相變?yōu)r青混合料與熱反射涂層協(xié)同作用對(duì)瀝青路面性能的影響

陸美榮，柴沖沖，韋 坤，陳 輝[.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司， 上海 008；.上海城建日瀝特種瀝青有限公司， 上海 00040； .上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司， 上海 004]

隨著我國(guó)公路事業(yè)的迅速發(fā)展，瀝青路面以行車(chē)舒適、平穩(wěn)和噪聲低等水泥混凝土路面難以替代的優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于公路。瀝青是一種溫度敏感性的黏彈性材料，夏季瀝青路面溫度高達(dá) 60 ℃ 以上，極易產(chǎn)生車(chē)轍、擁包等熱穩(wěn)性病害，嚴(yán)重影響了瀝青路面的路用性能[1-2]。

在瀝青基材料中添加相變材料，利用相變材料的自主溫控性能，降低瀝青混凝土的溫度敏感性，減少瀝青混凝土的車(chē)轍、擁包等高溫病害，能夠提高路面的服役壽命[3-8]。曹長(zhǎng)斌等[9]人研究了相變材料聚乙二醇（PEG）對(duì)瀝青性質(zhì)、相變?yōu)r青混合料降溫性能和高溫穩(wěn)定性的影響，研究結(jié)果表明：摻聚乙二醇的瀝青混合料在自然光照條件下能夠達(dá)到主動(dòng)降溫的效果，當(dāng)摻量為 20% 時(shí)，其高溫穩(wěn)定性能滿足規(guī)范要求。林飛菲[10]采用十二烷-十四烷相變材料用于延緩瀝青路面凝冰時(shí)間，且摻量越大，路面凝冰效果越顯著。張怡雪[11]將熱反射涂料（HRCs）和復(fù)合相變材料 RT31/EG 搭配，將冷屋頂技術(shù)和潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于墻體，研究表明：熱反射和儲(chǔ)熱之間必須要有一個(gè)隔熱層削弱相變材料導(dǎo)熱、增強(qiáng)其儲(chǔ)熱作用，才能將兩種材料作用最大化。

目前相變材料的研究成果主要集中在相變材料的遴選與制備及其在建筑材料與瀝青路面中的應(yīng)用，缺乏相變?yōu)r青混合料與熱反射涂層協(xié)同在瀝青路面中的應(yīng)用。本研究將相變材料與熱反射涂層相結(jié)合，制備具有相變儲(chǔ)熱功能的瀝青路面材料，使其能在高溫環(huán)境下主動(dòng)調(diào)節(jié)路面溫度。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

本研究的水泥材料采用 P·O42.5 硅酸鹽水泥。粗集料采用 10～15 mm 的玄武巖碎石，含泥量為 1.6%，針片狀含量 4.5%，壓碎指標(biāo) 6.2%；細(xì)集料采用 0～3 mm 的石灰?guī)r石屑，含泥量 1.0%，泥塊含量 0.5%，細(xì)度模數(shù) 2.5。礦粉干燥、潔凈且無(wú)團(tuán)粒結(jié)塊。熱反射涂層購(gòu)于上海某涂料公司。瀝青混合料為 SMA-13 瀝青混合料。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 力學(xué)性能

對(duì)于瀝青混合料的水穩(wěn)定性，采用 JTG E20—2011《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中馬歇爾穩(wěn)定度進(jìn)行測(cè)試；高溫性能采用 JTG E20—2011 中的 T 0719—2011《瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)》，以 1 mm 車(chē)轍變形所需要行走的次數(shù)即為動(dòng)穩(wěn)定度來(lái)評(píng)價(jià)相變材料瀝青混合料的抗車(chē)轍能力；低溫抗裂性能通過(guò) JTG E 20—2011 中的 T 0729—2000《凍融劈裂試驗(yàn)》，加載速率為 50 mm/min，通過(guò)傳感器獲得瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度及水平、垂直的變形。

1.2.2 相變性能

利用長(zhǎng) 300 mm×寬 300 mm×厚 50 mm 的車(chē)轍板試件，板中央鉆孔埋入溫度傳感器，采用多通路溫度測(cè)試儀（ZJ1008）進(jìn)行測(cè)溫，實(shí)時(shí)記錄溫度變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 相變性能

通過(guò)外摻法將相變材料添加到瀝青混合料中，摻量（占瀝青混合料總質(zhì)量的百分比）分別為 0.2%、0.3% 和0.4%，并在瀝青混合料表面涂覆熱反射涂層，將未添加相變材料及涂層的基質(zhì)瀝青混合料作為空白對(duì)照組，對(duì)其溫升效果進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。圖1 為不同相變材料摻量下相變?yōu)r青混合料與熱反射涂層協(xié)同的瀝青混合料降溫效果。

由圖1 可知，隨著相變材料摻量的增加，相變?yōu)r青混合料的溫度呈先降低后升高的趨勢(shì)。當(dāng)相變材料摻量為0.2% 和 0.3% 時(shí)，相變?yōu)r青混合料的降溫效果相近，且相變?yōu)r青混合料與熱反射涂層協(xié)同的試件溫度比基準(zhǔn)瀝青混合料溫度降低 8.3 ℃；而當(dāng)相變材料摻量增加到 0.4% 時(shí)，相變?yōu)r青混合料與熱反射涂層協(xié)同的瀝青混合料試件的降溫效果減弱，相較于未摻相變材料的瀝青混合料試件溫度降低 7.2 ℃，這可能是由于相變材料摻量的增加，在高溫拌合過(guò)程中相變材料性能變差或?qū)е虏糠窒嘧儾牧闲孤?，降溫效果受一定的影響。因此，相變?yōu)r青混合料中的相變材料摻量宜控制在 0.3% 以內(nèi)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證相變?yōu)r青混合料與熱反射涂層協(xié)同對(duì)瀝青混合料的降溫效果的影響，本研究采用單摻相變材料（摻量為 0.2%、0.3% 和 0.4%）對(duì)瀝青混合料的降溫效果進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同相變材料摻量對(duì)相變?yōu)r青混合料溫升效果的影響

由圖2 可知，隨著相變材料摻量的增加，相變?yōu)r青混合料的溫度呈先降低后升高的趨勢(shì)，降溫效果的變化規(guī)律與相變?yōu)r青混合料和熱反射涂層協(xié)同情況下一致。當(dāng)相變材料摻量為 0.2% 和 0.3% 時(shí)，兩種摻量下的相變?yōu)r青混合料的降溫效果相近，均比未摻相變材料的瀝青混合料溫度降低 4.5 ℃。與相變?yōu)r青混合料與熱反射涂層協(xié)同的試件相比，采用單摻相變材料的方式用于瀝青混合料，其降溫效果較差。這是由于相變材料達(dá)到相變溫度時(shí)能夠儲(chǔ)存熱量，而采用相變?yōu)r青混合料與熱反射涂層協(xié)同作用時(shí)，相變材料添加在瀝青混合料中，熱反射涂料涂覆在瀝青混合料外表面，能夠保證兩種材料在瀝青降溫路面中發(fā)揮更好的作用。

2.2 高溫穩(wěn)定性

對(duì)未摻相變材料、相變?yōu)r青混合料與熱反射涂層協(xié)同的相變?yōu)r青混合料高溫穩(wěn)定性進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)，研究相變材料摻量對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 相變?yōu)r青混合料與熱反射涂層協(xié)同作用的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度

由圖3 可知，相變?yōu)r青混合料與熱反射涂層協(xié)同下的動(dòng)穩(wěn)定度比基質(zhì)瀝青混合料稍低，但仍能滿足當(dāng)前規(guī)范要求。隨著相變材料摻量的增加，相變?yōu)r青混合料與熱反射涂層協(xié)同下的穩(wěn)定度逐漸減小，當(dāng)摻量為 0.4% 時(shí)，其動(dòng)穩(wěn)定度明顯減小到 1 716 次/mm，同時(shí)車(chē)轍深度較大，車(chē)轍試驗(yàn)后可以明顯看到試樣中央有較深的輪跡。這是由于該試驗(yàn)中采用的相變材料是一種固-液相變材料，在其達(dá)到相變溫度時(shí)，由固態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)的過(guò)程，瀝青變軟，高溫穩(wěn)定性會(huì)稍有下降，且隨著相變材料的增加，影響增加，因此必須嚴(yán)格控制相變材料的摻量。

2.3 低溫抗裂性

相變?yōu)r青混合料與熱反射涂層協(xié)同作用的混合料低溫抗裂性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 相變?yōu)r青混合料與熱反射涂層協(xié)同作用的混合料低溫抗裂性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2 可知，隨著相變材料摻量的增加，瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比降低，其規(guī)律與浸水馬歇爾試驗(yàn)相同，但凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比仍能滿足標(biāo)準(zhǔn)JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求值。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）將相變材料加入瀝青混合料中，利用相變材料的儲(chǔ)熱性能和自主調(diào)溫性能，可減少基質(zhì)瀝青的溫度敏感性，相變?yōu)r青混合料具有較好的儲(chǔ)熱性能。

（2）與單摻相變材料相比，采用相變?yōu)r青混合料與熱反射涂層協(xié)同作用的瀝青路面降溫效果更優(yōu)。當(dāng)采用相變材料單摻的方式時(shí)，相變?yōu)r青混合料的降溫溫差最大達(dá)4.5 ℃；當(dāng)采用相變?yōu)r青混合料與熱反射涂層協(xié)同作用時(shí)，制備的瀝青混合料的降溫溫差最大達(dá) 8.3 ℃。

（3）相變?yōu)r青混合料與熱反射涂層協(xié)同作用下的瀝青路面的路用性能受相變材料摻量的影響。相變材料摻量的增加對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有不利影響，因此需要嚴(yán)格控制相變材料的摻量，宜控制在 0.3% 以內(nèi)。