摻加瀝青基碳纖維的瀝青混合料路面的融雪研究

王慧穎， 程培峰

(1.東北林業(yè)大學(xué),黑龍江 哈爾濱 150000 ；2.黑龍江工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

在高速公路、機(jī)場(chǎng)以及車(chē)站等有融雪化冰需求的場(chǎng)合，如何采用有效、快速且沒(méi)有副作用的融雪化冰手段成為公路建設(shè)者和維護(hù)者共同關(guān)注的話題，這主要?dú)w結(jié)于天氣寒冷地區(qū)的冰雪會(huì)對(duì)交通和出行帶來(lái)不利的影響。目前常見(jiàn)的融雪化冰方法主要包括[1-4]：① 人工除雪，即依靠人工鏟雪等，其缺點(diǎn)在于勞動(dòng)強(qiáng)度達(dá)、效率低；② 機(jī)械除雪：利用專業(yè)機(jī)械設(shè)備對(duì)路面冰雪等進(jìn)行清除，雖然該方法相較于人工除雪有更高的效率，但是一定程度上會(huì)阻礙交通，且無(wú)法對(duì)冰雪做到徹底消除；③ 化學(xué)融雪法，這種方法是使用氯鹽型或者非氯鹽型化學(xué)藥劑等來(lái)實(shí)現(xiàn)路面冰雪的熔化，這種方法的融雪效果較好，但是會(huì)給地下管道等帶來(lái)腐蝕性侵害等；④ 熱融雪法，這種方法采用電熱絲、熱液等來(lái)實(shí)現(xiàn)冰雪融化，其效果較差且成本較高，無(wú)法滿足大面積使用需求；⑤ 導(dǎo)電混凝土，這種方法是在混凝土中添加一定含量的導(dǎo)電組分而制成新型復(fù)合材料路面，并使其具有較好的導(dǎo)電性和電熱特性，從而可以對(duì)路面冰雪進(jìn)行高效率融化，且不會(huì)帶來(lái)明顯副作用，具有較好的應(yīng)用前景。尤其是在我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)覆蓋面積較廣的前期下，如何從建設(shè)環(huán)保型路面的角度出發(fā)，采用有效的融雪化冰手段來(lái)實(shí)現(xiàn)路面交通順暢，成為大家共同關(guān)注的課題[5]。本文從“主動(dòng)型”角度出發(fā)，研究在路面混合料中加入碳纖維和微膠囊相變材料的方法，通過(guò)通電生熱和相變儲(chǔ)放熱等實(shí)現(xiàn)路面的融雪化冰。

1 材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料包括武漢市耀邦摩擦材料廠生產(chǎn)的8 mm短切碳纖維(拉伸強(qiáng)度>4 500 MPa、模量250 GPa、密度1.77 g /cm3、電阻率0.001 5 Ω.cm、含碳量>96%)，由聚乙二醇400(PEG-400)、乙基纖維素、癸二酸二異辛酯、白炭黑和無(wú)水乙醇制成的微膠囊相變材料，AC-16C型瀝青混合料為原料。摻加瀝青基碳纖維的瀝青混合料采用AC-13級(jí)配，集料為玄武巖、填料選擇礦粉(表觀密度2.8 g /cm3)，篩孔尺寸分別為16、2.36、0.3、0.075 mm時(shí)礦料通過(guò)率對(duì)應(yīng)為100%、33.7%、12.5%和6.9%。

馬歇爾試件中碳纖維的摻加量為0%和0.1%、微膠囊相變材料的摻加量分別為0%、0.1%、0.3%和0.5%，不同摻量組合下的馬歇爾試件的油石比介于4.5%～6.5%，共配制了5種瀝青混合料。在制備馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件過(guò)程中[6]，瀝青混合料的拌和溫度設(shè)定為160 ℃，制備過(guò)程包括：預(yù)先將短切短纖維和石料加入拌合鍋內(nèi)進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，時(shí)間約為3 min，再加入微膠囊相變材料攪拌約5 min，最后加入礦粉攪拌均勻。并在此基礎(chǔ)上根據(jù)馬歇爾試件配合比的規(guī)范要求，可以計(jì)算得到不同配合比試件的最佳油石比[7]。表1為馬歇爾試件的摻量組合和油石比參數(shù)。

表1 馬歇爾試件的摻量組合和油石比Table 1 Marshall test piece's dosage combination and oil stone ratio摻量油石比/%最佳油石比/%0.1%碳纖維+0%微膠囊相變材料4.55.05.56.06.55.610.1%碳纖維+0.3%微膠囊相變材料4.55.05.56.06.55.320.1%碳纖維+0.5%微膠囊相變材料4.55.05.56.06.55.34

瀝青混合料路面的融雪去冰效果與混凝土通電狀態(tài)下的電阻率有重要的相關(guān)性，因?yàn)樵陔妷阂欢ㄇ疤嵯拢炷恋纳a(chǎn)熱能的功率與電阻率成反比，因此，采用NJ-4 000型混凝土電阻率儀和兩個(gè)圓形銅電極對(duì)不同馬歇爾試件進(jìn)行了電阻率測(cè)試[8]；將馬歇爾試件置于卡博萊特NX-2型烘箱中進(jìn)行預(yù)熱處理(58 ℃/3 h)，取出后迅速置于-6 ℃恒溫冰柜中降溫，采用ST-675型紅外線測(cè)溫儀每間隔15 min測(cè)量試件表面溫度，并記錄360 min內(nèi)馬歇爾試件的溫度變化。

2 分析與討論

圖1為不同微膠囊摻量的混凝土的油石比與電阻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中，微膠囊摻量分別為0%、0.3%和0.5%。對(duì)比分析可知，隨著油石比從4.5%增加至6.5%，不同微膠囊摻量的摻加瀝青基碳纖維的瀝青混凝土的電阻率都呈現(xiàn)先減小后增大的特征，在油石比為6%時(shí)取得電阻率最小值；在相同油石比條件下，隨著微膠囊摻量從0%增加至0.5%，混凝土的電阻率逐漸升高，即微膠囊摻量越高則電阻率越大，這主要是因?yàn)槲⒛z囊中含有乙基纖維素和葵二酸二異辛酯，這兩種物質(zhì)都具有較好的電氣絕緣性能，從而使得摻加微膠囊摻量的混凝土具有較好的介電性；在馬歇爾試件中油石比一定前提下，微膠囊摻量的增加會(huì)增大瀝青混合料的電阻率，在通電情況下，路面摻加瀝青基碳纖維的瀝青混合料的熱生成效率會(huì)提高，從而對(duì)路面融雪化冰效果會(huì)得到提升。

圖1 不同微膠囊摻量的混凝土的油石比與電阻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系Figure 1 The corresponding relationship between the ratio of oil to stone and the resistivity of concrete with different content of microcapsules

圖2為微膠囊相變材料摻量為0%時(shí)的馬歇爾試件溫度與時(shí)間的變化曲線，其中，油石比分別為4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%和5.61%，碳纖維摻量為0.1%。對(duì)比分析可知，在不同油石比下，摻加瀝青基碳纖維的瀝青混凝土的馬歇爾試件的溫度都會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低，但是在相同時(shí)間下，不同油石比的馬歇爾試件的溫度差異性不大。由此可見(jiàn)，在研究摻加瀝青基碳纖維的瀝青混合料的電阻率的影響時(shí)，可以忽略油石比對(duì)生成熱的影響，直接采用最佳油石比即可。

圖2 微膠囊相變材料摻量為0%時(shí)的馬歇爾試件溫度與時(shí)間的變化曲線Figure 2 Temperature time curve of marshall specimen with 0% microcapsule phase change material

圖3為微膠囊相變材料摻量為0.3%時(shí)的馬歇爾試件溫度與時(shí)間的變化曲線，其中，油石比分別為4.5%、5.0%、5.5%、6.0%和6.5%，最佳油石比為5.32%，碳纖維摻量為0.1%。對(duì)比分析可知，在不同油石比下，摻加瀝青基碳纖維的瀝青混凝土的馬歇爾試件的溫度也都會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低，且在相同時(shí)間下，不同油石比的馬歇爾試件的溫度差異性較小，這與微膠囊相變材料摻量為0.3%時(shí)的馬歇爾試件溫度與時(shí)間的變化曲線相似。

圖3 微膠囊相變材料摻量為0.3%時(shí)的馬歇爾試件溫度與時(shí)間的變化曲線Figure 3 Temperature time curve of marshall specimen with 0.3% microcapsule phase change material

圖4為微膠囊相變材料摻量為0.5%時(shí)的馬歇爾試件溫度與時(shí)間的變化曲線，其中，油石比分別為4.5%、5.0%、5.5%、6.0%和6.5%，最佳油石比為5.34%，碳纖維摻量為0.1%。對(duì)比分析可知，在不同油石比下，摻加瀝青基碳纖維的瀝青混凝土的馬歇爾試件溫度-時(shí)間變化曲線與微膠囊相變材料摻量為0%和0.5%時(shí)相似，即摻加瀝青基碳纖維的瀝青混凝土的馬歇爾試件的溫度都會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低。

圖4 微膠囊相變材料摻量為0.5%時(shí)的馬歇爾試件溫度與時(shí)間的變化曲線Figure 4 Temperature time curve of marshall specimen with 0.5% microcapsule phase change material

綜合圖2～圖4的不同微膠囊相變材料摻量的馬歇爾試件溫度-時(shí)間變化曲線可知，當(dāng)時(shí)間為0～150 min時(shí)，馬歇爾時(shí)間的溫度降低速度較快，而當(dāng)時(shí)間超過(guò)150 min后，馬歇爾試件的溫度變化幅度較小。當(dāng)馬歇爾試件具有較高的溫度時(shí)，瀝青混合料的熱運(yùn)動(dòng)會(huì)相對(duì)劇烈，而溫度的降低則會(huì)減小熱量傳遞，且由于此時(shí)的溫度還沒(méi)達(dá)到微膠囊相變材料的相變溫度，此時(shí)馬歇爾試件不會(huì)受到微膠囊相變材料潛熱釋放的影響，即微膠囊對(duì)馬歇爾試件溫度的變化影響不大，反映在馬歇爾試件溫度與時(shí)間的變化曲線中則表現(xiàn)為150 min內(nèi)3種不同配比的馬歇爾試件的溫度降低趨勢(shì)基本一致。當(dāng)時(shí)間增加至150 min后，馬歇爾試件的溫度變化會(huì)受到微膠囊相變材料潛熱釋放的影響，這主要是因?yàn)榇藭r(shí)微膠囊相變材料會(huì)發(fā)生相變并釋放之前升溫而存儲(chǔ)的熱量，且釋放熱量會(huì)隨著微膠囊相變材料摻量的增加而增大[9]。對(duì)比微膠囊相變材料摻量為0%、0.3%和0.5%的馬歇爾試件可知，試件溫度的降溫趨勢(shì)會(huì)隨著微膠囊相變材料摻量的增加而逐漸變緩，穩(wěn)定階段的溫度呈逐漸上升趨勢(shì)，這也說(shuō)明微膠囊相變材料的摻加有助于提升試件溫度穩(wěn)定的能力。

對(duì)于摻加瀝青基碳纖維的瀝青混合料路面的鋪設(shè)和維護(hù)過(guò)程中，將微膠囊相變材料加入試件中，可以使得混合料在較高溫度時(shí)存儲(chǔ)熱量，并在溫度降低過(guò)程中釋放熱量，從而使得路面材料在低溫階段具有減緩溫度降低，以及通過(guò)降溫過(guò)程中的潛熱釋放來(lái)抑制雪和冰的形成，最終達(dá)到融雪化冰的效果。

此外，結(jié)合圖2～圖4的試件溫度-時(shí)間變化曲線還可以發(fā)現(xiàn)，在碳纖維和微膠囊相變材料摻量不變前提下，油石比從4.5%增加至6.5%，馬歇爾試件的降溫速度會(huì)加快，但是尾部的溫度基本一致，這也就表明油石比會(huì)對(duì)摻加瀝青基碳纖維的瀝青混合料的熱交換過(guò)程產(chǎn)生影響，即油石比會(huì)改變溫度降低速度，但是混合料的熱量交換總量不會(huì)受到油石比變化的影響，這主要是因?yàn)榛旌狭现杏褪鹊脑龃髸?huì)減小瀝青混合料的孔隙率，并增大熱量傳遞效率[10]。由此可見(jiàn)，在實(shí)際摻加瀝青基碳纖維的瀝青混合料的配置過(guò)程中，如果碳纖維和微膠囊相變材料摻量一定前提下，為了實(shí)現(xiàn)最佳的融雪化冰效果，油石比的選擇可以直接采用最佳油石比。

3 結(jié)論

a.隨著油石比從4.5%增加至6.5%，不同微膠囊摻量的摻加瀝青基碳纖維的瀝青混凝土的電阻率都呈現(xiàn)先減小后增大的特征，在油石比為6%時(shí)取得電阻率最小值；在相同油石比條件下，隨著微膠囊摻量從0%增加至0.5%，混凝土的電阻率逐漸升高，即微膠囊摻量越高則電阻率越大。

b.在不同油石比下，摻加瀝青基碳纖維的瀝青混凝土的馬歇爾試件的溫度都會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低，但是在相同時(shí)間下，不同油石比的馬歇爾試件的溫度差異性不大。

c.馬歇爾試件溫度的降溫趨勢(shì)會(huì)隨著微膠囊相變材料摻量的增加而逐漸變緩，穩(wěn)定階段的溫度呈逐漸上升趨勢(shì)，即微膠囊相變材料的摻加有助于提升試件溫度穩(wěn)定的能力；油石比會(huì)改變溫度降低速度，但是混合料的熱量交換總量不會(huì)受到油石比變化的影響。