热阻式沥青路面组成及降温技术研究

张增平+韩继成+南晓粉+陈浙江+李寿伟+蒋应军

摘要：为了提高沥青路面阻热能力，采用导热系数低的耐火碎石替换普通集料设计SMA13沥青路面，从力学性能、路用性能和降温效果3个方面优化组成比例，确定耐火碎石的最佳掺量。研究结果表明：耐火碎石替换比例取60%时，沥青混合料满足力学性能和路用性能要求，热阻沥青混合料路用性能下降小于15%，吸热能力和热传导能力明显降低，降低温度近7 ℃；耐火碎石替换比例为0%、20%、40%、60%、80%时，降温幅度先增大后减小，替换比例为60%时降温幅度最大。

关键词：热阻沥青路面；导热系数；耐火碎石；最佳掺量

中图分类号：U416.217文献标志码：B 文章编号：1000033X（2016）06007504

0引言

沥青是一种典型的粘弹性体，具有非常高的吸热能力，受温度影响其性质变化显著[1]。沥青路面表面因温度升高，热量聚积在表面层且持续周期变长，在重载交通反复作用下，沥青路面极易形成车辙等病害。对于沥青混合料来说，其热传导能力主要取决于集料的导热系数[2]。因此，在沥青混合料中，采取一种导热系数小的集料作为替换材料，以提高沥青路面阻热能力，就成为一种新的且实际的手段。目前，国内外对热阻沥青路面进行了一些研究，例如德国采用锻烧铝矾土集料修筑沥青路面，可降低沥青路面温度5 ℃～8 ℃；瑞典尝试使用轻型材料泡沫玻璃颗粒作为路面绝热材料[3]；赵秋华将陶粒掺入沥青混合料进行研究，陶粒在沥青混合料中的掺量在20%～40%之间，沥青路面上下表面温度之差最高达到5 ℃左右[4]。

基于耐火碎石具有导热系数低、隔热、保温的特性[5]，本文采用耐火碎石替代原集料设计SMA13沥青路面，从力学性能、路用性能和降温效果3个方面优化组成比例，确定耐火碎石的最佳掺量；并采用温度测试系统，对比热阻沥青路面和普通沥青路面的降温效果，验证热阻沥青路面路用性能。

1试验准备

1.1级配与原材料

沥青混合料级配类型采用SMA13[6]，级配组成如表1所示。普通SMA沥青路面原材料为SBS改性沥青、粗集料（玄武岩碎石）、细集料（石灰岩石屑）、石灰岩矿粉和木质纤维（占混合料总质量的03%）。

热阻沥青路面通过用导热系数低的耐火碎石替换普通集料获得，耐火碎石的技术指标如表2所示。

1.2试验设计

从表2可以看出，耐火碎石的技术指标基本满足要求，但和玄武岩相比，耐火碎石材料的力学性能还差很多，主要是由于耐火碎石本身强度低，在荷载作用下容易破碎。在SMA13级配中，2.36～475 mm档集料占集料总质量比例较小，同时对主骨架结构影响不大；而4.75～9.5 mm档料含量较多，其粒径介于主骨架95～13.2 mm档料与关键筛孔475 mm之间[7]。该档料既具有足够的粒径尺寸，保证空隙的形成；同时其粒径又小于SMA13主骨架，在施工或运营过程中不易被压碎。

考虑到以上问题，本文将2.36～4.75 mm档集料中耐火碎石掺量固定为100%，以耐火碎石替代4.75～9.5 mm档集料设计SMA13沥青路面，从力学性能、路用性能和降温效果3个方面进行研究，确定耐火碎石在该档集料下的最佳掺量，使其达到降低沥青路面温度的作用。

1.3路面温度测试系统

温度测试系统如图1所示，主要由系统封箱、试验光照灯（碘钨灯）、温度记录仪、温度探头以及风扇组成。参照复合车辙板制备方法制备300 mm×300 mm×100 mm车辙板试件，试件周围用隔温泡沫包围。为准确地模拟光照升温与降温，以24 h作为一个完整的试验周期，0～12 h模拟白天光照时间，12～24 h模拟夜晚降温时间。

2试验结果与分析

根据设计级配和马歇尔试验方法，采用体积质量转化法，将耐火碎石替换混合料中的原集料，确定了耐火碎石掺量分别为0%、20%、40%、60%、80%、100%时，相对应的最佳油石比为63、64、65、66、67、68。

2.1耐火碎石最佳掺量的研究

根据确定的耐火碎石掺量为0%、20%、40%、60%、80%、100%时的最佳油石比，进行力学性能、路用性能和降温效果3方面测试。

2.1.1力学性能

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 （JTG E20—2011）规范，采用单轴压缩试验和劈裂试验进行沥青混合料力学性能的评价，其评价指标抗压峰值力和劈裂峰值力与耐火碎石掺量的关系如图2所示。

根据图2可知，随着耐火碎石掺量的增加，抗压峰值力和劈裂峰值力急剧下降。当耐火碎石掺量超过60%时，抗压峰值力呈线性下降，这是由于耐火碎石这种材料本身的强度不足造成的，说明耐火碎石掺量不宜超过60%。

2.1.2路用性能

根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）要求，采用马歇尔试验、冻融劈裂试验、低温弯曲试验等进行沥青混合料的路用性能评价。对于SMA13沥青混合料的相关标准要求其冻融劈裂强度比、浸水残留稳定度均不小于80%。测试得得到冻融劈裂强度比和残留稳定度、低温弯曲应变和动稳定度与耐火碎石掺量的关系如图3、4所示。

根据图4可知，在满足沥青混合料冻融劈裂强度比和浸水残留稳定度的基础上，耐火碎石的掺量超过60%时，动稳定度和低温弯曲应变急剧衰减，说明沥青混合料高温稳定性和低温稳定性均有不同程度降低。原因在于，随着耐火碎石的掺入量逐渐增加，沥青用量也逐渐增加，集料表面附着的沥青膜逐渐变厚，造成自由沥青所占的比例增多，使沥青混合料高温稳定性降低，所以建议耐火碎石掺入量不宜超过60%。

2.1.3降温效果测试

采用温度测试系统测定不同时间、不同层位和不同掺量下，热阻沥青路面温度变化规律如图5～7所示。

根据图5～7可知，耐火碎石掺量分别为20%、40%、60%和80%时，路面降温幅度分别达到1.2 ℃、1.4 ℃、1.8 ℃、0.7 ℃，降温规律呈先增大后减小态势。当耐火碎石掺量为60%时，降温幅度最大；且随着光照时间的增长，距路表深处的降温效果会明显增加，说明耐火碎石沥青路面适合在长时间处于高温状态下的地区使用。但当耐火碎石掺量为80%时，路面降温幅度在减小，且冻融劈裂强度比不满足要求。

综上所述，在保证力学性能和路用性能的前提下，建议耐火碎石的掺量为60%左右。

2.2路用性能验证及降温效果对比

2.2.1路用性能验证

采用掺量为60%的耐火碎石制备热阻沥青，进行热阻沥青路面路用性能验证。热阻沥青路面和普通沥青路面路用性能对比结果见表3。

根据表3可知，热阻沥青路面与普通沥青路面相比，其高温稳定性、水稳定性和低温抗裂性均有所降低，但满足相关规范要求；路用性能整体下降控制在15%之内，对沥青混合料路用性能影响不显著。

2.2.2降温效果对比

采用温度测试系统测定热阻沥青路面和普通沥青路面在不同层位和不同时间下的温度变化情况，测定结果见图8～10。

根据图8～10可知，热阻路面表层降温幅度随着光照时间先增大后减小，说明耐火碎石的掺加，降低了路面对太阳辐射的吸收能力，抑制了路表面温度上升，最高温差近7 ℃，有效地减少车辙等病害的发生机率。通过对比同一时刻不同层位的降温效果，热阻路面传递热量小于普通沥青路面，说明耐火碎石的掺加降低了路面热传导能力，能够减轻因温度引起的路面结构损害。

3结语

（1）当耐火碎石替换比例取60%时，SMA13沥青混合料满足力学性能和路用性能的要求，路用性能下降比例小于15%。

（2）耐火碎石替换比例为20%、40%、60%、80%时，路面降温幅度分别达到了1.2 ℃、1.4 ℃、1.8 ℃和0.7 ℃，路面降温幅度先增大后减小；当掺量为60%时，降温幅度最大。

（3）通过对比表层温度和不同层位温度变化，热阻沥青混合料吸热能力和热传导能力明显降低，温差最高近7 ℃。

参考文献：

[1]胡建荣，江慧娟.沥青路面使用性能综合评价指标研究[J].筑路机械与施工机械化，2007，24（5）：2021，37.

[2]张慧彧，邹玲，纪小平.沥青混合料导热系数的试验研究[J].公路，2011，56（10）：5052.

[3]赵秋华.陶粒热阻磨耗层材料试验研究[D].西安：长安大学，2012.

[4]李彦伟，张倩，谢来斌，等.沥青路面导热系数测试及其对路面温度场影响的模拟[J].功能材料，2012，43（2）：129132.

[5]杨东来，徐永钢，张广平，等.沥青路面集料加工技术的进步与发展[J].筑路机械与施工机械化，2015，32（12）：3140.

[6]张宜洛，郑南翔.沥青混合料的基本参数对其高低温性能的影响[J].长安大学学报：自然科学版，2006，26（4）：3539.

[7]南晓粉.热阻沥青路面降温技术研究[D].西安：长安大学，2015.