氧化鐵顏料對瀝青混合料緩解熱島效應(yīng)的影響研究

中圖分類號：U414.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.021

文章編號：1673-4874（2025）01-0071-03

0 引言

城市化發(fā)展使地表植被、地覆蓋等發(fā)生變化，導(dǎo)致城市地表的反射率和蒸發(fā)率下降，同時熱量的產(chǎn)生和釋放增加，形成城市熱島效應(yīng)。而在道路工程中，瀝青混合料是吸收熱量最多的黑色材料，吸收了大量的太陽輻射，使路表溫度大于環(huán)境溫度，加劇了熱島效應(yīng)。為了緩解這一效應(yīng)，采用低反射率的建筑材料是一個有效的途徑。

JHu等1采用熱致變色材料和納米氧化鈦復(fù)合材料，代替不同比例的礦粉來制備瀝青混合料，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料增加了混合料內(nèi)部氣孔含量，使熱導(dǎo)率降低20. 9% ，最大內(nèi)部溫度降低 ，但也使剪切強(qiáng)度降低了11. 4% ，動態(tài)模量降低了24. 5% 。盡管該方式能有效降低路面溫度，但削弱了路用性能。

Arthur，H等2提出將深色瀝青表面的顏色改為能反射可見光和不可見光（通常是紅外線）的淺色，使用淺色顏料來增加瀝青混合料的反照率值，降低溫度。FanJ等3研究了六種顏色的反射熱涂層的溫度變化、阻力、水穩(wěn)定性、耐磨性和抗滑性。在不同顏色的涂層中，紅色涂層表現(xiàn)出最好的降溫效果，最大降溫溫度為13.2℃。孔令云等4使用氧化鐵等顏料制備瀝青膠結(jié)料，研究發(fā)現(xiàn)氧化鐵等顏料可改善膠結(jié)料的軟化點(diǎn)、延度、黏度等指標(biāo)，合理選擇顏料及粒徑可提高彩色瀝青混合料的路用性能。

國內(nèi)外研究表明，在制備瀝青混合料中加入淺色顏料能有效降低路表面溫度，且能略微提升路用性能。氧化鐵顏料作為一種常用的淺色顏料，能改善瀝青各方面性能，是一種有效的材料。本研究使用紅色、黃色兩種氧化鐵顏料代替部分礦粉制備瀝青混合料，研究其對路用性能影響及緩解熱島效應(yīng)效果，旨在提高瀝青路面的反射率，減少因吸收太陽輻射而產(chǎn)生的熱量，且能提升路用性能。

1試驗(yàn)材料及方法

1.1材料

1.1.1瀝青與集料本研究使用的瀝青為ESSO70，瀝青性能指標(biāo)如表1所示。2.36mm以上的集料選用玄武巖軋制碎石， 2.36mm選用石灰?guī)r機(jī)制砂，級配選用AC一13級配中值，油石比為 5% 。用氧化鐵顏料代替 50% 質(zhì)量參數(shù)的礦粉，制備三種瀝青混合料，以不使用氧化鐵顏料的瀝青混合料記作對照組，使用紅色氧化鐵顏料代替礦粉的混合料記作紅色氧化鐵，使用黃色氧化鐵顏料代替礦粉的混合料記作黃色氧化鐵。

1.1.2氧化鐵

本研究中使用的氧化鐵顏料由淄博匯鐵顏料有限公司生產(chǎn)。

為了更好地了解氧化鐵顏料的結(jié)構(gòu)和理化特性，對其進(jìn)行了X射線衍射（XRD）測試。選用BrukerD2相位儀，衍射角度范圍為 ，分析時間為6min，步長為 。氧化鐵顏料的XRD試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，樣品具有較小的非晶態(tài)晶體結(jié)構(gòu)，這可能導(dǎo)致這些氧化物與其他材料的反應(yīng)活性較低或沒有反應(yīng)活性。盡管黃色和紅色顏料的化學(xué)成分相似，但其來源不同。黃色的氧化鐵是礦物針鐵礦的衍生物，針鐵礦是一種黏土礦物，使土壤呈黃色；紅色氧化鐵來自礦物赤鐵礦，呈現(xiàn)紅色。

1.2瀝青混合料路用性能試驗(yàn)方法

1.2.1浸水馬歇爾試驗(yàn)

將三種瀝青混合料成型馬歇爾試件并浸泡在25℃水浴箱中，對浸泡30min的馬歇爾試件測試穩(wěn)定度記為M S ，對浸泡48h的馬歇爾試件測試穩(wěn)定度記為 。殘留馬歇爾穩(wěn)定度 M S 由式（1）計(jì)算：

1.2.2車轍試驗(yàn)

車轍試驗(yàn)依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE20—2011）中的T0719－2001，成型 的車轍板，使用自動車轍試驗(yàn)儀（H Y C Z-5） 測試60℃時， 0.7MPa 軸壓下的瀝青混合料動穩(wěn)定度。計(jì)算方法見式（2），動穩(wěn)定度表征1mm變形承受的荷載次數(shù)：

式中： D S 動穩(wěn)定度/（次/ m m） ： 對應(yīng) 時的變形量/ m m 對應(yīng) 時的變形量/ m m

1.2.3低溫彎曲試驗(yàn)

對三種車轍板成型的瀝青混合料切割為 mm的小梁，并在 的冷凍箱中保溫1h后，以50mm/min的加載速率加載?？箯澙瓘?qiáng)度 、破壞彎拉應(yīng)變 、破壞彎拉勁度模量 分別由式（3）、式（4）、式（5）計(jì)算。

式中： ———跨中斷面試件的寬度、高度和試件跨徑/mm；

1.3瀝青混合料板表面溫度及反射率的評價

將成型的 瀝青混合料，用切割機(jī)分割成6 c m×6c m×4 cm的塊狀物。將分割好的試件在六月的上午10：30—11：30放置在室外進(jìn)行測試。表面溫度采用DT一863激光紅外線測溫儀，在距離試件5cm的位置測量試件表面溫度。反射率計(jì)算方法見式（6）。輻射采用TES一1333測量，傳感器靠近試件表面測得的數(shù)據(jù)為反射太陽輻射，傳感器倒置測得的數(shù)據(jù)為吸收太陽輻射。

式中： A —反照率/ % .

R r 一 一反射太陽輻射；

R a 1 -吸收太陽輻射。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1浸水馬歇爾試驗(yàn)

為探究氧化鐵顏料對混合料水穩(wěn)定性的影響，對三種瀝青混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，加入氧化鐵顏料的瀝青混合料的穩(wěn)定度及殘留穩(wěn)定度大于對照組，紅色氧化鐵顏料的瀝青混合料穩(wěn)定度大于黃色氧化鐵顏料，但浸水殘留穩(wěn)定度小于黃色氧化鐵顏料。試驗(yàn)表明，添加氧化鐵顏料的瀝青混合料有更大的穩(wěn)定度和水穩(wěn)定性；這是因?yàn)檠趸F顏料增強(qiáng)了瀝青及瀝青混合料的強(qiáng)度。而紅色氧化鐵顏料對瀝青混合料穩(wěn)定度的提升大于黃色氧化鐵顏料，這是因?yàn)榧t色氧化鐵顏料與瀝青混合更均勻，提升了瀝青與集料的黏附性。但黃色氧化鐵顏料的瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度更大，這是因?yàn)辄S色氧化鐵本身為水合物，所以水穩(wěn)定性更強(qiáng)。

2.2車轍試驗(yàn)

為探究氧化鐵顏料對混合料高溫性能的影響，對三種瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)，動穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，加入氧化鐵顏料的瀝青混合料的動穩(wěn)定度大于對照組，且紅色氧化鐵顏料的瀝青混合料的動穩(wěn)定度大于黃色氧化鐵，且都超過《城市道路彩色瀝青混凝土路面技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T218—2014）要求的1000次/mm。試驗(yàn)表明，添加氧化鐵顏料的瀝青混合料有更大的動穩(wěn)定次數(shù)，這是因?yàn)檠趸F顏料增強(qiáng)了瀝青及瀝青混合料的強(qiáng)度。而紅色氧化鐵顏料對瀝青混合料穩(wěn)定度的提升大于黃色氧化鐵顏料，這是因?yàn)榧t色氧化鐵顏料在拌和時與集料混合得更均勻充分。

2.3低溫彎曲試驗(yàn)

為探究氧化鐵顏料對混合料低溫性能的影響，對三種瀝青混合料進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，添加氧化鐵顏料后瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變及彎曲勁度模量指標(biāo)都小于對照組。試驗(yàn)表明，氧化鐵顏料會削弱瀝青混合料的低溫抗裂性能。這是因?yàn)檠趸F顏料使瀝青混合料剛度更大，從而削弱了瀝青混合料的延展性。紅色氧化鐵瀝青混合料低溫性能優(yōu)于黃色氧化鐵瀝青混合料，同樣是因?yàn)榧t色氧化鐵顏料在拌和時與集料混合得更均勻充分。

2.4瀝青混合料板表面溫度及反射率的評價

瀝青混合料的反射率變化如圖5所示。由圖5可知，添加黃色和紅色氧化鐵顏料的瀝青混合料有更大的反射率，相較于對照組，黃色氧化鐵瀝青混合料的反射率增加了 6.1% ，紅色氧化鐵瀝青混合料的反射率增加了18. 8% 。試驗(yàn)表明，添加氧化鐵顏料的瀝青混合料能反射更多的太陽輻射，這有利于降低路表溫度。

盡管黃色的色相小于紅色，且黃色顏料的顏色更淺，理應(yīng)反射更多的太陽輻射，但試驗(yàn)結(jié)果顯示黃色氧化鐵顏料的瀝青混合料有更小的反射率，這是因?yàn)辄S色顏料的氧化鐵與瀝青更難混溶，在制備瀝青混合料時改性效果更差。

瀝青混合料的表面溫度變化如圖6所示。由圖6可以看出，對照組瀝青混合料的表面溫度最高，峰值達(dá)57.7℃。此外，含紅色氧化鐵顏料的瀝青混合料表面溫度比黃色氧化鐵瀝青混合料低，這與反射率試驗(yàn)結(jié)論一致。

測量26d的平均溫度為：紅色氧化鐵顏料的瀝青混合料為42.0℃，黃色氧化鐵瀝青混合料為43.9℃，對照組瀝青混合料為44.7℃。與對照組瀝青混合料相比，紅色氧化鐵瀝青混合料降溫 ，而黃色氧化鐵瀝青混合料降溫 。這說明添加氧化鐵顏料的瀝青混合料能反射更多的太陽輻射，有利于降低路表溫度。紅色氧化鐵顏料與瀝青混合料共混更充分，降溫效果更明顯。

3結(jié)語

（1）加入氧化鐵顏料的瀝青混合料使高溫性能及水穩(wěn)定性能得到提升，表現(xiàn)出更大的浸水殘留穩(wěn)定度和動穩(wěn)定次數(shù)，但削弱了瀝青混合料的低溫抗裂性能。

（2）紅色氧化鐵顏料相較于黃色氧化鐵顏料在拌和時與瀝青、集料的混合更均勻，對瀝青混合料性能提升更大。但黃色氧化鐵顏料抗水損性能提升更大。

（3）與對照組相比，添加紅色氧化鐵顏料的瀝青混合料的溫度降低了 2.7% ，而黃色氧化鐵顏料的瀝青混合料溫度降低 。

（4）與對照組瀝青混合料相比，添加紅色氧化鐵顏料的瀝青混合料表面反照率提高了18. 8% ，而添加黃色氧化鐵顏料的瀝青混合料表面反照率提高了 6.1%。

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