氣孔玄武巖超薄罩面瀝青路面降溫效果和性能研究

張 楠，范群保，鄭南翔

(1.合肥學院城市建設與交通學院，合肥 230601；2.中交基礎設施養護集體有限公司，北京 100011； 3.長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室，西安 710064)

0 引 言

瀝青路面具有表面平整、行車舒適性好、噪音小、施工周期短、養護維修簡單、可再生利用等優點，逐漸成為城市中主要的路面形式。但是由于瀝青路面屬于黑色感溫性材料，夏季瀝青路面吸收大量的熱量，表面溫度升高，會形成如下問題：一是夏季瀝青路面溫度升高，加上車輛荷載的共同作用，容易出現車轍性病害[1-3]；二是瀝青路面夜晚釋放熱量會使城市溫度顯著增加，造成城市熱島效應問題，增加能耗。為了解決上述問題，很多學者開始研究瀝青路面降溫技術，目前使用最廣泛的是熱反射涂層和熱阻路面技術，熱反射技術一般采用具有反射功能的涂層材料，涂刷于瀝青路面表面，馮德成等[4]、鄭木蓮等[5]、唐伯明等[6]對熱反射涂層的降溫性能和抗滑效果進行研究，研究發現熱反射涂層可以降低瀝青路面溫度12 ℃以上，但降溫效果隨著老化時間的延長而降低，抗滑效果相對較差，且反射涂層容易被車輛輪胎磨耗掉，影響使用性能。熱阻路面一般采用導熱系數較低的粗骨料替換普通骨料，如陶瓷廢料、陶粒、膨脹蛭石和煅燒鋁礬石等。Feng等[7]和錢振東等[8]分析了陶瓷廢料作為瀝青混合料阻熱骨料的可行性，研究結果表明，為滿足路用性能要求，陶瓷廢料的摻量不宜超過集料總體積的40%，陶瓷廢料用于混合料有良好的降溫效果；長安大學鄒玲等[9]以導熱系數較低的陶粒替換普通集料研發了熱阻式薄層罩面瀝青混合料SMA-10，取得了明顯的降溫效果；楊風雷[10]研究發現蛭石的強度低，只能替代細集料，高溫穩定性較差，李彩霞等[11]對煅燒鋁礬石替換普通集料后AC-13和SMA-13瀝青混合料路用性能和降溫性能進行了研究，發現煅燒鋁礬石的加入降低了混合料的水穩定性。

國內外熱阻路面研究雖然取得一定成效，但是也存在一些的問題：廢舊陶瓷作為阻熱集料破碎后針片狀嚴重，其與瀝青的黏附性較差；陶粒的加入增加了混合料瀝青用量，且提高了路面表面溫度；膨脹蛭石混合料高溫性能極差；煅燒鋁礬石對混合料水穩定性產生不利影響。因此有必要研究一種新型熱阻瀝青混合料。氣孔狀玄武巖為斑狀氣孔構造，摩爾硬度為5～8，密度1.5～1.6 g/cm3，在地殼中分布廣泛，過去多用在水泥混凝土中作為建筑輕質骨料，在減重、隔熱、隔音方面已經取得良好的效果。氣孔玄武巖堅硬的材質和同瀝青良好的黏附性為其應用在瀝青路面上提供了可能性[12]，目前氣孔玄武巖用于瀝青路面上的研究較少。因此，本文選用氣孔玄武巖作為熱阻材料，并采用NovaChip Type-B半開孔隙瀝青混合料來加大熱阻效果，采用自主研發的室內模擬太陽輻射測試系統，研究不同氣孔玄武巖摻加量下的瀝青混合料的降溫效果，并通過其熱物性能、高溫穩定度、低溫性能、水穩定性、力學性能、飛散性能和抗滑性能得出較為適宜的摻配比例，結合熱傳導機理，分析氣孔玄武巖瀝青混合料的熱阻機理。

圖1 氣孔玄武巖實物圖Fig.1 Physical picture of porous basalt

1 實 驗

1.1 原材料

瀝青選用SBS I-C改性瀝青、70#基質瀝青和SBR改性乳化瀝青，粗集料種類選用兩種，一種為普通玄武巖，另一種為氣孔玄武巖，如圖1所示。細集料為普通玄武巖，礦粉為石灰巖，瀝青和集料技術指標分別如表1、表2和表3所示。當粗集料為普通玄武巖時，AC-13型瀝青混合料采用70#基質瀝青，NovaChip Type-B型瀝青混合料選用SBS I-C改性瀝青，經過配合比設計，其合成級配如表4所示。

表1 瀝青技術指標Table 1 Technical properties of asphalt

表2 SBR改性乳化瀝青指標Table 2 Technical properties of SBR modified emulsified asphalt

表3 集料技術指標Table 3 Technical properties of aggregate

表4 瀝青混合料合成級配(質量分數)Table 4 Synthetic gradation of asphalt mixture (mass fraction)

1.2 氣孔玄武巖摻配方法

由于氣孔玄武巖密度約為玄武巖密度的0.6倍，相同質量的氣孔玄武巖體積約為玄武巖2倍。粗細集料體積比例的改變破壞了原有級配結構，對混合料路用性能產生影響。因此，采用體積質量轉換法，即將級配設計得到的配合比作為各粒徑集料的體積配合比，集料替換公式如式(1)所示。本文選擇0%、25%、50%和75%四種氣孔玄武巖比例等體積替換玄武巖粗集料，采用NovaChip Type-B混合料級配，并確定其最佳油石比分別為5.2%、5.7%、6.3%和7.6%。

(1)

式中：Pmi為集料的質量配合比，%；Pvi為集料的體積配合比，%；γi為集料的毛體積相對密度，g/cm3。

1.3 雙層車轍板成型方法

首先采用普通車轍板試模成型30 cm×30 cm×5 cm的AC-13瀝青混合料車轍板，待冷卻24 h后，脫模，然后將5 cm厚車轍板放入特制的30 cm×30 cm×7 cm的車轍板試模中，在車轍板上表面均勻撒布一層SBR改性乳化瀝青黏層油，其用量為0.4 L/m2，待乳化瀝青破乳水分蒸發后，分別采用0%、25%、50%和75%體積摻量替代下的氣孔玄武巖集料，在其上部成型厚度為2 cm的NovaChip Type-B瀝青混合料，待冷卻24 h后，脫模。

1.4 試驗方案

(1)降溫效果性能測試

分別在雙層車轍板試件兩側側邊中心位置上表面、距離上表面2 cm和底面7 cm處鉆孔以插入溫度傳感器測針，如圖2所示。采用課題組自制的室內太陽輻射模擬測試系統，如圖3和圖4所示，調節內部環境箱濕度為80%，溫度調節至25 ℃，試件保溫3 h，打開碘鎢燈輻射光源調節至890～910 W/m2，每0.5 h測試一次，輻射測試7 h，同時測量兩組平行試驗的試件，并采集各層溫度。

(2)氣孔玄武巖瀝青混合料路用性能測試

路用性能按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)中的車轍試驗、小梁彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、單軸壓縮試驗和肯塔堡飛散試驗進行評價。

(3)熱物性參數測試

為了研究氣孔玄武巖瀝青混合料的熱物性參數，采用瑞典Hot Disk TPS2500S型導熱系數儀[13-14]測試其熱物性參數。試件尺寸為φ101.6 mm ×63.5 mm的標準馬歇爾試件，然后將試件沿橫向切面切割成兩個對稱圓柱體，每個測試試件的尺寸為φ101.6 mm×31.75 mm，將測試面用打磨機打磨，確保切面平整、光滑和干凈，測試前將試件在20 ℃下的環境箱中保溫4 h。

圖2 試件測溫位置Fig.2 Temperature measurement position of the specimen

圖3 室內模擬太陽輻射測試系統示意圖Fig.3 Schematic diagram of indoor simulated solar radiation testing system

圖4 試驗系統實物圖Fig.4 Physical diagram of the test system

2 結果與討論

2.1 降溫效果性能

對氣孔玄武巖體積替換比例分別為0%、25%、50%和75%(體積分數,下同)的雙層車轍板試件進行室內熱輻射試驗，每0.5 h采集一次溫度數據，雙層車轍板表面、2 cm處和7 cm層位處試件的溫度變化規律如圖5和表5所示。

圖5 不同層位處試件的溫度變化規律Fig.5 Temperature variation law of the specimen at different layers

表5 不同氣孔玄武巖摻量下的超薄罩面瀝青混合料的降溫效果Table 5 Cooling effect of ultra-thin overlay asphalt mixture with different proportion of stomatal basalt

由圖5和表5可知：隨著氣孔玄武巖摻量的增加，車轍板試件的上表面溫度逐漸升高，表面升溫速率由快到慢的順序為75%>50%>25%>0%，這是由于隨著氣孔玄武巖摻量增加，瀝青混合料的導熱系數降低，熱阻性能提高，阻止熱量向下傳遞，從而使試件表面溫度升高；相比較于0%氣孔玄武巖摻量的瀝青混合料，25%、50%和75%摻量下距離試件表面2 cm處最大降溫分別為2.0 ℃、4.2 ℃和5.9 ℃，這表明隨著氣孔玄武巖摻量的增加，導熱系數降低，阻止了熱量向路面內部傳遞，從而使車轍板試件內部的溫度降低，說明氣孔玄武巖瀝青混合料具有一定的降溫效果；當氣孔玄武巖摻量為50%時，2 cm和7 cm位置上的測試的最高溫度均小于75%摻量，說明在50%氣孔玄武巖摻量下，瀝青混合料的降溫效果最好；當氣孔玄武巖摻量達到75%時，距離試件表面2 cm處的溫度較50%摻量時有所升高，這是由于摻量過大，瀝青用量過多，氣孔玄武巖瀝青混合料吸熱過多，此時瀝青用量對溫度的影響已經超過氣孔玄武巖對溫度的影響，說明為保證氣孔玄武巖瀝青混合料有足夠的降溫效果，氣孔玄武巖的摻量不宜過高。相比較于0%氣孔玄武巖摻量的瀝青混合料，25%、50%和75%摻量下試件底面(距離試件表面7 cm處)最大降溫分別為2.4 ℃、5.1 ℃和6.6 ℃，這表明在鋪筑了氣孔玄武巖罩面后，原瀝青路面溫度明顯降低，可以有效阻止路面車轍病害的產生。當氣孔玄武巖摻量達到75%時，其降溫效果受到瀝青用量增加的影響而有所降低，不利于減少原路面的車轍病害。根據不同氣孔玄武巖摻量的混合料降溫性能，隨著氣孔玄武巖摻量的增加，混合料降溫效果提升，而氣孔玄武巖體積摻量為50%左右時，試件在2 cm和7 cm深處溫度最低，降溫效果最好。

2.2 高溫穩定性試驗

對不同氣孔玄武巖體積摻配比例的雙層車轍板試件進行車轍試驗，其試驗結果如表6所示。

由表6可知，隨著氣孔玄武巖摻量的增加，瀝青混合料的動穩定度先增加后減少，其中摻量為25%、50%和75%的氣孔玄武巖較0%摻量下的動穩定度分別增加了23.0%、29.4%和1.5%。氣孔玄武巖摻量的增加可以適當提高瀝青混合料的高溫性能，這是由于一方面隨著氣孔玄武巖摻量的增加，其孔隙吸附瀝青的用量增加，在氣孔玄武巖表面包裹一層瀝青，增加了氣孔玄武巖的強度，另一方面氣孔玄武巖顆粒表面空隙較大，粗糙度較大，少量的氣孔玄武巖在瀝青混合料中，增加了集料之間的嵌擠能力，提高了高溫穩定性。但當氣孔玄武巖摻量大于50%時，其高溫穩定性受瀝青用量及氣孔玄武巖材料本身強度的影響較大，因此混合料動穩定度呈現顯著降低的趨勢。

2.3 低溫性能試驗

低溫性能是指瀝青混合料在低溫條件下抵抗低溫收縮開裂的能力，我國主要通過低溫彎曲試驗的最大彎拉應變指標來評價。試驗儀器采用小梁彎曲試驗儀，試驗溫度為(-10±0.5) ℃，加載速率為50 mm/min。試驗結果如表7所示。

表7 低溫彎曲試驗結果Table 7 Low temperature bending test results

由表7可知，隨著氣孔玄武巖摻量的增加，瀝青混合料抗彎拉強度和彎曲勁度模量逐漸降低，最大彎拉應變有略微上升的趨勢，其中25%、50%和75%摻量下的混合料最大彎拉應變較0%摻量分別提高了0.6%、1.7%和2.9%。試驗結果表明氣孔玄武巖摻加不會對混合料低溫抗裂性能產生不利影響，反而會略微提高其低溫抗裂性能。摻加氣孔玄武巖后，瀝青用量增加，瀝青混合料韌性增強，導致其最大彎拉應變逐漸增加，低溫抗裂性能逐漸提高；而混合料抗彎拉強度和彎曲勁度模量隨氣孔玄武巖摻量增加而逐漸降低，這與瀝青用量增加以及氣孔玄武巖本身強度較普通玄武巖低密切相關。

2.4 水穩定性能試驗

水穩定性能試驗主要通過殘留穩定度試驗與凍融劈裂試驗來評價瀝青混合料的水穩定性能。殘留穩定度試驗結果和凍融劈裂強度比(TSR)試驗結果分別如圖6、圖7所示。

圖6 殘留穩定度試驗結果Fig.6 Residue stability test results

圖7 凍融劈裂強度比試驗結果Fig.7 Test results of freeze-thaw tensile strength ratio

由圖6和圖7可知：

(1)隨著氣孔玄武巖摻量的增加，30 min下和48 h下的瀝青混合料穩定度先增加后減小，在氣孔玄武巖摻量達到50%時，達到最大值。試驗結果與動穩定度試驗結果比較基本相似：說明當氣孔玄武巖摻量小于50%時，由于氣孔玄武巖的加入瀝青用量增加，瀝青包裹在玄武巖集料表面，增加了其與普通骨料之間的嵌擠力，增加了高溫穩定性和水穩定性的絕對值；當玄武巖摻量過大時，其穩定度顯著較低，是氣孔玄武巖的強度相對較低造成的。

(2)隨著氣孔玄武巖摻量的增加，未經過凍融循環試件的劈裂強度相差不大，其中當氣孔玄武巖摻量為25%時，其劈裂強度較普通混合料略微增加，這是由于氣孔玄武巖表面粗糙有氣孔，少量氣孔玄武巖的加入增加了瀝青用量，且增加了其與普通骨料之間的嵌擠力，增加了強度。經過凍融循環試件的劈裂強度隨著氣孔玄武巖摻量的增加而降低，這是由于氣孔玄武巖內部連通的空隙較多，水分容易進入到混合料內部，加上結冰凍脹作用和凍融作用，致使混合料劈裂強度下降。

(3)隨著氣孔玄武巖摻量的增加，混合料的殘留穩定度和凍融劈裂強度比逐漸降低，表明較大空隙級配摻加多孔玄武巖后，一方面由于多孔集料孔隙的毛細作用，水分更加容易通過孔隙進入瀝青與集料之間，造成集料易從瀝青表面剝落，另一方面半開孔隙瀝青混合料的空隙率大于10%以上，水分容易進入混合料內部使部分瀝青脫落，導致混合料水穩定性降低。

(4)對殘留穩定度和凍融劈裂強度比進行多項式回歸分析，殘留穩定度的回歸方程為y=8×10-5x3-0.012 2x2+0.189 3x+89.2，相關系數R2=1，氣孔玄武巖摻量為30%時混合料殘留穩定度為86.1%；凍融劈裂強度比的回歸方程為y=7.9×10-5x3-0.011 1x2+0.088x+85.35，相關系數R2=1氣孔玄武巖摻量為30%時混合料凍融劈裂強度比為80.2%，兩者仍然能夠滿足規范要求。在摻量大于30%后，水穩定性迅速下降，且已經不能滿足我國規范要求，所以氣孔玄武巖摻量宜小于30%。

2.5 力學性能

單軸壓縮試驗用于測定瀝青混合料抗壓強度，抗壓強度表征了瀝青混合料在壓力作用下抵抗彈塑性變形的性能。瀝青混合料抗壓強度試驗結果如表8所示。

表8 瀝青混合料抗壓強度試驗結果Table 8 Test results of compressive strength of asphalt mixture

由表8可知，隨著氣孔玄武巖摻量的增加，瀝青混合料的抗壓強度逐漸降低。與0%摻量相比，25%、50%和75%摻量下的氣孔玄武巖瀝青混合料的抗壓強度分別降低了14.8%、22.3%和23.9%，氣孔玄武巖的內部有較多的孔隙結構，導致其抗壓強度低于普通玄武巖。因此，氣孔玄武巖等體積替換后降低了瀝青混合料抵抗彈塑性變形的性能，但當氣孔玄武巖的體積摻量超過50%時，其抗壓強度降低了20%以上，故氣孔玄武巖的摻量不能過高。

2.6 飛散性能

瀝青混合料肯塔堡飛散試驗是用于評價在車輛荷載作用下，瀝青用量過少或黏結性不夠導致集料脫落的程度。肯塔堡飛散試驗結果如表9所示。

表9 肯塔堡飛散試驗結果Table 9 Kentucky fort flying test results

由表9可知，不同氣孔玄武巖摻加比例下的瀝青混合料飛散損失相差不大，其中25%和50%摻量下較0%摻量下的混合料飛散損失增加了0.51%和0.30%，而75%摻量下的混合料飛散損失較0%摻量反而降低了1.31%。進一步說明了氣孔玄武巖用于瀝青混合料后其黏結強度較好，這是由于氣孔玄武巖特殊的氣孔表面構造，一方面需要吸附大量的瀝青，增加了瀝青用量，使其黏結性能提高，另一方面其表面粗糙，又增加了骨料之間的嵌擠摩擦力，故而增加了混合料之間的黏結力。

2.7 抗滑性能

圖8 不同氣孔玄武巖摻量下混合料的擺值Fig.8 British pendulum number of the asphalt mixture with different stomatal basalt proportion

目前我國瀝青路面抗滑性能評價指標主要是橫向力系數、構造深度和摩擦系數。其中適用于室內研究的方法主要是鋪砂法測試表面構造深度和擺式儀法測擺式摩擦系數，表面構造深度不適合大孔隙瀝青混合料。本文選用擺式摩擦系數來表征不同氣孔玄武巖替換量下的瀝青磨耗層的抗滑性能，測試結果如圖8所示。

從圖8可知，隨著氣孔玄武巖摻量的增加，擺值先增大后減少，這是由于氣孔玄武巖表面粗糙，在一定摻量范圍下，隨著氣孔玄武巖用量的增加，增大了瀝青混合料的抗滑性能，但當氣孔玄武巖摻量超過50%時，由于油石比增加較大，較大的油石比反而使瀝青混合料表面裸露的集料減少，抗滑性能減少。故氣孔玄武巖摻量不能過大，要控制在50%以內，此范圍內的氣孔玄武巖可以提高瀝青混合料的抗滑性能。

3 氣孔玄武巖超薄罩面瀝青路面降溫機理及最佳摻量分析

3.1 氣孔玄武巖降溫機理分析

為了研究氣孔玄武巖瀝青混合料的熱物性參數，采用瑞典Hot Disk TPS2500S型導熱系數儀測試其熱物性參數。導熱系數測試結果如表10所示。

表10 氣孔玄武巖瀝青混合料熱物性測試結果表10 Test results of thermal properties of stomatal basalt asphalt mixture

由表10可知，隨著氣孔玄武巖摻量的增加，瀝青混合料的導熱系數顯著降低，熱擴散系數逐漸減小，其中氣孔玄武巖摻量為25%、50%和75%的導熱系數較0%摻量時分別降低了39.1%、50.7%和61.8%，氣孔玄武巖摻量為25%、50%和75%的熱擴散系數較0%摻量時分別降低了29.0%、38.6%和51.9%。根據熱傳導公式Φ=-λ·A·(?T/?δ),其中Φ表示平均傳遞的熱流量，λ表示導熱系數，A表示熱量傳導的面積,?T/?δ表示溫度梯度，說明導熱系數與平均熱流量呈反比關系，導熱系數越小，傳遞的熱流量越少，熱阻效果越好。而氣孔玄武巖的導熱系數較普通混合料的導熱系數降低較多，說明采用氣孔玄武巖替換集料可以大幅度降低瀝青混合料的導熱系數和熱擴散系數，起到熱阻效果。

根據Williamson[15]提出了具有90%精度的瀝青混合料導熱系數預估公式：

km=(ka)m·(kb)n·(kv)p·(kw)q

(2)

式中：km為瀝青混合料的導熱系數，W/(m·K)；ka為集料的導熱系數，W/(m·K)；kb為瀝青結合料的導熱系數，W/(m·K)；kv為空氣的導熱系數，W/(m·K)；kw為水的導熱系數，W/(m·K)；m、n、p、q分別表示集料、瀝青結合料、空氣和水的體積分數，%。由于氣孔玄武巖中含有非常多密閉的空隙結構，這些空隙結構被空氣充斥，而空氣的導熱系數為0.026 W/(m·K)，較多的密閉空隙結構使氣孔玄武巖的導熱系數降低。

3.2 確定氣孔玄武巖最佳摻量

圖9 符合性能要求的氣孔玄武巖摻量范圍圖Fig.9 Graph of the content range of porosity basalt meeting the performance requirements

繪制氣孔玄武巖摻量與其瀝青混合料的降溫性能和路用性能指標關系圖，以氣孔玄武巖摻量為橫坐標，以滿足規范要求的降低溫度、動穩定度次數、最大彎拉應變、殘留穩定度、凍融劈裂強度比、單軸抗壓強度、飛散損失和擺值作為縱坐標，如圖9所示。

從圖5～9和表5～10可知，根據氣孔玄武巖超薄罩面瀝青混合料的降溫性能測試結果可知，隨著氣孔玄武巖摻量的增加，降溫效果提升，在摻量為50%左右時，其降溫效果最好。根據氣孔玄武巖瀝青混合料的路用性能分析:當氣孔玄武巖的摻量為25%～50%之間時，摻加氣孔玄武巖適當提高了瀝青混合料的高溫性能；摻加氣孔玄武巖不會對混合料低溫性能產生不利影響，反而會略微提高其低溫抗裂性能；隨著氣孔玄武巖摻量的增加，其抗水損害能力逐漸降低，當氣孔玄武巖摻量小于30%時，其混合料的水穩定性滿足規范要求；摻加氣孔玄武巖瀝青混合料的抗壓強度隨著氣孔玄武巖摻量的增加而降低，需要控制氣孔玄武巖的摻入量；隨著氣孔玄武巖摻量的增加，氣孔玄武巖瀝青混合料的飛散性能變化不大；當氣孔玄武巖摻量為50%以下時，隨著氣孔玄武巖摻量增加，其抗滑性能提升。綜合氣孔玄武巖瀝青混合料的降溫效果和路用性能，最終推薦氣孔玄武巖摻量為25%～30%。

4 結 論

(1)隨著氣孔玄武巖摻量的增加，試驗試件的上表面溫度逐漸升高，表面升溫速率由快到慢的順序為75%>50%>25%>0%，表明氣孔玄武巖摻量不宜過多。

(2)試驗試件的2 cm處溫度降溫幅度由大到小的順序為50%>25%>75%，相比較于0%摻量，25%、50%和75%摻量下試件2 cm處最大降溫分別為2.0 ℃、4.2 ℃和5.9 ℃。

(3)試驗試件的底面溫度降溫幅度由大到小的順序為50%>25%>75%，相比較于0%摻量，25%、50%和75%摻量下試件底面最大降溫分別為2.4 ℃、5.1 ℃和6.6 ℃。

(4)氣孔玄武巖摻量為25%、50%和75%的導熱系數較0%時分別降低了39.1%、50.7%和61.8%；摻加氣孔玄武巖適當提高了瀝青混合料的高溫性能；氣孔玄武巖摻加不會對混合料低溫性能產生不利影響，反而會略微提高其低溫抗裂性能；隨著氣孔玄武巖摻量的增加，其抗水損害能力逐漸降低，隨著氣孔玄武巖摻量的增加，抗滑性能先增大后減少。

(5)根據熱阻瀝青混合料阻熱降溫試驗確定氣孔玄武巖摻量下限，根據混合料水穩定性試驗確定氣孔玄武巖摻量上限，最終推薦氣孔玄武巖摻量為25%～30%。