相變自調溫材料在瀝青路面中的應用

張瑜

（甘肅省交通科學研究院集團有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 前言

瀝青混合料有明顯的溫度敏感性，大量研究表明，環境影響因素尤其是溫度對瀝青路面的工作性能有顯著影響[1]。為減輕因溫度產生的瀝青路面病害，本研究從瀝青混凝土內部出發，以主動形式探索改變路面抵抗溫度適應性能力[2]，抑制路面熱脹冷縮產生的車轍、開裂等現象，為減少冬季或寒冷區域路面結冰而引發交通事故率、保障交通運輸效率和運營效益探究新的研究方向。

基于相變材料的材料特性，在一定的相變轉換溫度下會發生熱量的吸收或釋放[3]，經廣泛驗證，添加相變材料可主動控制瀝青混合料的路面溫度[4-6]。由于材料的多樣性，相變自調溫路面還需進一步研究。本文將理論分析和室內試驗相結合，研究不同比例的相變材料對瀝青混合料性能的影響，結合實際工程應用，通過紅外熱成像儀所得已鋪筑DTC自調溫相變技術路面的溫度，系統研究混合料配合比設計和實際調溫效果的對應關系。

1 溫度調節機理及技術優勢

在一定的溫度環境下，加入相變材料，瀝青和相變材料發生化學鍵的斷裂與重組，具有瀝青改性作用，能進一步提高瀝青的性能指標，測試表明，其能夠提高瀝青在高溫下軟化點，降低低溫脆點。當環境溫度發生急劇變化時，路面會產生黑色冰層，而利用太陽能蓄熱，添加相變材料的瀝青混合料在一定溫度下可釋放熱量，進行主動式調控瀝青路面與環境的溫差，預防路面黑冰的產生。路面相變材料通過能量的儲存和釋放實現主動式智能化的調節路面溫度，從而提高瀝青混合料的使用性能，提高其環境適應性，有效避免溫度敏感性對瀝青混合料的影響，降低環境溫度變化的影響，延長瀝青路面的使用壽命，降低全生命周期瀝青路面的綜合養護成本。

此外，添加相變材料的瀝青混合料施工技術操作簡單，基本不影響原有瀝青混合料的制備流程。在瀝青噴灑后10-12s，從混凝土拌合站的觀察口將相變材料一次性放入攪拌裝置中即可，且不影響攪拌時間。該過程不需要復雜的流程工藝，也不需要添加額外的改裝拌合站生產設備，對外界環境無污染。

2 瀝青混合料的配合比設計

以甘肅省內G30連霍高速公路的某試驗路段為測試路段。該路段地處河西走廊，冬季寒冷漫長，路面冰雪嚴重，且部分路段處于連續下坡路段，更加劇了路面冰雪的危險性，嚴重影響行車安全。

2.1 維修方案

調查發現，路面病害主要表現為縱向裂縫及大面積的橫向裂縫，初步分析路面病害的原因是該公路服役時間較長，原路面面層瀝青老化嚴重，基層強度衰減，導致基層裂縫反射至路面。路面維修方案如下：先銑刨5cm原有面層，對裂縫、沉陷等病害進行處置和清掃，再加鋪1cm的應力吸收層，然后鋪筑4cm細粒式瀝青混凝土Sup-13，面層瀝青混合料中摻加0.35%相變材料[7]。

2.2 原材料

2.2.1 瀝青

工程使用的瀝青為蘭州天琛物資有限公司生產的SBS-I-C聚合物改性瀝青，其指標滿足規范要求。試驗結果見表1。

表1 瀝青試驗結果匯總

2.2.2 礦粉

礦粉源自甘肅永昌玉輝工程有限公司，由石灰巖扎制的石料研磨得到，檢測指標符合規范要求。試驗結果見表2。

表2 礦粉試驗結果匯總

2.2.3 集料

所用集料源自山丹東樂碎石場，分為四種規格，集料檢測結果符合規范要求。試驗結果見表3。

表3 集料篩分及密度試驗結果匯總

2.2.4 相變材料

使用市場上廣泛應用的一種穩定型固固相變DTC材料，該相變材料的潛熱值達到70kJ/kg，每平方米相變材料瀝青混合料潛熱值可達22.9kJ/kg，焓值衰減率小于5.0%。

2.3 混合料配合比設計

道路調溫相變材料的摻加量應根據項目所在區域的氣候環境綜合考慮和驗證，摻加量不得大于0.45%或小于0.30%，混合使用比例按0.05%的梯度進行調整。摻入道路調溫相變材料對瀝青混合料的常規配合比設計不產生影響。

2.4 加入相變材料混合料的性能驗證

為深入研究相變材料的不同摻量和配比對瀝青混合料性能的影響，對自調溫瀝青混合料進行了劈裂強度、凍融劈裂、穩定性和低溫抗裂性測試。結果表明，道路自調溫瀝青混合料在合理摻量下各項指標均滿足規范要求，各項性能均在控制范圍內。該混合料的凍融劈裂試驗結果見表4。試驗表明，隨著自調溫相變材料摻量在一定范圍內的增加，該瀝青混合料的凍融劈裂強度呈現先增大后減小的趨勢，符合相關規范要求。

表4 自調溫瀝青混合料凍融劈裂測試

2.5 驗證試驗結果

依據目標配合比，最佳油石比5.1%，按比例配料，進行室內馬歇爾、車轍板等試驗驗證。經檢測，各項指標均滿足要求。

3 工程應用效果評價

3.1 夏季應用效果

采用紅外熱像儀對普通路段和添加相變材料試驗段的溫度進行監測。結果表明，添加了道路調溫相變材料的路面溫度比普通路面低7℃左右。試驗結果見圖1和圖2，實際溫度數據見表5和表6。

圖1 夏季普通路面紅外熱成像

圖2 夏季相變材料路面紅外熱成像

表5 夏季相變材料路段路面溫度

表6 夏季普通路面溫度

3.2 冬季應用效果

采用紅外熱像儀對冬季試驗道路和普通道路的溫度數據進行監測。結果表明，添加相變材料的路面溫度比普通路面高4.5℃。測試結果見圖3和圖4，實際溫度數據見表7和表8。

表7 冬季相變材料路段路面溫度

表8 冬季普通路面溫度

圖3 冬季普通路面紅外熱成像

圖4 冬季相變材料路面紅外熱成像

利用紅外熱像儀對冬季相變材料路面溫度與普通路段進行對比，可直接反映兩條道路的溫差(紅色為添加相變材料的路段，藍色為普通路段)。結果如圖5所示。

圖5 冬季路面整體溫度對比

本試驗將試驗路段與普通瀝青路面進行了全時對比。結果表明，在相同環境下，采用相變材料的路段溫度比未采用相變材料的路段高2.5～7.2℃，特別是當普通路面的溫度小于-10℃時，相變材料路面的溫度在-5℃以內，提高了瀝青路面對極低溫和大溫差環境的適應性，溫度調節效果明顯。路面溫度隨時間變化曲線如圖6所示。

圖6 全時段路面溫度監測

添加道路相變調溫材料路面可吸收太陽光能量，在低溫環境下釋放熱量，降低溫度變化引起的路面病害，有效消除公路黑冰層。現場觀測發現，普通路段路面結冰亮滑，而添加相變材料路段沒有出現路面結冰現象，提高了行車安全性。

4 結論

基于道路用相變材料研究，結合實際工程應用，系統研究混合料配合比設計和實際調溫效果，并對瀝青混合料試驗段的自調節效果進行跟蹤監測。結果表明，添加相變材料能自行調節和環境溫度場能量交換的供應需求關系，有效避免瀝青混合料的溫度敏感性，減小因環境溫度變化引起的性能影響，延長瀝青路面壽命，降低路面養護管理成本。