譚海勤

(湖南中大設計院有限公司， 湖南 長沙 410075)

0 引言

瀝青路面在我國高等級公路廣泛使用，具有平整度好、行車噪音小等優(yōu)點，但瀝青為溫度敏感性材料，高溫時粘度降低，在汽車荷載作用下容易產生車轍病害，影響路面使用壽命和行車安全，因而研究改善瀝青路面高溫抗車轍性能具有重要意義。實際應用中一般采取在瀝青中摻入改性劑提高其粘度、優(yōu)化路面結構和優(yōu)化級配等被動措施改善瀝青路面高溫抗車轍性能[1-5]，目前已取得一定效果，但瀝青路面高溫車轍病害依然嚴重。

近年來相關學者提出瀝青路面主動降溫技術[6-8]，其中相變?yōu)r青混合料引發(fā)較大關注，其原理為將相變材料摻入瀝青混合料，混合料受高溫輻射時相變材料吸熱儲存，使混合料溫度降低，而混合料溫度降低至相變材料結晶溫度時熱量釋放[9-10]，如此往復循環(huán)，可有效降低混合料高溫持續(xù)時間，提高瀝青路面的高溫抗車轍性能。為分析相變?yōu)r青混合料的調溫效果及路用性能，本文制備相變?yōu)r青混合料，研究相變材料配比和摻量對調溫效果的影響，并就相變?yōu)r青混合料路用性能進行試驗分析。

1 試驗概況

1.1 原材料

1) 瀝青

選用SBS(I-C)改性瀝青進行試驗研究，主要技術指標見表1。

表1 SBS(I-C)改性瀝青主要技術指標對比項目針入度(25 ℃,100 g,5 s)/0.1 mm延度(5 cm/min,5 ℃) /cm軟化點/℃密度/(g·cm-3)溶解度/%RTFOT后殘留物質量變化/%針入度比(25 ℃)/%延度(5 ℃)/cm試驗結果72.233.462.81.02899.40.157224.1技術要求60～80≥30.0≥55.0實測≥99.0≤±1.00≥60≥20.0

2) 集料和級配

粗細集料均采用玄武巖，填料為石灰?guī)r礦粉，級配采用SMA-13，其各篩孔通過率如表2所示。

表2 SMA-13集料級配通過下列篩孔(mm)的質量百分率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.07510095.065.134.227.322.216.114.513.210.8

3) 聚乙二醇和硅溶膠

采用聚乙二醇(PEG2000)和硅溶膠為原料制備PEG2000/SiO2復合定形相變材料，主要技術指標分別如表3、表4。

表3 PEG2000主要技術指標外觀(25 ℃)羥值/(mgKOH·g-1)凝固點/℃白色片狀固體51～6348～50

表4 硅溶膠主要技術指標外觀二氧化硅含量/%Na2O含量/%25 ℃粘度/(Pa·S)PH值密度/(g·cm-3)乳白色半透明液體300.2669.21.21

1.2 PEG2000/硅溶膠復合定形相變材料制備

按配比稱取PEG2000和硅溶膠溶液，將硅溶膠水浴加熱至60 ℃，摻入PEG2000使用電動攪拌機以300 r/min速率攪拌混合物至凝膠狀態(tài)后置于室溫陳化24 h，然后移入80 ℃烘箱中干燥至恒重，取出后研磨即可制得PEG2000/硅溶膠復合定形相變材料。

1.3 相變?yōu)r青混合料調溫效果試驗

采用輪碾法成型尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的相變?yōu)r青混合料試件，室溫放置24 h后在其底部中央鉆30 mm深孔，埋入溫度傳感器后將相變?yōu)r青混合料置于車轍試驗儀加熱(加熱溫度60 ℃)進行調溫效果試驗，記錄瀝青混合料內部溫度隨加熱時間變化規(guī)律，直至溫度達到60 ℃。

2 相變?yōu)r青混合料調溫效果

2.1 相變材料配比對瀝青混合料調溫效果影響

制備PEG2000與硅溶膠比例分別為3∶10、5∶10和7∶10的復合相變材料，以摻量為5%成型相應瀝青混合料進行調溫效果試驗，并以未摻相變材料的瀝青混合料作參照，結果如圖1所示。

圖1 相變材料配比對瀝青混合料調溫效果的影響

由圖1可知，溫度高于40 ℃后復合相變材料能有效降低瀝青混合料高溫持續(xù)時間。加熱時間小于60 min時，各組瀝青混合料溫度基本一致;而時間超過60 min后,摻有相變材料的瀝青混合料溫度逐漸低于普通瀝青混合料，但隨著時間延長，各組瀝青混合料溫度又趨于一致。分析原因為PEG2000相變溫度為40 ℃左右，溫度低于該值時相變材料不發(fā)揮作用，而高于此值時相變材料發(fā)生相變吸熱儲存，混合料溫度降低，隨著加熱時間進一步延長，相變材料儲熱達到極限，混合料溫度又逐漸接近加熱溫度，表明相變材料對混合料的作用表現為可降低其高溫持續(xù)時間。隨著復合相變材料中PEG2000比例提高，其降溫效果呈先提高后降低趨勢，其中PEG2000與硅溶膠配比為5∶10時,降溫效果最優(yōu)。同一加熱時間下PEG2000與硅溶膠配比分別為3∶10、5∶10和7∶10時，混合料溫度較普通瀝青混合料最大溫差分別為2.0 ℃、4.1 ℃和2.7 ℃，這是由于復合相變材料中僅PEG2000具有相變功能，PEG2000吸熱相變?yōu)橐后w后通過毛細管作用和表面張力作用吸附于硅溶膠三維網狀結構中，因而PEG2000比例提高時調溫效果相應提高，但其比例超出一定范圍后，硅溶膠不足以使液化的PEG2000穩(wěn)定聚集，此時PEG2000發(fā)生滲漏，調溫效果下降。

2.2 相變材料摻量對瀝青混合料調溫效果影響

制備PEG2000與硅溶膠配比為5∶10的復合相變材料，以摻量1%、3%、5%和7%分別制備相變?yōu)r青混合料進行調溫效果試驗，得出試驗過程中同一加熱時間條件下與普通瀝青混合料的最大溫差，如圖2所示。

圖2 相變材料摻量對瀝青混合料調溫效果的影響

由圖2可知，隨著相變材料摻量增加，對瀝青混合料的調溫效果逐漸提高，摻量為1%、3%、5%和7%的相變?yōu)r青混合料與普通瀝青混合料最大溫差分別為0.9 ℃、2.9 ℃、4.1 ℃和5.2 ℃。進行回歸分析發(fā)現，相變材料對瀝青混合料的調溫幅度與其摻量呈明顯的線性關系，相關分析中R2值達到0.977，由斜率值可知相變材料摻量每增加1%，其調溫幅度約增加0.705 ℃。

3 相變材料對瀝青混合料路用性能影響

3.1 高溫穩(wěn)定性

分別制備摻量為0%、1%、3%、5%和7%的相變?yōu)r青混合料，進行保溫時間為120 min和240 min(標準時間)的車轍試驗，輪壓0.7 MPa，結果如圖3所示。

圖3 相變材料對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響

由圖3可知，保溫時間為120 min的瀝青混合料，隨著相變材料摻量增加，其高溫穩(wěn)定性逐漸提高，但摻量超過5%后提高速率降低。相變材料摻量由0%增加至5%時，摻量每增加1%，瀝青混合料動穩(wěn)定度約提高286 次/mm;而摻量由5%增加至7%時，摻量每增加1%動穩(wěn)定度約提高56 次/mm，提高速率明顯降低。分析原因為保溫時間為120 min試驗條件下，摻有相變材料的瀝青混合料溫度較低，抗車轍性能較強。

而保溫時間為240 min的瀝青混合料，隨著相變材料摻量增加，其高溫穩(wěn)定性逐漸降低，尤其摻量超過3%后降低速率加大。相變材料摻量由0%增加至3%時，摻量每增加1%,瀝青混合料動穩(wěn)定度約降低111次/mm;而摻量由3%增加至7%時，摻量每增加1%,動穩(wěn)定度約降低280次/mm，降低速率提高了1.5倍。分析原因為保溫時間為240min試驗條件下，瀝青混合料中相變材料吸熱已飽和，混合料溫度與普通瀝青混合料相當，此時摻入的相變材料部分填充于粗集料骨架形成的空隙，部分影響粗集料間接觸狀況，因而高溫抗車轍性能變差，而相變材料摻量超過一定范圍時，對粗集料骨架的影響效應明顯，表現為抗車轍性能急劇下降。此外，相變材料摻量為3%時，瀝青混合料動穩(wěn)定度為3 542次/mm，明顯大于《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)對改性SMA瀝青混合料動穩(wěn)定度不小于3 000次/mm的要求，而相變材料摻量為5%時，動穩(wěn)定度為2 991次/mm，已不滿足規(guī)范要求，因此就高溫穩(wěn)定性方面考慮，建議瀝青混合料中相變材料摻量不大于3%。

3.2 低溫抗裂性

分別制備相變材料摻量為0%、1%、3%、5%和7%的瀝青混合料進行低溫小梁彎曲試驗，溫度-10 ℃，加載速率50 mm/min，結果如圖4所示。

圖4 相變材料摻量對瀝青混合料低溫抗裂性的影響

由圖4可知，隨著相變材料摻量增加，瀝青混合料低溫抗裂性呈先變好后變差趨勢，在摻量為3%時低溫抗裂性最優(yōu)。摻量為1%和3%的相變?yōu)r青混合料低溫最大彎拉破壞應變分別為3 822 με和4 014 με，較普通瀝青混合料分別提高130 με和322 με；而相變材料摻量繼續(xù)增加至5%和7%時，最大彎拉破壞應變分別為3 899 με和3 742 με，較3%的相變?yōu)r青混合料分別降低115 με和272 με。分析原因可能為相變材料摻量較低時其摻入改變了瀝青混合料的熱物理性質，此時降溫過程中混合料溫度應力累積速率減慢，從而與瀝青蠕變造成的應力松弛更加匹配，故低溫抗裂性提高，而摻量超過一定范圍后相變材料破壞了瀝青混合料的連續(xù)相，此時混合料因缺乏膠結料的粘附作用而容易產生開裂現象，因此就低溫抗裂性方面考慮建議瀝青混合料中相變材料摻量不大于3%。

3.3 水穩(wěn)定性

分別制備相變材料摻量為0%、1%、3%、5%和7%的瀝青混合料進行凍融劈裂試驗，結果如圖5所示。

圖5 相變材料摻量對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

由圖5可知，隨著相變材料摻量增加，瀝青混合料水穩(wěn)定性逐漸下降，尤其摻量超過5%后下降明顯。相變材料摻量由0%增加至5%時，其摻量每增加1%瀝青混合料凍融劈裂強度比約下降1.2%，而摻量由5%增加至7%時，摻量每增加1%凍融劈裂強度比約降低3.6%，分析原因為PEG2000和硅溶膠均為親水性材料，在凍融作用下容易受水侵蝕破壞，故瀝青混合料水穩(wěn)定性也相應降低。此外，相變材料摻量不大于5%時瀝青混合料凍融劈裂強度比均大于80%，滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)對改性SMA瀝青混合料水穩(wěn)定性的要求，故就水穩(wěn)定性而言建議瀝青混合料中相變材料摻量不大于5%。

4 結語

1) 溫度高于40 ℃后，PEG2000/硅溶膠相變材料能有效降低瀝青混合料高溫持續(xù)時間，且隨相變材料中PEG2000比例提高，其對瀝青混合料降溫效果呈先提高后降低趨勢；隨相變材料摻量增加，其對瀝青混合料降溫效果逐漸變好，降溫幅度與摻量呈明顯的線性關系。

2) 瀝青混合料升溫過程中，隨相變材料摻量增加，其高溫穩(wěn)定性逐漸提高，而瀝青混合料升溫穩(wěn)定后，增加相變材料時其高溫穩(wěn)定性逐漸降低。

3) 隨著相變材料摻量增加，瀝青混合料低溫抗裂性呈先變好后變差趨勢，在摻量為3%時低溫抗裂性最優(yōu)；隨相變材料摻量增加，瀝青混合料水穩(wěn)定性逐漸下降，尤其摻量超過5%后下降明顯。

4) 推薦采用PEG2000與硅溶膠配比為5∶10、摻量為3%制備相變?yōu)r青混合料，此時調溫效果優(yōu)良，且高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。