付建紅，馮學達，王金財，崔培強

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)東部區(qū)高等級公路管理處，通遼 028000；2.烏里雅斯太邊防公路機械化養(yǎng)護隊，烏里雅斯太 026300；3.滿都拉圖養(yǎng)路工區(qū)，滿都拉圖 011300；4.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070）

隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展，高速公路、城市高架橋和飛機場的大量興建，汽車、飛機的數(shù)量和速度不斷提高，改善道路的運行，提高交通安全是世界各國都十分重視的課題。其中，冬季大量的道路積雪已成為安全行車的重大隱患，尤其在高速公路上，積雪對交通的危害愈來愈突出。集熱融冰用瀝青混凝土可有效解決瀝青路面夏季高溫變形、冬季路面積雪結(jié)冰及路面低溫開裂等一系列問題，導(dǎo)熱瀝青混凝土同時具有良好的導(dǎo)熱性能和路用性能是實現(xiàn)瀝青路面集熱融冰技術(shù)的關(guān)鍵。通過研究石墨摻量對瀝青混凝土導(dǎo)熱性能與路用性能的影響規(guī)律，提出導(dǎo)熱瀝青混凝土的組成設(shè)計方法，從而為后續(xù)開展優(yōu)化太陽能集熱和融雪化冰的能量轉(zhuǎn)換和傳輸，提高換熱效率的研究奠定基礎(chǔ)。

1 原材料

1）瀝青 試驗瀝青為中油遼河90號道路石油瀝青，其主要技術(shù)性能為：針入度（25℃、100g、5 s）（0.1mm）96，軟化點（環(huán)球法）45.3℃，延度（5cm/min、15℃）大于120cm，閃點318℃。

2）粗集料 試驗所用石料為大黑山橄欖玄武巖，主要技術(shù)性能為：表觀密度2.934g/cm3，吸水率0.4%，壓碎值9.4%，磨耗值8.1%，與瀝青的粘附性等級4級，堅固性0.1%。

3）細集料 試驗所用細集料（粒徑≤2.36mm）全部采用優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r，主要技術(shù)性能為：表觀密度2.705g/cm3，砂當量80.6%，棱角性42.5%，0.075mm篩孔通過率8.1%。

4）礦粉 礦粉采用優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r磨制石粉，主要技術(shù)性能為：表觀密度2.708g/cm3，親水系數(shù)0.85，0.075mm篩孔通過率92.7%。

5）導(dǎo)電相材料 選用河北邢臺產(chǎn)鱗片狀石墨作為導(dǎo)熱相填料，其主要性能如表1所示。

表1 石墨的主要性質(zhì)

2 實驗設(shè)計

以材料復(fù)合理論為指導(dǎo)，通過引入導(dǎo)熱相材料，對傳統(tǒng)瀝青混凝土的材料組成進行優(yōu)化設(shè)計，制備出高集熱效率、高耐久性能的導(dǎo)熱型瀝青混凝土，分析導(dǎo)熱相填料對瀝青混凝土性能的影響；結(jié)合導(dǎo)熱瀝青混凝土路用性能與熱學參數(shù)，優(yōu)選出最佳的導(dǎo)熱相填料配比及摻量。

1）通過集料篩分結(jié)果初步確定級配，并通過做馬歇爾試件測其空隙率、穩(wěn)定度等指標進行級配調(diào)整，確定不摻導(dǎo)熱相材料的優(yōu)化級配以及其最佳油石比。

2）選取石墨摻量分別為0、4%、8%、12%、16%、20%、24%（石墨摻量指石墨體積占瀝青的體積百分比），通過穩(wěn)定度試驗、凍融劈裂試驗和疲勞試驗研究石墨填料對瀝青混凝土水穩(wěn)性能和疲勞壽命的影響。

3）通過瞬態(tài)平板熱源法，研究石墨填料對瀝青混合料熱學性能的影響。

2.1 集熱融冰混合料的配合比優(yōu)化設(shè)計與油石比優(yōu)選

集熱融冰瀝青混合料試驗級配優(yōu)化與普通熱拌瀝青混合料設(shè)計方法差異不大，在規(guī)程規(guī)定的方法和基礎(chǔ)上，結(jié)合SHRP高性能瀝青混凝土配合比優(yōu)化方法進行，并根據(jù)規(guī)程JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》、JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進行原材料性能和混合料性能試驗，并且根據(jù)JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求進行瀝青混合料性能驗證。

試驗用混合料合成級配通過率見表2。

表2 AC－16合成級配通過率

2.2 最佳油石比

未摻熱電相材料的AC－16混合料采用馬歇爾試驗進行級配的最佳油石比優(yōu)選，采用4%、4.5%、5%、5.5%、6.0%5個油石比成型馬歇爾試件。馬歇爾試驗結(jié)果如表3所示。

表3 馬歇爾試驗結(jié)果

擊實密度最大a1＝5.5；穩(wěn)定度最大a2＝5.5；設(shè)計空隙率4.5%時對應(yīng)用量a3＝5.3；設(shè)計飽和度范圍中值a4＝5.1；

滿足技術(shù)指標要求的：設(shè)計飽和度下限65%時取得OACmin＝4.8；設(shè)計飽和度取上限75%時取得OACmax＝5.5；

計算得：最佳油石比為OAC＝（OAC1＋OAC2）＝5.25；換算成瀝青用量為5.0%。

當加入石墨相填料之后，由于石墨的吸油效應(yīng)，相應(yīng)的瀝青用量應(yīng)有相應(yīng)的增加，石墨摻量按公式（1）計算

其中：Mc為石墨摻入質(zhì)量，g；ρ瀝青為瀝青密度，取值1.018g/cm3；A為石墨占瀝青的體積百分數(shù)；B為石墨吸油率，取0.503 9；ρc為石墨密度，取值2.168g/cm3。

其中：M′粉為摻石墨后所加礦粉質(zhì)量，g；M粉為空白試驗所加礦粉質(zhì)量，g；Mc為石墨摻入質(zhì)量，g；ρc為石墨密度，g/cm3；ρ粉為礦粉的密度，g/cm3。

其中：為摻石墨后的瀝青用量，g；B為石墨吸油率，取0.503 9；Mc為石墨摻入質(zhì)量，g；M油為空白試驗所加瀝青質(zhì)量，g。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 石墨摻量對混合料性能的影響

1）水穩(wěn)定性試驗 按照《公路工程瀝青和瀝青混合料試驗規(guī)程》T0709試驗方法進行馬歇爾試件和劈裂強度試件的制作，分別進行不同石墨摻量條件下的混合料浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，具體試驗結(jié)果見圖1和圖2。

圖1不同石墨摻量條件下混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗結(jié)果表明：隨著石墨摻量的增加，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度稍有下降，當石墨摻量由0%增加至24%時，殘留穩(wěn)定度由86.9%降至79.1%，滿足不低于75%的規(guī)范技術(shù)要求。馬歇爾穩(wěn)定度和浸水馬歇爾穩(wěn)定度都隨著石墨的摻入而迅速下降，當石墨摻量由0%增加至24%時，馬歇爾穩(wěn)定度和浸水馬歇爾穩(wěn)定度分別由12.56kN和10.91kN降至6.79kN和5.62kN，這表明石墨的摻入降低了瀝青之間的內(nèi)聚力，從而導(dǎo)致瀝青混合料強度的下降。

圖2不同石墨摻量條件下混合料凍融劈裂強度比試驗結(jié)果表明：隨著石墨摻量的增加，劈裂強度比逐漸下降，當石墨摻量由0%增加至24%時，劈裂強度比由85.2%降至79.2%，滿足不低于75%的規(guī)范技術(shù)要求。

2）高溫穩(wěn)定性 按照《公路工程瀝青和瀝青混合料試驗規(guī)程》T 0719試驗規(guī)程進行混合料的車轍試驗，不同石墨摻量條件下的車轍動穩(wěn)定度以及試件車轍變形深度試驗結(jié)果見圖3和圖4。

由圖3和圖4可知，瀝青混合料的動穩(wěn)定度隨著石墨摻量的增加總體變化趨勢是增加，當石墨摻量由0%增加至24%時，動穩(wěn)定度由1 950次/mm增大至3 302次/mm。而車轍變形深度隨著石墨摻量的增加變化趨勢是先減小然后增加，車轍深度由3.49mm減小至2.38mm再增加至3.40mm。這表明石墨摻入瀝青混合料后，混合料具有更強的抗高溫變形能力，這與石墨摻量由0%增加至16%、動穩(wěn)定度由1 950次/mm提高到3 251次/mm的變化趨勢是相同的，當石墨摻量由16%增加到24%時，車轍動穩(wěn)定度的增加幅度已經(jīng)并不明顯，但車轍變形深度卻隨著石墨摻量的增加而變大了，由2.38mm增大到3.40mm。說明此時再增加石墨摻量對提高抗高溫變形能力已經(jīng)沒有意義，此時石墨摻量已經(jīng)達到最佳值。通過分析可以得出集熱融冰混合料石墨摻量最佳范圍為16%～20%，推薦摻量18%。

3.2 石墨摻量對混合料疲勞性能的影響

為評價石墨摻量對混合料疲勞壽命的影響，采用UTM－25瀝青混合料材料試驗系統(tǒng)進行間接拉伸疲勞試驗，試驗采用了3組試樣，石墨摻量分別為0%、18%、24%。試驗溫度為15℃，荷載采用半正弦波，荷載加載時間為0.15s，間歇時間為0.45s，在應(yīng)力控制模式下以試樣完全破壞為疲勞破壞的評定標準。導(dǎo)熱相填料對瀝青混凝土在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命如圖5所示。

從圖5中3組混凝土的疲勞曲線可以看出，在相同的導(dǎo)熱相填料摻量下，瀝青混凝土的疲勞壽命均隨著應(yīng)力水平的提高而下降，未摻入導(dǎo)熱相填料的原樣瀝青混凝土的直線具有最大的下降斜率，其它兩條摻入導(dǎo)熱相填料的瀝青混凝土的直線具有相似的下降斜率，在相同的應(yīng)力水平下，原樣瀝青混凝土的疲勞壽命比導(dǎo)熱瀝青混凝土的壽命小。

3.3 石墨摻量對混凝土導(dǎo)熱系數(shù)影響

實驗采用瑞典Hot Disk公司生產(chǎn)的TPS2500S熱常數(shù)分析儀測量導(dǎo)熱瀝青混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱熱學參數(shù)，分析石墨摻量對導(dǎo)熱瀝青混凝土熱學參數(shù)的影響規(guī)律，其結(jié)果如圖6、圖7所示。

由圖6可以看出，當石墨摻量由0%增至24%時，瀝青混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)由1.48W/（m·K）增大至2.19W/（m·K），增大了48.0%，在20%摻量時達到最大值2.24W/（m·K）。這說明瀝青混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)隨著石墨摻量的增加而增大。導(dǎo)熱系數(shù)增大有利于熱量在混凝土中的傳遞，需要指出的是，石墨摻量為16%和24%時，其導(dǎo)熱系數(shù)分別為2.11W/（m·K）和2.19W/（m·K），后者比前者僅增加3.8%，說明過多的石墨不能進一步提高瀝青混凝土的導(dǎo)熱性能。

由圖7可以看出，比熱的變化出現(xiàn)了相反的情況，比熱隨著石墨摻量的增加而減小。當石墨摻量由0%增至24%時，對應(yīng)的比熱卻從942.1J/（kg·K）降低至809.3J/（kg·K），減少了14.1%。比熱的減小說明單位質(zhì)量的物體升高一度所需要的熱量減少。

4 結(jié) 論

通過石墨填料對瀝青混合料水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性能及導(dǎo)熱性能的影響分析：

a.摻入石墨后，瀝青混合料浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗結(jié)果表明：在0%～24%的摻量范圍內(nèi)，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定比和凍融劈裂強度比值均呈下降趨勢，但仍滿足規(guī)范要求。

b.混合料動穩(wěn)定度在石墨摻量為20%時最大，而后隨石墨摻量的增加，動穩(wěn)定度略微下降，說明過大的石墨摻量對高溫性能不但沒有改善，而且還有削弱。

c.當石墨摻量由0%增加至24%時，瀝青混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)最大增加了52.3%，比熱減小了14.1%，說明石墨能大大加快熱量及溫度在瀝青混凝土中的傳遞速率。

d.綜合上述，集熱融冰AC－16混合料石墨摻量最佳范圍為16%～20%，推薦摻量18%。

［1］ JTG E20—2011.公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［2］ JTG F40—2004.公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］ 李 波.導(dǎo)熱瀝青混凝土及其性能研究［D］.武漢：武漢理工大學，2008.

［4］ Wu S P，Mo L T，Shui Z H.Piezoresistivity of Graphite Modified Asphalt－based Composites［J］.Key Engineering Materials，2003，249：391－396.

［5］ Wu Shaopeng，Mo Liantong，Shui Zhonghe.Improvement of Electrical Properties of Asphalt Concrete［J］.J Wuhan Univ of Tech：Mater Sci Ed，2002，17（4）：69－72.