商曉儒

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

0 引言

瀝青路面廣泛地應(yīng)用于我國的高速公路和城市道路中，但其在使用過程中也存在一定的缺陷，一方面，瀝青作為一種對(duì)太陽輻射吸熱率極高的材料用于瀝青路面中，路表面的溫度很容易升高，直接導(dǎo)致瀝青混合料的承載能力下降，在車輛荷載反復(fù)作用下，很容易出現(xiàn)高溫車轍[1]；另一方面，瀝青路面在城市道路使用過程中釋放的路面長波輻射能量，再加上如此密集的城市建筑物和人群，將進(jìn)一步加劇城市的“熱島效應(yīng)”，使得城市中心溫度比郊區(qū)溫度高出數(shù)10℃[2]。

目前，解決瀝青路面高溫車轍的方法主要有優(yōu)化混合料級(jí)配設(shè)計(jì)、選用改性瀝青和摻加抗車轍劑三種[3]，雖然對(duì)減小高溫車轍有一定作用，但不能從根本上解決瀝青路面升溫問題。而對(duì)于城市“熱島效應(yīng)”問題，大部分地區(qū)還是通過種植花草樹木、增加綠地面積等傳統(tǒng)方法來解決，雖然能起到一定的作用，但是忽略了引起“熱島效應(yīng)”問題的根本原因，其主要是與瀝青路面和城市建筑群體分布有直接關(guān)系。因而，亟需一種方法從根本上解決瀝青路面升溫問題。

通過收集和查閱國內(nèi)外瀝青路面降溫技術(shù)的相關(guān)資料知，瀝青路面降溫技術(shù)可以從根本上解決路面升溫問題[4-5]，具有良好的應(yīng)用前景。通過對(duì)瀝青混合料比熱容測(cè)試方法和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法的研究，提出更準(zhǔn)確的熱物理參數(shù)測(cè)試方法和儀器，利用選定的測(cè)試方法和儀器，分析瀝青種類、集料類型、空隙率和級(jí)配類型對(duì)瀝青混合料比熱容及阻熱性能的影響，為熱阻罩面原材料選擇提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)與材料

1.1 瀝青

選用SK90#基質(zhì)瀝青、殼牌70#基質(zhì)瀝青和SBS1-C改性瀝青進(jìn)行瀝青混合料熱物理特性研究，瀝青試驗(yàn)指標(biāo)按《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)的要求進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)測(cè)試，三種瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG-2004)的技術(shù)要求，其測(cè)試結(jié)果見表1和表2。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 SBS1-C改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 集料

為了研究不同集料對(duì)瀝青混合料熱物理參數(shù)的影響，選擇四種道路上常用集料(輝綠巖、石灰?guī)r、閃長巖、花崗巖)進(jìn)行瀝青混合料熱物理特性研究，巖石巖性分析結(jié)果見表3～表6。

表3 輝綠巖巖性分析結(jié)果

表4 石灰?guī)r巖性分析結(jié)果

表5 閃長巖巖性分析結(jié)果

表6 花崗巖巖性分析結(jié)果

1.3 礦粉

礦粉由石灰?guī)r磨制而成，技術(shù)指標(biāo)見表7。

表7 礦粉主要技術(shù)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方案

為研究瀝青種類、集料種類、混合料空隙率和級(jí)配類型對(duì)混合料比熱容的影響，采用控制單一變量的原則，研究各因素對(duì)混合料比熱容的影響，級(jí)配均采用中值級(jí)配，試驗(yàn)試件按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中的方法成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，測(cè)試不同混合料類型馬歇爾試件的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)。

2.1 比熱容測(cè)試方法

比熱容是反應(yīng)材料儲(chǔ)存能量大小的一個(gè)參數(shù)，比熱容越大，則表明該材料儲(chǔ)存能量的能力更強(qiáng)。目前常見的測(cè)試方法常用比較法、絕熱法、混合法、電脈沖加熱法、衡量熱計(jì)法等測(cè)試材料的比熱容[6]。采用自主研發(fā)的比熱容測(cè)試儀器進(jìn)行測(cè)量，是混合法和絕熱法的結(jié)合，測(cè)試儀如圖1和圖2所示。

圖1 比熱容量熱器

圖2 溫度采集儀

2.2 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法

導(dǎo)熱系數(shù)是反應(yīng)材料導(dǎo)熱能力大小的一個(gè)參數(shù)，材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大，表明它的導(dǎo)熱能力越強(qiáng)。選用瞬態(tài)熱線法測(cè)量混合料的導(dǎo)熱系數(shù)。

3 混合料比熱容影響因素研究

3.1 瀝青種類對(duì)混合料比熱容的影響

選擇殼牌70#基質(zhì)瀝青、SK90#基質(zhì)瀝青及SBS1-C改性瀝青，OGFC-10中值級(jí)配，輝綠巖，瀝青用量為5.1%，分別成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見圖3。

圖3 混合料比熱容與瀝青種類的關(guān)系

由圖3試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用不同瀝青種類成型的混合料，其比熱容大小存在一定差異，其中，用SBS1-C改性瀝青成型的混合料比熱容明顯比兩種基質(zhì)瀝青成型的混合料比熱容大；而兩種基質(zhì)瀝青之間，殼牌70#瀝青成型的混合料比熱容比SK90#大，結(jié)合表1知，這與瀝青密度有關(guān)系，瀝青密度越大，成型的混合料比熱容就越大。

3.2 集料種類對(duì)混合料比熱容的影響

為研究集料種類單一因素對(duì)混合料比熱容的影響，取石灰?guī)r、閃長巖、輝綠巖及花崗巖四種集料進(jìn)行比熱容的測(cè)定，取OGFC-10中值級(jí)配，瀝青為SBS1-C，瀝青用量為5.1%，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 瀝青混合料比熱容與集料種類的關(guān)系

由試驗(yàn)結(jié)果知，在瀝青種類、瀝青用量和級(jí)配類型均相同的情況下，四種集料成型的試件比熱容大小為：輝綠巖>閃長巖>石灰?guī)r>花崗巖，這與巖石的巖性組成有關(guān)，結(jié)合表3～表6，從各巖石巖性組成比例分析，這不是由單一巖性組成所決定的，是由多種巖性組成共同作用的。

3.3 混合料空隙率對(duì)混合料比熱容的影響

為了控制空隙率單一變量對(duì)瀝青混合料比熱容的影響，選擇級(jí)配類型為OGFC-10，采用中值級(jí)配，集料選用輝綠巖，瀝青選用SBS1-C改性瀝青，瀝青用量為5.1%，通過采用不同擊實(shí)次數(shù)來獲得不同的空隙率，35、50、65、70次的擊實(shí)次數(shù)下對(duì)應(yīng)的混合料空隙率分別為18.1%、15.6%、13.9%、13.1%，測(cè)試結(jié)果見圖5。

圖5 瀝青混合料比熱容與混合料空隙率的關(guān)系

由試驗(yàn)結(jié)果知，瀝青混合料比熱容隨混合料空隙率的增大而增大，這是因?yàn)榛旌狭峡障对酱螅障吨刑畛涞目諝庠蕉?，原來用混合料填充的部分被空氣所取代，而空氣散熱能力又比混合料散熱能力差，所以空隙率大的混合料?chǔ)熱能力更強(qiáng)，比熱容也就越大。

3.4 級(jí)配類型對(duì)比熱容的影響

為研究級(jí)配類型對(duì)混合料比熱容的影響，選擇AC-10、OGFC-10和SMA-10三種級(jí)配類型，采用中值級(jí)配，選用SBS1-C改性瀝青，瀝青用量分別為4.7%、5.1%、6.1%。按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的方法成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，測(cè)試結(jié)果見圖6。

圖6 瀝青混合料比熱容與級(jí)配類型的關(guān)系

由試驗(yàn)結(jié)果知，三種級(jí)配混合料的比熱容大小依次為：SMA-10>OGFC-10>AC-10，這是由于SMA-10混合料的瀝青用量最多，瀝青吸熱儲(chǔ)熱能力更強(qiáng)，因而比熱容最大。OGFC-10混合料與AC-10混合料相比，其空隙率更大，瀝青用量更多，所以比熱容比AC-10大。

4 混合料導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻能力影響因素研究

導(dǎo)熱系數(shù)是反應(yīng)材料導(dǎo)熱能力大小的一個(gè)參數(shù)，材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大，表明它的導(dǎo)熱能力越強(qiáng)。而熱擴(kuò)散系數(shù)是綜合度量材料導(dǎo)熱能力和儲(chǔ)存能力的一個(gè)指標(biāo)，熱擴(kuò)散系數(shù)小的材料對(duì)其所處熱環(huán)境的改變反應(yīng)較慢，需要更長的時(shí)間才能達(dá)到熱平衡狀態(tài)，因而內(nèi)部升溫較慢，材料的阻熱能力更強(qiáng)。熱擴(kuò)散系數(shù)α計(jì)算公式如下：

式中：α—材料熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

k—材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

ρ—材料密度，kg/m3；

c—材料比熱容，J/(kg·K)。

(1)瀝青對(duì)混合料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散能力的影響

選擇殼牌70#基質(zhì)瀝青、SK90#基質(zhì)瀝青及SBS1-C改性瀝青，級(jí)配類型選用OGFC-10級(jí)配中值，集料類型選用輝綠巖，瀝青用量為5.1%，分別成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見表8。

表8 不同瀝青熱物理參數(shù)

圖7 混合料熱物理參數(shù)與瀝青種類的關(guān)系

由試驗(yàn)結(jié)果知，三種瀝青的導(dǎo)熱系數(shù)大小為：SBS1-C>殼牌70#>SK90#，SBS1-C改性瀝青成型的混合料導(dǎo)熱系數(shù)比兩種基質(zhì)瀝青成型的混合料導(dǎo)熱系數(shù)大；而兩種基質(zhì)瀝青之間，殼牌70#瀝青成型的混合料導(dǎo)熱系數(shù)比SK90#大，結(jié)合表1知，這與瀝青密度有關(guān)系，瀝青密度越大，成型的混合料導(dǎo)熱系數(shù)就越大。而熱擴(kuò)散系數(shù)大小為：SK90#>殼牌70#>SBS1-C，故三種瀝青的阻熱能力大小順序?yàn)椋篠BS1-C>殼牌70#>SK90#。

(2)集料對(duì)混合料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散能力的影響

取石灰?guī)r、閃長巖、輝綠巖及花崗巖四種集料進(jìn)行混合料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定，取OGFC-10中值級(jí)配，瀝青為SBS1-C改性瀝青，瀝青用量為5.0%，測(cè)試結(jié)果見表9。

表9 不同集料熱物理參數(shù)

由圖8可知，各集料成型混合料的導(dǎo)熱系數(shù)大小和熱擴(kuò)散系數(shù)大小均為：花崗巖>閃長巖>石灰?guī)r>輝綠巖，且各巖石之間的導(dǎo)熱系數(shù)差別還很明顯，究其原因，主要是各集料的巖性及其組成比例均存在一定的差別而造成的；用輝綠巖作為混合料集料時(shí)，混合料熱阻能力最強(qiáng)，而用閃長巖作為混合料集料時(shí)熱阻能力最弱。

圖8 混合料熱物理參數(shù)與集料種類的關(guān)系

(3)空隙率對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散能力的影響

為研究空隙率對(duì)瀝青混合料導(dǎo)熱系數(shù)的影響，選擇OGFC-10中值級(jí)配，集料選用輝綠巖，瀝青選用SBS1-C改性瀝青，通過采用不同擊實(shí)次數(shù)來獲得不同的空隙率，35、50、65、70次的擊實(shí)次數(shù)下對(duì)應(yīng)的混合料空隙率分別為18.1%、15.6%、13.9%、13.1%，測(cè)試結(jié)果見表10。

表10 瀝青混合料不同空隙下的熱物理參數(shù)

由圖9知，混合料的空隙率越大，其導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)越小，是由于空隙率越大，空隙中存在的空氣越多，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)比混合料的小，因而隨著瀝青混合料的空隙率增大，其導(dǎo)熱系數(shù)也越小。材料熱擴(kuò)散系數(shù)與材料導(dǎo)熱系數(shù)成正比，故混合料熱擴(kuò)散系數(shù)隨混合料空隙率增大而減小，熱阻性能隨空隙率增大而增強(qiáng)。

圖9 混合料熱物理參數(shù)與混合料空隙率的關(guān)系

(4)級(jí)配類型對(duì)混合料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散能力的影響

選擇AC-10、OGFC-10和SMA-10三種混合料中值級(jí)配，瀝青種類和用量與3.4一樣，測(cè)定各試件的導(dǎo)熱系數(shù)，其結(jié)果見表11和圖10。

表11 不同混合料級(jí)配的熱物理參數(shù)

圖10 混合料熱物理參數(shù)與級(jí)配類型的關(guān)系

由表11和圖10試驗(yàn)結(jié)果知，各混合料導(dǎo)熱系數(shù)與熱擴(kuò)散系數(shù)大小均為：AC-10>SMA-10>OGFC-10，這說明級(jí)配類型對(duì)混合料導(dǎo)熱系數(shù)有一定的影響，OGFC-10混合料的毛體積密度最小，空隙率最大，故OGFC-10混合料的導(dǎo)熱系數(shù)與熱擴(kuò)散系數(shù)均最小，熱阻能力也最強(qiáng)。

5 結(jié)論

研究了集料種類、瀝青種類、混合料空隙率和級(jí)配類型對(duì)混合料阻熱性能的影響，得出以下結(jié)論：

(1)各瀝青種類間導(dǎo)熱系數(shù)大小、比熱容大小均為：SBS1-C>殼牌70#>SK90#；熱阻能力大小為：SBS1-C>殼牌70#>SK90#。

(2)集料導(dǎo)熱系數(shù)大小依次為：花崗巖>閃長巖>石灰?guī)r>輝綠巖；比熱容大小為：輝綠巖>閃長巖>石灰?guī)r>花崗巖；而熱阻性能為：輝綠巖>花崗巖>石灰?guī)r>閃長巖。

(3)混合料導(dǎo)熱系數(shù)大小為：AC-10>SMA-10>OGFC-10；比熱容大小為：SMA-10>OGFC-10>AC-10；熱阻性能大小為：OGFC-10>SMA-10>AC-10。

(4)混合料導(dǎo)熱系數(shù)隨混合料空隙率增大而減小，比熱容剛好相反，而混合料的熱阻性能也是隨著混合料空隙率的增大而越來越好。

(5)推薦熱阻薄層罩面原材料選用輝綠巖和SBS1-C改性瀝青，級(jí)配類型選用OGFC-10，而混合料空隙率由于直接影響到混合料路用性能，所以需結(jié)合混合料路用性能后才能確定。