張?jiān)銎?韓繼成+南曉粉+陳浙江+李壽偉+蔣應(yīng)軍

摘要：為了提高瀝青路面阻熱能力，采用導(dǎo)熱系數(shù)低的耐火碎石替換普通集料設(shè)計(jì)SMA13瀝青路面，從力學(xué)性能、路用性能和降溫效果3個(gè)方面優(yōu)化組成比例，確定耐火碎石的最佳摻量。研究結(jié)果表明：耐火碎石替換比例取60%時(shí)，瀝青混合料滿足力學(xué)性能和路用性能要求，熱阻瀝青混合料路用性能下降小于15%，吸熱能力和熱傳導(dǎo)能力明顯降低，降低溫度近7 ℃；耐火碎石替換比例為0%、20%、40%、60%、80%時(shí)，降溫幅度先增大后減小，替換比例為60%時(shí)降溫幅度最大。

關(guān)鍵詞：熱阻瀝青路面；導(dǎo)熱系數(shù)；耐火碎石；最佳摻量

中圖分類號(hào)：U416.217文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1000033X（2016）06007504

0引言

瀝青是一種典型的粘彈性體，具有非常高的吸熱能力，受溫度影響其性質(zhì)變化顯著[1]。瀝青路面表面因溫度升高，熱量聚積在表面層且持續(xù)周期變長(zhǎng)，在重載交通反復(fù)作用下，瀝青路面極易形成車轍等病害。對(duì)于瀝青混合料來(lái)說(shuō)，其熱傳導(dǎo)能力主要取決于集料的導(dǎo)熱系數(shù)[2]。因此，在瀝青混合料中，采取一種導(dǎo)熱系數(shù)小的集料作為替換材料，以提高瀝青路面阻熱能力，就成為一種新的且實(shí)際的手段。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)熱阻瀝青路面進(jìn)行了一些研究，例如德國(guó)采用鍛燒鋁礬土集料修筑瀝青路面，可降低瀝青路面溫度5 ℃～8 ℃；瑞典嘗試使用輕型材料泡沫玻璃顆粒作為路面絕熱材料[3]；趙秋華將陶粒摻入瀝青混合料進(jìn)行研究，陶粒在瀝青混合料中的摻量在20%～40%之間，瀝青路面上下表面溫度之差最高達(dá)到5 ℃左右[4]。

基于耐火碎石具有導(dǎo)熱系數(shù)低、隔熱、保溫的特性[5]，本文采用耐火碎石替代原集料設(shè)計(jì)SMA13瀝青路面，從力學(xué)性能、路用性能和降溫效果3個(gè)方面優(yōu)化組成比例，確定耐火碎石的最佳摻量；并采用溫度測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)比熱阻瀝青路面和普通瀝青路面的降溫效果，驗(yàn)證熱阻瀝青路面路用性能。

1試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1級(jí)配與原材料

瀝青混合料級(jí)配類型采用SMA13[6]，級(jí)配組成如表1所示。普通SMA瀝青路面原材料為SBS改性瀝青、粗集料（玄武巖碎石）、細(xì)集料（石灰?guī)r石屑）、石灰?guī)r礦粉和木質(zhì)纖維（占混合料總質(zhì)量的03%）。

熱阻瀝青路面通過(guò)用導(dǎo)熱系數(shù)低的耐火碎石替換普通集料獲得，耐火碎石的技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

從表2可以看出，耐火碎石的技術(shù)指標(biāo)基本滿足要求，但和玄武巖相比，耐火碎石材料的力學(xué)性能還差很多，主要是由于耐火碎石本身強(qiáng)度低，在荷載作用下容易破碎。在SMA13級(jí)配中，2.36～475 mm檔集料占集料總質(zhì)量比例較小，同時(shí)對(duì)主骨架結(jié)構(gòu)影響不大；而4.75～9.5 mm檔料含量較多，其粒徑介于主骨架95～13.2 mm檔料與關(guān)鍵篩孔475 mm之間[7]。該檔料既具有足夠的粒徑尺寸，保證空隙的形成；同時(shí)其粒徑又小于SMA13主骨架，在施工或運(yùn)營(yíng)過(guò)程中不易被壓碎。

考慮到以上問(wèn)題，本文將2.36～4.75 mm檔集料中耐火碎石摻量固定為100%，以耐火碎石替代4.75～9.5 mm檔集料設(shè)計(jì)SMA13瀝青路面，從力學(xué)性能、路用性能和降溫效果3個(gè)方面進(jìn)行研究，確定耐火碎石在該檔集料下的最佳摻量，使其達(dá)到降低瀝青路面溫度的作用。

1.3路面溫度測(cè)試系統(tǒng)

溫度測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，主要由系統(tǒng)封箱、試驗(yàn)光照燈（碘鎢燈）、溫度記錄儀、溫度探頭以及風(fēng)扇組成。參照復(fù)合車轍板制備方法制備300 mm×300 mm×100 mm車轍板試件，試件周圍用隔溫泡沫包圍。為準(zhǔn)確地模擬光照升溫與降溫，以24 h作為一個(gè)完整的試驗(yàn)周期，0～12 h模擬白天光照時(shí)間，12～24 h模擬夜晚降溫時(shí)間。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)設(shè)計(jì)級(jí)配和馬歇爾試驗(yàn)方法，采用體積質(zhì)量轉(zhuǎn)化法，將耐火碎石替換混合料中的原集料，確定了耐火碎石摻量分別為0%、20%、40%、60%、80%、100%時(shí)，相對(duì)應(yīng)的最佳油石比為63、64、65、66、67、68。

2.1耐火碎石最佳摻量的研究

根據(jù)確定的耐火碎石摻量為0%、20%、40%、60%、80%、100%時(shí)的最佳油石比，進(jìn)行力學(xué)性能、路用性能和降溫效果3方面測(cè)試。

2.1.1力學(xué)性能

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》 （JTG E20—2011）規(guī)范，采用單軸壓縮試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)進(jìn)行瀝青混合料力學(xué)性能的評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)指標(biāo)抗壓峰值力和劈裂峰值力與耐火碎石摻量的關(guān)系如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，隨著耐火碎石摻量的增加，抗壓峰值力和劈裂峰值力急劇下降。當(dāng)耐火碎石摻量超過(guò)60%時(shí)，抗壓峰值力呈線性下降，這是由于耐火碎石這種材料本身的強(qiáng)度不足造成的，說(shuō)明耐火碎石摻量不宜超過(guò)60%。

2.1.2路用性能

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）要求，采用馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)等進(jìn)行瀝青混合料的路用性能評(píng)價(jià)。對(duì)于SMA13瀝青混合料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求其凍融劈裂強(qiáng)度比、浸水殘留穩(wěn)定度均不小于80%。測(cè)試得得到凍融劈裂強(qiáng)度比和殘留穩(wěn)定度、低溫彎曲應(yīng)變和動(dòng)穩(wěn)定度與耐火碎石摻量的關(guān)系如圖3、4所示。

根據(jù)圖4可知，在滿足瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比和浸水殘留穩(wěn)定度的基礎(chǔ)上，耐火碎石的摻量超過(guò)60%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度和低溫彎曲應(yīng)變急劇衰減，說(shuō)明瀝青混合料高溫穩(wěn)定性和低溫穩(wěn)定性均有不同程度降低。原因在于，隨著耐火碎石的摻入量逐漸增加，瀝青用量也逐漸增加，集料表面附著的瀝青膜逐漸變厚，造成自由瀝青所占的比例增多，使瀝青混合料高溫穩(wěn)定性降低，所以建議耐火碎石摻入量不宜超過(guò)60%。

2.1.3降溫效果測(cè)試

采用溫度測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定不同時(shí)間、不同層位和不同摻量下，熱阻瀝青路面溫度變化規(guī)律如圖5～7所示。

根據(jù)圖5～7可知，耐火碎石摻量分別為20%、40%、60%和80%時(shí)，路面降溫幅度分別達(dá)到1.2 ℃、1.4 ℃、1.8 ℃、0.7 ℃，降溫規(guī)律呈先增大后減小態(tài)勢(shì)。當(dāng)耐火碎石摻量為60%時(shí)，降溫幅度最大；且隨著光照時(shí)間的增長(zhǎng)，距路表深處的降溫效果會(huì)明顯增加，說(shuō)明耐火碎石瀝青路面適合在長(zhǎng)時(shí)間處于高溫狀態(tài)下的地區(qū)使用。但當(dāng)耐火碎石摻量為80%時(shí)，路面降溫幅度在減小，且凍融劈裂強(qiáng)度比不滿足要求。

綜上所述，在保證力學(xué)性能和路用性能的前提下，建議耐火碎石的摻量為60%左右。

2.2路用性能驗(yàn)證及降溫效果對(duì)比

2.2.1路用性能驗(yàn)證

采用摻量為60%的耐火碎石制備熱阻瀝青，進(jìn)行熱阻瀝青路面路用性能驗(yàn)證。熱阻瀝青路面和普通瀝青路面路用性能對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。

根據(jù)表3可知，熱阻瀝青路面與普通瀝青路面相比，其高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和低溫抗裂性均有所降低，但滿足相關(guān)規(guī)范要求；路用性能整體下降控制在15%之內(nèi)，對(duì)瀝青混合料路用性能影響不顯著。

2.2.2降溫效果對(duì)比

采用溫度測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定熱阻瀝青路面和普通瀝青路面在不同層位和不同時(shí)間下的溫度變化情況，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖8～10。

根據(jù)圖8～10可知，熱阻路面表層降溫幅度隨著光照時(shí)間先增大后減小，說(shuō)明耐火碎石的摻加，降低了路面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收能力，抑制了路表面溫度上升，最高溫差近7 ℃，有效地減少車轍等病害的發(fā)生機(jī)率。通過(guò)對(duì)比同一時(shí)刻不同層位的降溫效果，熱阻路面?zhèn)鬟f熱量小于普通瀝青路面，說(shuō)明耐火碎石的摻加降低了路面熱傳導(dǎo)能力，能夠減輕因溫度引起的路面結(jié)構(gòu)損害。

3結(jié)語(yǔ)

（1）當(dāng)耐火碎石替換比例取60%時(shí)，SMA13瀝青混合料滿足力學(xué)性能和路用性能的要求，路用性能下降比例小于15%。

（2）耐火碎石替換比例為20%、40%、60%、80%時(shí)，路面降溫幅度分別達(dá)到了1.2 ℃、1.4 ℃、1.8 ℃和0.7 ℃，路面降溫幅度先增大后減??；當(dāng)摻量為60%時(shí)，降溫幅度最大。

（3）通過(guò)對(duì)比表層溫度和不同層位溫度變化，熱阻瀝青混合料吸熱能力和熱傳導(dǎo)能力明顯降低，溫差最高近7 ℃。

參考文獻(xiàn)：

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