瀝青混凝土的水穩(wěn)定性而言，有機改性技術適用性較好，雖然這一方式不能改變?yōu)r青混凝土殘留穩(wěn)定度和劈裂強度比隨煅燒鋁礬石摻量增加而下降的趨勢，但其明顯減緩了殘留穩(wěn)定度和劈裂強度比的下降速率。且即使改性煅燒鋁礬石的摻量為100%時，瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度和劈裂強度比均能比較輕松地滿足規(guī)范的要求。

（b）? 凍融劈裂試驗結果

圖3? 水穩(wěn)定性試驗結果

3.3? 降溫效果

瀝青路面降溫效果測試結果如圖4所示。無論煅燒鋁礬石是否經(jīng)過改性處理，隨著煅燒鋁礬石摻量的增加，瀝青混凝土的降溫能力均逐漸增強。當未摻入煅燒鋁礬石時，瀝青混凝土試件上下表面溫差為3 ℃，摻入未改性煅燒鋁礬石后，瀝青混凝土的上下表面溫差逐漸擴大，當粗集料全部采用未改性煅燒鋁礬石時，溫差達到11.5 ℃，溫差相比于普通瀝青混凝土擴大了283%?？梢婌褵X礬石能夠明顯減小瀝青混凝土試件內(nèi)部溫度的傳遞效率。從圖4（a）還可以看出，未改性煅燒鋁礬石摻量在75%以下時，溫差隨摻量增加而逐漸增大，而當煅燒鋁礬石摻量進一步提高至75%以上時，溫差的變化并不明顯。溫差變化特征從試件的導熱系數(shù)結果也能得到解釋，根據(jù)圖4（b），普通瀝青混凝土的導熱系數(shù)為1.096 W/（m·℃），當未改性煅燒鋁礬石的摻量達到100%時，瀝青混凝土的導熱系數(shù)為0.486 W/（m·℃）。這解釋了瀝青混凝土試件上下表面溫差隨煅燒鋁礬石摻量增加而逐漸擴大的現(xiàn)象。同時未改性煅燒鋁礬石摻量在75%及以下時，隨著摻量的增加，瀝青混凝土的導熱系數(shù)不斷下降，但煅燒鋁礬石摻量在75%和100%時的導熱系數(shù)差異不大，說明單純提高煅燒鋁礬石摻量并不能持續(xù)提升瀝青混凝土的降溫效果，從降溫效果方面考慮，將煅燒鋁礬石摻量維持在75%比較合適。對煅燒鋁礬石進行有機改性處理后，瀝青混凝土試件上下表面的溫差和試件的導熱系數(shù)相較于同等摻量的未改性煅燒鋁礬石基本相同。具體來看，有機改性技術一定程度上降低了試件上下表面的溫差，但這一改變保持在1 ℃左右，說明影響很?。黄鋵嵯禂?shù)與未改性煅燒鋁礬石瀝青混凝土試件基本一致，也再次說明了有機改性技術對熱阻式瀝青路面降溫效果的影響很小。綜上，為保證熱阻式瀝青混凝土同時具有較好的路用性能和降溫效果，采用有機硅樹脂對煅燒鋁礬石進行改性，并將其替代粗集料的比例維持在75%左右是比較合適的方式。

（a）? 上下表面溫差

（b）? 導熱系數(shù)

圖4? 降溫效果測試結果

4? 結論

為了使熱阻式瀝青混凝土同時具備良好的路用性能和降溫效果，本研究在采用煅燒鋁礬石制備熱阻式瀝青混凝土的基礎上，采用有機硅樹脂對煅燒鋁礬石進行改性處理，通過試驗研究有機改性技術和煅燒鋁礬石摻量對瀝青混凝土路用性能和降溫效果的影響，獲得以下結論。

1）采用煅燒鋁礬石替代石灰?guī)r碎石粗集料總體上提高了熱阻式瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性；有機硅樹脂對煅燒鋁礬石瀝青混凝土的水穩(wěn)定性有比較明顯的改善效果；煅燒鋁礬石擴大了熱阻式瀝青混凝土試件上下表面的溫度差，并顯著減小了試件的導熱系數(shù)。

2）綜合考慮熱阻式瀝青混凝土路用性能和降溫效果測試結果，建議對煅燒鋁礬石進行有機改性處理后應用于熱阻式瀝青混凝土中，并將其替代天然粗集料的比例維持在75%左右。

參考文獻：

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