王慧穎， 程培峰

(1.東北林業(yè)大學(xué),黑龍江 哈爾濱 150000 ；2.黑龍江工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

在高速公路、機場以及車站等有融雪化冰需求的場合，如何采用有效、快速且沒有副作用的融雪化冰手段成為公路建設(shè)者和維護者共同關(guān)注的話題，這主要歸結(jié)于天氣寒冷地區(qū)的冰雪會對交通和出行帶來不利的影響。目前常見的融雪化冰方法主要包括[1-4]：① 人工除雪，即依靠人工鏟雪等，其缺點在于勞動強度達、效率低；② 機械除雪：利用專業(yè)機械設(shè)備對路面冰雪等進行清除，雖然該方法相較于人工除雪有更高的效率，但是一定程度上會阻礙交通，且無法對冰雪做到徹底消除；③ 化學(xué)融雪法，這種方法是使用氯鹽型或者非氯鹽型化學(xué)藥劑等來實現(xiàn)路面冰雪的熔化，這種方法的融雪效果較好，但是會給地下管道等帶來腐蝕性侵害等；④ 熱融雪法，這種方法采用電熱絲、熱液等來實現(xiàn)冰雪融化，其效果較差且成本較高，無法滿足大面積使用需求；⑤ 導(dǎo)電混凝土，這種方法是在混凝土中添加一定含量的導(dǎo)電組分而制成新型復(fù)合材料路面，并使其具有較好的導(dǎo)電性和電熱特性，從而可以對路面冰雪進行高效率融化，且不會帶來明顯副作用，具有較好的應(yīng)用前景。尤其是在我國嚴(yán)寒地區(qū)覆蓋面積較廣的前期下，如何從建設(shè)環(huán)保型路面的角度出發(fā)，采用有效的融雪化冰手段來實現(xiàn)路面交通順暢，成為大家共同關(guān)注的課題[5]。本文從“主動型”角度出發(fā)，研究在路面混合料中加入碳纖維和微膠囊相變材料的方法，通過通電生熱和相變儲放熱等實現(xiàn)路面的融雪化冰。

1 材料與方法

實驗材料包括武漢市耀邦摩擦材料廠生產(chǎn)的8 mm短切碳纖維(拉伸強度>4 500 MPa、模量250 GPa、密度1.77 g /cm3、電阻率0.001 5 Ω.cm、含碳量>96%)，由聚乙二醇400(PEG-400)、乙基纖維素、癸二酸二異辛酯、白炭黑和無水乙醇制成的微膠囊相變材料，AC-16C型瀝青混合料為原料。摻加瀝青基碳纖維的瀝青混合料采用AC-13級配，集料為玄武巖、填料選擇礦粉(表觀密度2.8 g /cm3)，篩孔尺寸分別為16、2.36、0.3、0.075 mm時礦料通過率對應(yīng)為100%、33.7%、12.5%和6.9%。

馬歇爾試件中碳纖維的摻加量為0%和0.1%、微膠囊相變材料的摻加量分別為0%、0.1%、0.3%和0.5%，不同摻量組合下的馬歇爾試件的油石比介于4.5%～6.5%，共配制了5種瀝青混合料。在制備馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件過程中[6]，瀝青混合料的拌和溫度設(shè)定為160 ℃，制備過程包括：預(yù)先將短切短纖維和石料加入拌合鍋內(nèi)進行充分攪拌，時間約為3 min，再加入微膠囊相變材料攪拌約5 min，最后加入礦粉攪拌均勻。并在此基礎(chǔ)上根據(jù)馬歇爾試件配合比的規(guī)范要求，可以計算得到不同配合比試件的最佳油石比[7]。表1為馬歇爾試件的摻量組合和油石比參數(shù)。

表1 馬歇爾試件的摻量組合和油石比Table 1 Marshall test piece's dosage combination and oil stone ratio摻量油石比/%最佳油石比/%0.1%碳纖維+0%微膠囊相變材料4.55.05.56.06.55.610.1%碳纖維+0.3%微膠囊相變材料4.55.05.56.06.55.320.1%碳纖維+0.5%微膠囊相變材料4.55.05.56.06.55.34

瀝青混合料路面的融雪去冰效果與混凝土通電狀態(tài)下的電阻率有重要的相關(guān)性，因為在電壓一定前提下，混凝土的生產(chǎn)熱能的功率與電阻率成反比，因此，采用NJ-4 000型混凝土電阻率儀和兩個圓形銅電極對不同馬歇爾試件進行了電阻率測試[8]；將馬歇爾試件置于卡博萊特NX-2型烘箱中進行預(yù)熱處理(58 ℃/3 h)，取出后迅速置于-6 ℃恒溫冰柜中降溫，采用ST-675型紅外線測溫儀每間隔15 min測量試件表面溫度，并記錄360 min內(nèi)馬歇爾試件的溫度變化。

2 分析與討論

圖1為不同微膠囊摻量的混凝土的油石比與電阻率的對應(yīng)關(guān)系，其中，微膠囊摻量分別為0%、0.3%和0.5%。對比分析可知，隨著油石比從4.5%增加至6.5%，不同微膠囊摻量的摻加瀝青基碳纖維的瀝青混凝土的電阻率都呈現(xiàn)先減小后增大的特征，在油石比為6%時取得電阻率最小值；在相同油石比條件下，隨著微膠囊摻量從0%增加至0.5%，混凝土的電阻率逐漸升高，即微膠囊摻量越高則電阻率越大，這主要是因為微膠囊中含有乙基纖維素和葵二酸二異辛酯，這兩種物質(zhì)都具有較好的電氣絕緣性能，從而使得摻加微膠囊摻量的混凝土具有較好的介電性；在馬歇爾試件中油石比一定前提下，微膠囊摻量的增加會增大瀝青混合料的電阻率，在通電情況下，路面摻加瀝青基碳纖維的瀝青混合料的熱生成效率會提高，從而對路面融雪化冰效果會得到提升。

圖1 不同微膠囊摻量的混凝土的油石比與電阻率的對應(yīng)關(guān)系Figure 1 The corresponding relationship between the ratio of oil to stone and the resistivity of concrete with different content of microcapsules

圖2為微膠囊相變材料摻量為0%時的馬歇爾試件溫度與時間的變化曲線，其中，油石比分別為4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%和5.61%，碳纖維摻量為0.1%。對比分析可知，在不同油石比下，摻加瀝青基碳纖維的瀝青混凝土的馬歇爾試件的溫度都會隨著時間的延長而逐漸降低，但是在相同時間下，不同油石比的馬歇爾試件的溫度差異性不大。由此可見，在研究摻加瀝青基碳纖維的瀝青混合料的電阻率的影響時，可以忽略油石比對生成熱的影響，直接采用最佳油石比即可。

圖2 微膠囊相變材料摻量為0%時的馬歇爾試件溫度與時間的變化曲線Figure 2 Temperature time curve of marshall specimen with 0% microcapsule phase change material

圖3為微膠囊相變材料摻量為0.3%時的馬歇爾試件溫度與時間的變化曲線，其中，油石比分別為4.5%、5.0%、5.5%、6.0%和6.5%，最佳油石比為5.32%，碳纖維摻量為0.1%。對比分析可知，在不同油石比下，摻加瀝青基碳纖維的瀝青混凝土的馬歇爾試件的溫度也都會隨著時間的延長而逐漸降低，且在相同時間下，不同油石比的馬歇爾試件的溫度差異性較小，這與微膠囊相變材料摻量為0.3%時的馬歇爾試件溫度與時間的變化曲線相似。

圖3 微膠囊相變材料摻量為0.3%時的馬歇爾試件溫度與時間的變化曲線Figure 3 Temperature time curve of marshall specimen with 0.3% microcapsule phase change material

圖4為微膠囊相變材料摻量為0.5%時的馬歇爾試件溫度與時間的變化曲線，其中，油石比分別為4.5%、5.0%、5.5%、6.0%和6.5%，最佳油石比為5.34%，碳纖維摻量為0.1%。對比分析可知，在不同油石比下，摻加瀝青基碳纖維的瀝青混凝土的馬歇爾試件溫度-時間變化曲線與微膠囊相變材料摻量為0%和0.5%時相似，即摻加瀝青基碳纖維的瀝青混凝土的馬歇爾試件的溫度都會隨著時間的延長而逐漸降低。

圖4 微膠囊相變材料摻量為0.5%時的馬歇爾試件溫度與時間的變化曲線Figure 4 Temperature time curve of marshall specimen with 0.5% microcapsule phase change material

綜合圖2～圖4的不同微膠囊相變材料摻量的馬歇爾試件溫度-時間變化曲線可知，當(dāng)時間為0～150 min時，馬歇爾時間的溫度降低速度較快，而當(dāng)時間超過150 min后，馬歇爾試件的溫度變化幅度較小。當(dāng)馬歇爾試件具有較高的溫度時，瀝青混合料的熱運動會相對劇烈，而溫度的降低則會減小熱量傳遞，且由于此時的溫度還沒達到微膠囊相變材料的相變溫度，此時馬歇爾試件不會受到微膠囊相變材料潛熱釋放的影響，即微膠囊對馬歇爾試件溫度的變化影響不大，反映在馬歇爾試件溫度與時間的變化曲線中則表現(xiàn)為150 min內(nèi)3種不同配比的馬歇爾試件的溫度降低趨勢基本一致。當(dāng)時間增加至150 min后，馬歇爾試件的溫度變化會受到微膠囊相變材料潛熱釋放的影響，這主要是因為此時微膠囊相變材料會發(fā)生相變并釋放之前升溫而存儲的熱量，且釋放熱量會隨著微膠囊相變材料摻量的增加而增大[9]。對比微膠囊相變材料摻量為0%、0.3%和0.5%的馬歇爾試件可知，試件溫度的降溫趨勢會隨著微膠囊相變材料摻量的增加而逐漸變緩，穩(wěn)定階段的溫度呈逐漸上升趨勢，這也說明微膠囊相變材料的摻加有助于提升試件溫度穩(wěn)定的能力。

對于摻加瀝青基碳纖維的瀝青混合料路面的鋪設(shè)和維護過程中，將微膠囊相變材料加入試件中，可以使得混合料在較高溫度時存儲熱量，并在溫度降低過程中釋放熱量，從而使得路面材料在低溫階段具有減緩溫度降低，以及通過降溫過程中的潛熱釋放來抑制雪和冰的形成，最終達到融雪化冰的效果。

此外，結(jié)合圖2～圖4的試件溫度-時間變化曲線還可以發(fā)現(xiàn)，在碳纖維和微膠囊相變材料摻量不變前提下，油石比從4.5%增加至6.5%，馬歇爾試件的降溫速度會加快，但是尾部的溫度基本一致，這也就表明油石比會對摻加瀝青基碳纖維的瀝青混合料的熱交換過程產(chǎn)生影響，即油石比會改變溫度降低速度，但是混合料的熱量交換總量不會受到油石比變化的影響，這主要是因為混合料中油石比的增大會減小瀝青混合料的孔隙率，并增大熱量傳遞效率[10]。由此可見，在實際摻加瀝青基碳纖維的瀝青混合料的配置過程中，如果碳纖維和微膠囊相變材料摻量一定前提下，為了實現(xiàn)最佳的融雪化冰效果，油石比的選擇可以直接采用最佳油石比。

3 結(jié)論

a.隨著油石比從4.5%增加至6.5%，不同微膠囊摻量的摻加瀝青基碳纖維的瀝青混凝土的電阻率都呈現(xiàn)先減小后增大的特征，在油石比為6%時取得電阻率最小值；在相同油石比條件下，隨著微膠囊摻量從0%增加至0.5%，混凝土的電阻率逐漸升高，即微膠囊摻量越高則電阻率越大。

b.在不同油石比下，摻加瀝青基碳纖維的瀝青混凝土的馬歇爾試件的溫度都會隨著時間的延長而逐漸降低，但是在相同時間下，不同油石比的馬歇爾試件的溫度差異性不大。

c.馬歇爾試件溫度的降溫趨勢會隨著微膠囊相變材料摻量的增加而逐漸變緩，穩(wěn)定階段的溫度呈逐漸上升趨勢，即微膠囊相變材料的摻加有助于提升試件溫度穩(wěn)定的能力；油石比會改變溫度降低速度，但是混合料的熱量交換總量不會受到油石比變化的影響。