李 程，袁銅森，鄭 輝，王 勝

（1.湖南省高速公路管理局，湖南 長沙 410000；2.湖南省交通科學(xué)研究院，湖南 長沙 410000；3.湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲 412007；4.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

用于電融雪道路的導(dǎo)熱瀝青混凝土路用性能研究

李 程1，袁銅森2，鄭 輝3，王 勝4

（1.湖南省高速公路管理局，湖南 長沙 410000；2.湖南省交通科學(xué)研究院，湖南 長沙 410000；3.湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲 412007；4.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

在《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40-2004的基礎(chǔ)上結(jié)合SHRP高性能瀝青混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計方法對瀝青混合料配合比進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。以不摻入導(dǎo)熱填料的瀝青混合料級配為基礎(chǔ)配合比，分析確定摻入石墨后最佳油石比。同時，結(jié)合材料復(fù)合理論，對不同摻量石墨的導(dǎo)熱瀝青混凝土的路用性能及導(dǎo)熱性能進(jìn)行研究，分析確定石墨的最佳摻量。

導(dǎo)熱瀝青混合料；配合比；路用性能；導(dǎo)熱性能

0 引言

大量調(diào)查和研究顯示，路面狀況的好壞是影響道路交通的重要因素之一[1]。路面黑冰（薄冰）是湖南省山區(qū)高速公路的災(zāi)害性氣象之一，黑冰是由“凍雨”凝聚于低溫路面產(chǎn)生的冰層。同時，橋面完全暴露在空氣中，比路面更容易積雪結(jié)冰[2]。凍雨黑冰具有面積大，硬度高，厚度薄，不易鏟除，不易察覺等特點，在橋面、隧道洞口、急彎陡坡等特殊路段分布，對交通具有嚴(yán)重危害性。電熱融雪化冰技術(shù)是一種主動預(yù)防和清除道路積雪結(jié)冰的方法[3]，其原理是利用電能通過電纜或者導(dǎo)電路面材料加熱路面進(jìn)行融雪化冰，是一種安全、可靠高效、環(huán)保的融雪化冰手段[3～4]。為提高發(fā)熱電纜傳熱效率需在其上方設(shè)置導(dǎo)熱瀝青混凝土層。

瀝青混凝土是熱能的不良導(dǎo)體，需通過摻入導(dǎo)熱相填料改善其導(dǎo)熱性能。導(dǎo)熱材料依據(jù)物理性質(zhì)可分為金屬類和非金屬類，前者如銅、銀、鋁、鎳等，后者如碳基材料（炭黑、石墨、碳纖維）等[5]。導(dǎo)熱材料不但需要有良好的導(dǎo)熱性能，同時不應(yīng)對瀝青混凝土的路用性能產(chǎn)生較大的影響。石墨具有熱導(dǎo)率高，耐腐蝕性能好，與瀝青相容性強等優(yōu)點[5]。本文選擇石墨作為導(dǎo)熱瀝青混凝土填料，通過室內(nèi)試驗分析不同摻量石墨對瀝青混凝土性能影響，從而確定石墨最佳摻量。最后利用導(dǎo)熱系數(shù)儀分析摻入導(dǎo)熱材料前后導(dǎo)熱瀝青混凝土熱性能變化情況。

1 原材料

（1）瀝青

試驗瀝青采用SBS（I-D類）改性瀝青，其主要性能為：針入度（100 g，5 s，25℃）51，軟化點（環(huán)球法）86.5℃，135℃運動粘度1.98 Pa.S，延度（5℃，5 cm/min）27 cm，閃點330℃，25℃彈性恢復(fù)，94%；TFOT薄膜加熱試驗（163℃，5 h）后，質(zhì)量變化-0.028%，針入度比80.4%，5℃殘留延度16 cm。

（2）粗集料

試驗所用粗集料（粒徑不小于2.36 mm）采用玄武巖，主要技術(shù)性能為：表觀相對密度2.888 g/cm3，吸水率0.58%，壓碎值15.9%，磨耗值15.2%，與瀝青的粘附性等級5級，堅固性1.1%。

（3）細(xì)集料

試驗所用細(xì)集料（粒徑不大于2.36 mm）采用石灰?guī)r，主要技術(shù)性能為：表觀相對密度2.715 g/cm3，吸水率0.81%，砂當(dāng)量87%，棱角性（流動時間）44 s，

（4）礦粉

礦粉采用優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r磨制，主要技術(shù)性能為：表觀密度2.716 g/cm3，親水系數(shù)0.5，含水量0.4%。

（5）石墨

石墨采用山東南墅產(chǎn)鱗片狀石墨作為導(dǎo)熱相填料，主要技術(shù)性能為：密度2.1～2.3 g/cm3，粒徑150μm（100目），碳含量99.2%，灰分0.2%，鐵含量0.03%，電阻率2.4×10-6Ω.m。

2 試驗設(shè)計

利用材料復(fù)合理論將瀝青混合料作為一個多相系統(tǒng)，將石墨引入作為材料參數(shù)，通過改變石墨摻量，調(diào)節(jié)瀝青混合料性能。根據(jù)瀝青混凝土路用性能，結(jié)合瀝青混凝土導(dǎo)熱性能，分析確定石墨最佳摻量。通過對傳統(tǒng)瀝青混合料配合比設(shè)計方法進(jìn)行優(yōu)化，制備出路用性能強、導(dǎo)熱性能好的瀝青混凝土。

（1）根據(jù)集料篩分結(jié)果初步選定級配，并通過馬歇爾試驗測定混合料試件毛體積相對密度、表觀相對密度。根據(jù)規(guī)范計算粗集料松裝間隙率、粗集料骨架間隙率、空隙率、集料間隙率、瀝青飽和度等指標(biāo)對級配進(jìn)行調(diào)整，確定不摻入石墨的優(yōu)化級配及最佳油石比。

（2）石墨摻量的選用分別為0、4%、8%、12%、16%、20%、24%（其中石墨的摻量為石墨質(zhì)量代替礦粉質(zhì)量的百分比），通過車轍試驗、低溫彎曲梁試驗、凍融劈裂試驗分析石墨對瀝青混合料高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性能影響。

（3）用熱流計法導(dǎo)熱系數(shù)測試儀測試并研究石墨對瀝青混凝土導(dǎo)熱性能影響。

2.1 導(dǎo)熱瀝青混凝土配合比設(shè)計

SMA-13型瀝青混凝土，屬于骨架密實結(jié)構(gòu)。SMA混合料的配合比設(shè)計原則體現(xiàn)在兩個方面：一是粗集料顆?；ハ嗲稊D組成高穩(wěn)定性的“石-石骨架”結(jié)構(gòu)；二是由細(xì)集料、瀝青結(jié)合料和穩(wěn)定添加劑組成的瀝青瑪蹄脂填充“骨架”間隙，并將“骨架”膠結(jié)在一起，瀝青瑪蹄脂應(yīng)略有富余，以使混合料獲得較好的柔韌性和耐久性。SMA-13瀝青混合料礦料的級配范圍應(yīng)符合表1的要求。

表1 SMA-13瀝青混合料級配要求表

在《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40-2004的基礎(chǔ)上結(jié)合SHRP高性能瀝青混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計方法，設(shè)計3組不同的初試級配，預(yù)估適宜的油石比，進(jìn)行馬歇爾試驗確定設(shè)計級配，計算結(jié)果見表2，最終組配曲線見圖1。

表2 設(shè)計級配組成

圖1 SMA-13級配曲線

分別按這三組級配測定4.75 mm以上粗集料的毛體積相對密度、全部礦料的毛體積相對密度及4.75 mm以上粗集料松方相對密度，并計算4.75 mm以上粗集料的VCADRC結(jié)果見表3。

表3 礦料級配技術(shù)參數(shù)表

根據(jù)已建類似工程的SMA-13瀝青混合料的油石比，以5.9%的預(yù)估油石比作為SMA-13的馬歇爾試件的初試油石比，并在成型時按混合料質(zhì)量的0.4%摻入絮狀木質(zhì)素纖維。其試驗結(jié)果見表4。

表4 礦料級配技術(shù)參數(shù)表

從3組初試級配的試驗結(jié)果得到級配2和級配3符合VCAmix≤VCADRC及VMA≥16.5%的要求，其中級配2的4.75 mm篩孔的通過率較大，因此確定級配2為設(shè)計級配。

2.2 最佳油石比

根據(jù)上述設(shè)計級配及初試油石比（5.9%），以0.4%為間隔，調(diào)整3個不同的油石比，制作試件進(jìn)行馬歇爾試驗，結(jié)果見表5。

表5 瀝青混合料馬歇爾試驗

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）中最佳油石比的計算方法，確定瀝青混合料的最佳油石比為5.9%。

根據(jù)經(jīng)驗，石墨相對礦粉更容易吸油，吸油率差約為0.5。因此，不同石墨摻量的油石比計算如下：

式中：MS為最佳油石比，%；S為石墨摻量，%；K為礦粉占混合料質(zhì)量比，%；a為吸油率差，0.5；M為未摻入石墨時最佳油石比，5.9%。

因此，石墨摻量0、4%、8%、12%、16%、20%、24%的最佳油石比分別為：5.9%、6.1%、6.3%、6.5%、6.7%、6.85%、7.0%。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 石墨摻量對瀝青混合料路用性能影響

（1）高溫穩(wěn)定性試驗

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）規(guī)定的試驗方法對不同石墨摻量條件下瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗，試驗結(jié)果見圖2。

圖2 石墨摻量對混合料動穩(wěn)定度的影響

由圖2可以看出，瀝青混合料動穩(wěn)定度隨著石墨摻量的增加而增加，當(dāng)摻入的石墨質(zhì)量代替礦粉質(zhì)量的比例由0%增加至20%時，動穩(wěn)定度由10 328次 /mm增加至 11 052次 /mm，增加了7.01%。說明石墨的摻入增加了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能，但當(dāng)石墨摻量增加至20%之后，動穩(wěn)定度有所回落。

（2）水穩(wěn)定性試驗

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）規(guī)定的試驗方法對不同石墨摻量條件下瀝青混合料進(jìn)行凍融劈裂試驗及浸水馬歇爾試驗，試驗結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 石墨摻量對混合料凍融劈裂的影響

圖4 石墨摻量對混合料殘留穩(wěn)定度的影響

從圖3可以看出，瀝青混合料凍融劈裂值隨著石墨摻量的增加而減小，當(dāng)摻入的石墨質(zhì)量代替礦粉質(zhì)量的比例由0%增加至24%時，凍融劈裂值由92.8%降低至90.1%，降低了2.91%。說明石墨的摻入降低了瀝青混合料的低溫抗水損害性能，但是仍遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定的80%的要求。

從圖4可以看出，瀝青混合料殘留穩(wěn)定度值隨著石墨摻量的增加而減小，當(dāng)摻入的石墨質(zhì)量代替礦粉質(zhì)量的比例由0%增加至24%時，殘留穩(wěn)定度值由95.3%降低至92.2%，降低了3.25%。說明石墨的摻入降低了瀝青混合料的高溫抗水損害性能。但是仍遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定的85%的要求。

（3）低溫彎曲梁試驗

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）規(guī)定的試驗方法對不同石墨摻量條件下的瀝青混合料進(jìn)行低溫彎曲梁試驗，試驗結(jié)果見圖5。

圖5 不同石墨摻量條件下瀝青混合料低溫彎曲梁試驗

從圖5可以看出，瀝青混合料破壞應(yīng)變隨著石墨摻量的增加而減小，當(dāng)摻入的石墨質(zhì)量代替礦粉質(zhì)量的比例由0%增加至24%時，破壞應(yīng)變值由2 943.6降低至2 543.1，降低了13.67%。說明石墨的摻入降低了瀝青混合料的低溫性能。但是仍大于規(guī)范規(guī)定的2 500的要求。

3.2 石墨摻量對瀝青混合料導(dǎo)熱性能影響

導(dǎo)熱系數(shù)是表征材料導(dǎo)熱能力的物理量，對于不同的材料，導(dǎo)熱系數(shù)是不同的。穩(wěn)態(tài)平板法是一種應(yīng)用一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)的方法，可以用來進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的測定試驗，是根據(jù)在一維穩(wěn)態(tài)情況下通過平板的導(dǎo)熱量Q和平板兩面的溫差Δt成正比，和平板的厚度δ成正比，以及和導(dǎo)熱系數(shù)λ成正比的關(guān)系來設(shè)計的。

測量時，如果將平板兩面的溫差Δt=tR-tL（tR和tL分別為熱板和冷板的溫度），平板厚度δ，垂直熱流方向的導(dǎo)熱面積F和Q通過平板的熱流量測定以后，就可以根據(jù)下式得出導(dǎo)熱系數(shù)。

參考標(biāo)準(zhǔn)：GB/T10295-2008（絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定熱流計法）及ASTM C518-04用熱流計法測定穩(wěn)態(tài)熱通量和熱傳遞特性的試驗方法。

（1）試驗試件

被測試試驗每種材料做成6塊方形薄壁平板試塊，面積為200 mm×200 mm，實際計算導(dǎo)熱面積為100 mm×100 mm，試塊厚度為（實測）。

（2）試驗方法和步驟

a.對試塊的上、下表面進(jìn)行磨平處理，并在表面涂上導(dǎo)熱系數(shù)較大的導(dǎo)熱油，并測量試件的厚度，每個面測三個點，最后取平均值。

b.將試塊平穩(wěn)地放置在導(dǎo)熱系數(shù)儀的冷熱板之間，通過轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤夾緊試件，須確保上下表面與冷熱板接觸緊密，無空氣間隙。

c.啟動儀器，設(shè)置好冷板溫度、熱板溫度、試件厚度，啟動加熱和制冷系統(tǒng)，對試塊進(jìn)行測試，等到冷熱板之間達(dá)到熱平衡，各項參數(shù)恒定，系統(tǒng)會提示試驗測試可以計數(shù)。測試條件為冷板20℃，熱板50℃，即平均溫度為35℃下的導(dǎo)熱系數(shù)。試驗儀器見圖6。

圖6 熱流計法導(dǎo)熱系數(shù)測試儀

（3）試驗結(jié)果

本研究對石墨不同摻量的瀝青混凝土分別制作3塊瀝青混凝土試件。根據(jù)上述試驗方法對混合料的導(dǎo)熱性能進(jìn)行分析。試驗結(jié)果見圖7。

圖7 試驗試件

從圖8可以看出，瀝青混合料導(dǎo)熱性能隨著石墨摻量的增加而增加，當(dāng)摻入的石墨質(zhì)量代替礦粉質(zhì)量的比例由0%增加至24%時，導(dǎo)熱系數(shù)由1.46增加至1.68，增加了15.1%。占瀝青混合料總質(zhì)量的1%左右的石墨的摻入，瀝青混合料導(dǎo)熱性能增加了15.1%，效果顯著。

圖8 試驗結(jié)果

4 結(jié)語

本文在《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40-2004的基礎(chǔ)上結(jié)合SHRP高性能瀝青混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計方法對瀝青混合料配合比進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。同時，對不同摻量石墨的導(dǎo)熱瀝青混凝土的路用性能及導(dǎo)熱性能進(jìn)行研究，主要得到以下結(jié)論：

（1）瀝青混合料動穩(wěn)定度隨石墨的摻量的增加而增加；石墨摻量大于20%之后，瀝青混合料抗高溫性能有所削弱。

（2）瀝青混合料凍融劈裂值及殘留穩(wěn)定度值隨石墨的摻量的增加而減?。划?dāng)石墨摻量由0%增加至24%時，凍融劈裂值及殘留穩(wěn)定度值分別降低了2.91%、3.25%。

（3）瀝青混合料破壞應(yīng)變值隨石墨的摻量的增加而減小；當(dāng)石墨摻量由0%增加至24%時，破壞應(yīng)變減小了13.67%，影響較大。

瀝青混合料導(dǎo)熱性能隨著石墨摻量的增加而增加；當(dāng)石墨摻量由0%增加至24%時，導(dǎo)熱系數(shù)增加了15.1%，效果顯著。

綜合上述，導(dǎo)熱瀝青混凝土SMA-13中石墨摻量最佳范圍為15%～20%，推薦摻量20%。

[1]朱錄濤.電熱融雪化冰混凝土路面研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].建材世界,2011,32(2):30-31.

[2]趙宏明-布置碳纖維發(fā)熱線的混凝土路面及橋面融雪化冰試驗研究[D].遼寧大連:大連理工大學(xué),2007/

[3]管數(shù)園.電纜加熱系統(tǒng)進(jìn)行融雪的數(shù)值分析研究[D].上海:上海交通大學(xué),2008.

[4]武海琴.發(fā)熱電纜用于路面融雪化冰的技術(shù)研究[D].北京:北京工業(yè)大學(xué),2005.

[5]張永健,袁玉卿,楊玲.矮寨特大橋融雪防冰電發(fā)熱瀝青混凝土試驗研究[J].中外公路,2011,31(6):29-30.

[6]JTG F40-2004,公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].

[7]JTG E20-2011,公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[S]/

[8]馬濤,黃曉明,張久鵬.基于材料復(fù)合理論的老化瀝青再生規(guī)律[J].東南大學(xué)學(xué)報,2008,38(3):520-524.

鄭州將建飲用水水質(zhì)在線監(jiān)測、預(yù)警系統(tǒng)

2017年鄭州市衛(wèi)生計生工作會近日召開,會上公布了2017年民生十大實事，其中，今年鄭州將新建飲用水水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)和預(yù)警系統(tǒng)，布局到全市居民飲用水的末端，隨時對渾濁度、水溫、余氯、pH值等多項衛(wèi)生指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)測、主動預(yù)警。市區(qū)600萬居民飲用水安全將得到有效保障。同時，今年鄭州市將啟動城市公立醫(yī)院綜合改革，一系列與健康相關(guān)的民生項目也將惠及更多市民。

新的監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)對飲用水渾濁度、水溫、余氯、pH值等多項衛(wèi)生指標(biāo)數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，一旦監(jiān)測指標(biāo)出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)能夠第一時間發(fā)出預(yù)警信息，便于衛(wèi)生執(zhí)法人員及時介入，準(zhǔn)確采取應(yīng)急措施，避免事態(tài)擴大。

按照鄭州市區(qū)600萬人計算，每15萬人口一個監(jiān)測點的網(wǎng)絡(luò)布局，鄭州市需要建設(shè)至少40個水質(zhì)自動在線監(jiān)測點。

這些建設(shè)工作已經(jīng)啟動，并在穩(wěn)步實施中。目前，京、滬、杭等國內(nèi)城市已經(jīng)開始了相同系統(tǒng)的應(yīng)用。

U414

B

1009-7716（2017）04-0182-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.054

2017-02-23

湖南省交通運輸廳科技進(jìn)步與創(chuàng)新項目（201413）。

李程（1977-），男，湖南瀏陽人，工程師，從事公路橋梁管理工作。