相變材料對溫拌瀝青混合料路用性能及微觀機理的影響

李芳宇

（江西省天馳高速科技發(fā)展有限公司，江西南昌 330103）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們的生活水平也在不斷提高，對公路的要求也越來越高。道路的交通環(huán)境是衡量一個城市基礎設施建設水平的重要指標之一，因此，加強對道路的建設和養(yǎng)護就顯得尤為重要。但是，道路的建設和養(yǎng)護是一個非常復雜的過程，難免會存在一些不確定的因素影響到人們的出行體驗和交通安全，所以，必須采取相應的措施以減少此類不確定因素的影響，而選用優(yōu)良的路面建設材料就是有效的措施之一。

瀝青混凝土作為一種優(yōu)良的路面建設材料，因其在抗拉強度、抗剪切應力、抗折彎承載力等方面的顯著優(yōu)勢而得到廣泛的應用。然而，由于我國的氣候條件復雜，高溫、嚴寒都對瀝青混凝土的路用性能有很大的負面影響，而在瀝青混合料中添加相變材料可以較好地解決這一問題。關于相變材料對溫拌瀝青混合料路用性能及微觀機理的影響，我國在此方面的研究起步較晚，目前還處于初級階段，對此加強研究有著重大的現(xiàn)實意義。

1 國內(nèi)外關于相變材料對溫拌瀝青混合料影響的研究現(xiàn)狀

目前，我國關于相變材料對溫拌瀝青混合料影響的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但是與國外相比還是有很大的差距。主要存在的問題是，雖然國內(nèi)外的研究方向有所不同，但局限于相變材料對低溫下瀝青混合料性能的影響。對于相變材料的研究，國內(nèi)外的專家學者從不同的角度出發(fā)，提出了很多的見解[1]。

2 相變材料對溫拌瀝青混合料性能的影響

由于相變材料具有吸收或釋放潛熱的特點，對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性會產(chǎn)生很大的影響。在低溫環(huán)境下，瀝青的黏度會降低，而當瀝青處于較高的溫度時其黏度則會增高，從而導致瀝青的性能也隨之發(fā)生變化；因此，需要根據(jù)具體的情況選擇合適的相變材料，并對其進行控制，以保證瀝青處于最佳性能狀態(tài)，從而保證道路路面的質(zhì)量[2]。

2.1 概述

相變材料按物質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)變方式可分為固—固相變、固—液相變、固—氣相變、液—氣相變四大類，在一定的溫度和壓力下，物質(zhì)內(nèi)部會發(fā)生化學反應，形成各種不同形狀的顆粒，這些顆粒的性質(zhì)也會隨著其外部物理化學特性的改變而變化。因此，在瀝青混合料中，可以根據(jù)所需要的力學性能要求，將具有相同密度的固態(tài)物質(zhì)進行合理的組合，使其能夠滿足使用的需求。研究表明，瀝青混合料微觀結構的特點是，其微觀組織的分布比較均勻，并且表面的孔隙率比較大，所以，在高溫環(huán)境下，其抗壓強度較高，而且抗拉伸的能力也較強；相變材料微觀結構的特點使得其性能的表現(xiàn)形式為，當受到外界的作用力時，其會產(chǎn)生變形導致瀝青的黏度增高，同時，因為瀝青的黏度較高，就能使瀝青的抗拉、延展以及耐磨等方面的性能得到提高[3]。

2.2 相變材料的分類

在研究相變材料時，通常將其分為以下幾類：

一是無機相變材料。主要包括結晶水合鹽、熔融鹽、金屬合金等無機物，如鋁鎂石、鋁鎳礦等。

二是有機相變材料。主要包括石蠟、羧酸、多元醇等有機物，如硅酸鉛、二氧化硅等。由多種組分組成的復合型瀝青混合料即是一種有機相變材料，其中有一些組分是通過摻雜其他的物質(zhì)實現(xiàn)的。

三是合成橡膠。根據(jù)分子結構的差異，可以將其歸納為一類，如聚乙炔、聚丙烯酰胺聚氨酯、環(huán)氧丙烷、甲苯二異氰酸鹽、二異氰酸鹽丁酮、三異氰酸鹽丁基苯磺酸鈉、甲基辛醇正戊四氫呋喃烴、環(huán)氧樹烷酮、三氯化碳等。

2.3 相變材料的正交優(yōu)化

在對相變材料進行正交優(yōu)化的過程中，需要根據(jù)實際情況選擇出最優(yōu)的組合方案，并對其性能做出評價。在同一環(huán)境條件下，不同相變材料的性能是各不相同的，因此在選取合適的相變材料時，要考慮各種因素的影響，并結合具體的施工要求，制定出最合理的配置。

本文研究的主要內(nèi)容是利用正交試驗設計方法，以瀝青為基本原材料，采用熱重試驗和低溫再生法，分別對其高溫失重率、溫度穩(wěn)定性以及凍融循環(huán)次數(shù)等指標的變化規(guī)律進行研究，從而得到最佳的配合比。

2.4 相變材料的性能及經(jīng)濟效益

在實際的工程建設中，會用到很多材料，但是這些材料的性質(zhì)和性能都不一樣，所以在施工時，需要根據(jù)不同的情況進行選擇，這樣才能保證公路的整體質(zhì)量。

第一，相變材料的力學性能在對瀝青混合料性能影響的研究中是一個很重要的指標，其直接影響到瀝青混合料的使用性能。如果所選用的原材料的抗壓強度比較高，就可以提高瀝青混合料的耐久性，從而延長路面的使用壽命。

第二，相變材料的經(jīng)濟效益。由于我國的公路里程不斷增加，對瀝青的需求量也隨之增大，但瀝青價格昂貴的缺陷卻一直制約著公路建設事業(yè)的發(fā)展。而添加相變材料能夠有效地提升瀝青混合料的使用性能、延長其使用壽命，從另一個角度看，即是減少了瀝青的使用量、降低了工程施工成本，在實現(xiàn)節(jié)能減排的同時創(chuàng)造了經(jīng)濟效益。隨著人們環(huán)保意識的增強，綠色出行的觀念逐漸深入人心，只有將節(jié)能減排的理念融入公路建設中，才能實現(xiàn)真正的可持續(xù)發(fā)展[4]。

3 溫拌瀝青混合料的微觀機理

相變材料的微觀結構和性質(zhì)與瀝青混合料的性能密切相關，本文主要從以下兩個方面對溫拌瀝青混合料的微觀機理進行分析。

第一，溫度效應。由于各種物理因素的影響，使得瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和抗車轍能力受到一定的限制，從而使其產(chǎn)生宏觀的熱傳導。當瀝青的穩(wěn)定性降低時，會導致其形成大的冷脆裂紋，最終會使路面的使用壽命大大縮短。

第二，荷載作用。荷載的大小是決定瀝青混合料力學性能的重要指標，而荷載的強度又是影響其抗車轍能力的關鍵。車輛荷載越大，那么瀝青路面就越容易出現(xiàn)疲勞破壞，而一旦超過了極限值，就很有可能引發(fā)交通事故。

3.1 溫拌瀝青混合料的組成

在對相變材料進行研究時，一般會使用不同的材料對其改性效果做出評價，這些材料主要包括熱塑性瀝青和熱固性瀝青。

第一，熱塑性瀝青。熱塑性瀝青在加熱時能發(fā)生流動變形，冷卻后可以保持一定的形狀，可以循環(huán)反復加熱、冷卻，性能保持不變，生產(chǎn)成本較低。

第二，熱固性瀝青。熱固性瀝青加熱時不能軟化，不能反復塑制。其特點是在一定溫度下，經(jīng)一定時間加熱、加壓或加入硬化劑后，發(fā)生化學反應而硬化。硬化后瀝青的化學結構發(fā)生變化，質(zhì)地堅硬，不溶于溶劑，加熱也不再軟化，如果溫度過高則會分解[5]。

3.2 溫拌瀝青混合料的微觀結構

瀝青混合料的微觀結構包括骨料的分布狀態(tài)，空隙的分布、形狀和大小等。影響瀝青混合料性能的主要物理力學性質(zhì)是孔隙率、比熱和空隙率。

第一，孔隙率。瀝青混合料的孔隙率與瀝青的密度、比熱導度、導熱系數(shù)等密切相關。

第二，比熱。瀝青混合料的比熱可隨著溫度的變化而改變，但在一定的范圍內(nèi)，隨著時間的增加，瀝青的體積會逐漸減小，所以，當達到了飽和吸收值時，可以使其比熱降低。

第三，空隙率。在瀝青的流動過程中，由于空氣的浮力作用，會使材料內(nèi)部的空隙發(fā)生膨脹，從而導致空隙減少。因此，當外部的環(huán)境條件發(fā)生變化時，就需要對以上因素進行控制，以保證瀝青混合料能滿足工程施工要求[6]。

3.3 溫拌瀝青混合料的抗裂性研究

在實際施工中，可以通過測試溫拌瀝青混合料的抗裂性判斷其是否滿足使用要求。如果瀝青混凝土存在裂縫、松散等缺陷，就會影響路面的質(zhì)量。所以，為了提高溫拌瀝青混合料的整體力學性能，需要對其裂縫、松散部位和薄弱受力區(qū)域的應力應變情況做進一步的研究。

4 溫拌瀝青混合料微觀機理分析

在對瀝青混合料進行加熱時，其內(nèi)部會產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量會通過集料表面的縫隙傳遞到瀝青中，從而導致瀝青的微觀結構發(fā)生變化，使其性能降低。因此，需要對集料的溫度場和微觀機理有充分的了解，并將其應用在實際的施工過程中。

4.1 溫拌瀝青混合料基本性質(zhì)

溫拌瀝青混合料的熱導率會隨著溫度的變化而改變。當瀝青的熱量超過了瀝青的飽和點時，就會導致其內(nèi)部的空隙率和孔隙率不斷增大，最終使瀝青的黏結力降低，從而使其具有良好的低溫抗老化性能。通過研究發(fā)現(xiàn)，當相變材料的加熱速率大于60℃/s時，就可以對混合料進行冷拌，但同時，由于不同混合料的性質(zhì)不相同，因此，在同一個溫度區(qū)間內(nèi)，如果有兩種以上的材料混合，則需要對冷拌的時間做出相應的調(diào)整[7]。

4.2 影響溫拌瀝青混合料微觀構造的因素

影響瀝青混合料微觀構造的主要因素是溫度。在高溫和寒冷環(huán)境下要對其采取適當?shù)谋Ｗo措施，使其處于正常的工作狀態(tài)。

第一，高溫時，可以路面上加鋪一層導熱系數(shù)較小的熱阻層，降低太陽對瀝青面層的直接輻射量，使瀝青混合料的熱膨脹系數(shù)降低，從而提高瀝青的抗裂性。

第二，在寒冷環(huán)境下要使用保溫層，增強瀝青混合料的熱穩(wěn)定性，防止因為熱量流失過快而導致其微觀結構被破壞。

5 關于相變材料對溫拌瀝青混合料路用性能及微觀機理影響的有效對策

第一，加強對相變材料的研究，并將其應用到實際工程中，以提高路面使用壽命。

第二，在添加相變材料之前，應先對瀝青混合料的性質(zhì)、物理力學以及低溫抗裂等方面的性能進行測試，并根據(jù)測試結果確定最佳的配合比，以保證各項參數(shù)的合理性。

第三，在瀝青混凝土路面的攤鋪過程中，應嚴格控制溫度和濕度的變化，避免外界因素影響相變材料發(fā)揮作用。

第四，對于不同的施工條件，要根據(jù)實際情況調(diào)整和優(yōu)化施工工藝，提高相變材料的耐久性和經(jīng)濟性，解決相變材料在循環(huán)過程中熱物理性質(zhì)的退化問題、相變材料易從基體泄漏的問題、相變材料對基體材料的作用問題。

6 結語

針對不同的瀝青混合料，分別選取了兩種不同的配合比，即普通低熱型相變材料和高熱型高油泥混合料。在采用相同的摻量（即低熱型溫拌瀝青混合料與高油泥的比例為1∶4）、復合溫度為70℃時，低溫下的冷態(tài)循環(huán)時間長，高溫下的再生效果好，但質(zhì)量差，易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。此外，對于同一瀝青，由于其組成成分的差異，在不同時間段內(nèi)，需要采取不同的摻量，以達到最佳的性能。當瀝青的摻入量過少，會導致相變材料的用量過多，則相變材料的性能將會下降；而當瀝青的摻入量增加，則會降低相變材料的用量，相變材料的性能將會提高?？傊?，隨著人們對建筑節(jié)能的日益重視、環(huán)境保護意識的逐步增強，相變材料必將在今后的工程領域大有用武之地，也會逐漸被人們所認知，具有非常廣闊的應用前景。