用于电融雪道路的导热沥青混凝土路用性能研究

李 程，袁铜森，郑 辉，王 胜

（1.湖南省高速公路管理局，湖南 长沙 410000；2.湖南省交通科学研究院，湖南 长沙 410000；3.湖南工业大学，湖南 株洲 412007；4.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

用于电融雪道路的导热沥青混凝土路用性能研究

李 程1，袁铜森2，郑 辉3，王 胜4

（1.湖南省高速公路管理局，湖南 长沙 410000；2.湖南省交通科学研究院，湖南 长沙 410000；3.湖南工业大学，湖南 株洲 412007；4.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

在《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004的基础上结合SHRP高性能沥青混凝土配合比优化设计方法对沥青混合料配合比进行设计优化。以不掺入导热填料的沥青混合料级配为基础配合比，分析确定掺入石墨后最佳油石比。同时，结合材料复合理论，对不同掺量石墨的导热沥青混凝土的路用性能及导热性能进行研究，分析确定石墨的最佳掺量。

导热沥青混合料；配合比；路用性能；导热性能

0 引言

大量调查和研究显示，路面状况的好坏是影响道路交通的重要因素之一[1]。路面黑冰（薄冰）是湖南省山区高速公路的灾害性气象之一，黑冰是由“冻雨”凝聚于低温路面产生的冰层。同时，桥面完全暴露在空气中，比路面更容易积雪结冰[2]。冻雨黑冰具有面积大，硬度高，厚度薄，不易铲除，不易察觉等特点，在桥面、隧道洞口、急弯陡坡等特殊路段分布，对交通具有严重危害性。电热融雪化冰技术是一种主动预防和清除道路积雪结冰的方法[3]，其原理是利用电能通过电缆或者导电路面材料加热路面进行融雪化冰，是一种安全、可靠高效、环保的融雪化冰手段[3～4]。为提高发热电缆传热效率需在其上方设置导热沥青混凝土层。

沥青混凝土是热能的不良导体，需通过掺入导热相填料改善其导热性能。导热材料依据物理性质可分为金属类和非金属类，前者如铜、银、铝、镍等，后者如碳基材料（炭黑、石墨、碳纤维）等[5]。导热材料不但需要有良好的导热性能，同时不应对沥青混凝土的路用性能产生较大的影响。石墨具有热导率高，耐腐蚀性能好，与沥青相容性强等优点[5]。本文选择石墨作为导热沥青混凝土填料，通过室内试验分析不同掺量石墨对沥青混凝土性能影响，从而确定石墨最佳掺量。最后利用导热系数仪分析掺入导热材料前后导热沥青混凝土热性能变化情况。

1 原材料

（1）沥青

试验沥青采用SBS（I-D类）改性沥青，其主要性能为：针入度（100 g，5 s，25℃）51，软化点（环球法）86.5℃，135℃运动粘度1.98 Pa.S，延度（5℃，5 cm/min）27 cm，闪点330℃，25℃弹性恢复，94%；TFOT薄膜加热试验（163℃，5 h）后，质量变化-0.028%，针入度比80.4%，5℃残留延度16 cm。

（2）粗集料

试验所用粗集料（粒径不小于2.36 mm）采用玄武岩，主要技术性能为：表观相对密度2.888 g/cm3，吸水率0.58%，压碎值15.9%，磨耗值15.2%，与沥青的粘附性等级5级，坚固性1.1%。

（3）细集料

试验所用细集料（粒径不大于2.36 mm）采用石灰岩，主要技术性能为：表观相对密度2.715 g/cm3，吸水率0.81%，砂当量87%，棱角性（流动时间）44 s，

（4）矿粉

矿粉采用优质石灰岩磨制，主要技术性能为：表观密度2.716 g/cm3，亲水系数0.5，含水量0.4%。

（5）石墨

石墨采用山东南墅产鳞片状石墨作为导热相填料，主要技术性能为：密度2.1～2.3 g/cm3，粒径150μm（100目），碳含量99.2%，灰分0.2%，铁含量0.03%，电阻率2.4×10-6Ω.m。

2 试验设计

利用材料复合理论将沥青混合料作为一个多相系统，将石墨引入作为材料参数，通过改变石墨掺量，调节沥青混合料性能。根据沥青混凝土路用性能，结合沥青混凝土导热性能，分析确定石墨最佳掺量。通过对传统沥青混合料配合比设计方法进行优化，制备出路用性能强、导热性能好的沥青混凝土。

（1）根据集料筛分结果初步选定级配，并通过马歇尔试验测定混合料试件毛体积相对密度、表观相对密度。根据规范计算粗集料松装间隙率、粗集料骨架间隙率、空隙率、集料间隙率、沥青饱和度等指标对级配进行调整，确定不掺入石墨的优化级配及最佳油石比。

（2）石墨掺量的选用分别为0、4%、8%、12%、16%、20%、24%（其中石墨的掺量为石墨质量代替矿粉质量的百分比），通过车辙试验、低温弯曲梁试验、冻融劈裂试验分析石墨对沥青混合料高温性能、低温性能、水稳定性能影响。

（3）用热流计法导热系数测试仪测试并研究石墨对沥青混凝土导热性能影响。

2.1 导热沥青混凝土配合比设计

SMA-13型沥青混凝土，属于骨架密实结构。SMA混合料的配合比设计原则体现在两个方面：一是粗集料颗粒互相嵌挤组成高稳定性的“石-石骨架”结构；二是由细集料、沥青结合料和稳定添加剂组成的沥青玛蹄脂填充“骨架”间隙，并将“骨架”胶结在一起，沥青玛蹄脂应略有富余，以使混合料获得较好的柔韧性和耐久性。SMA-13沥青混合料矿料的级配范围应符合表1的要求。

表1 SMA-13沥青混合料级配要求表

在《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004的基础上结合SHRP高性能沥青混凝土配合比优化设计方法，设计3组不同的初试级配，预估适宜的油石比，进行马歇尔试验确定设计级配，计算结果见表2，最终组配曲线见图1。

表2 设计级配组成

图1 SMA-13级配曲线

分别按这三组级配测定4.75 mm以上粗集料的毛体积相对密度、全部矿料的毛体积相对密度及4.75 mm以上粗集料松方相对密度，并计算4.75 mm以上粗集料的VCADRC结果见表3。

表3 矿料级配技术参数表

根据已建类似工程的SMA-13沥青混合料的油石比，以5.9%的预估油石比作为SMA-13的马歇尔试件的初试油石比，并在成型时按混合料质量的0.4%掺入絮状木质素纤维。其试验结果见表4。

表4 矿料级配技术参数表

从3组初试级配的试验结果得到级配2和级配3符合VCAmix≤VCADRC及VMA≥16.5%的要求，其中级配2的4.75 mm筛孔的通过率较大，因此确定级配2为设计级配。

2.2 最佳油石比

根据上述设计级配及初试油石比（5.9%），以0.4%为间隔，调整3个不同的油石比，制作试件进行马歇尔试验，结果见表5。

表5 沥青混合料马歇尔试验

根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中最佳油石比的计算方法，确定沥青混合料的最佳油石比为5.9%。

根据经验，石墨相对矿粉更容易吸油，吸油率差约为0.5。因此，不同石墨掺量的油石比计算如下：

式中：MS为最佳油石比，%；S为石墨掺量，%；K为矿粉占混合料质量比，%；a为吸油率差，0.5；M为未掺入石墨时最佳油石比，5.9%。

因此，石墨掺量0、4%、8%、12%、16%、20%、24%的最佳油石比分别为：5.9%、6.1%、6.3%、6.5%、6.7%、6.85%、7.0%。

3 试验结果与分析

3.1 石墨掺量对沥青混合料路用性能影响

（1）高温稳定性试验

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）规定的试验方法对不同石墨掺量条件下沥青混合料进行车辙试验，试验结果见图2。

图2 石墨掺量对混合料动稳定度的影响

由图2可以看出，沥青混合料动稳定度随着石墨掺量的增加而增加，当掺入的石墨质量代替矿粉质量的比例由0%增加至20%时，动稳定度由10 328次 /mm增加至 11 052次 /mm，增加了7.01%。说明石墨的掺入增加了沥青混合料的高温稳定性能，但当石墨掺量增加至20%之后，动稳定度有所回落。

（2）水稳定性试验

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）规定的试验方法对不同石墨掺量条件下沥青混合料进行冻融劈裂试验及浸水马歇尔试验，试验结果见图3、图4。

图3 石墨掺量对混合料冻融劈裂的影响

图4 石墨掺量对混合料残留稳定度的影响

从图3可以看出，沥青混合料冻融劈裂值随着石墨掺量的增加而减小，当掺入的石墨质量代替矿粉质量的比例由0%增加至24%时，冻融劈裂值由92.8%降低至90.1%，降低了2.91%。说明石墨的掺入降低了沥青混合料的低温抗水损害性能，但是仍远大于规范规定的80%的要求。

从图4可以看出，沥青混合料残留稳定度值随着石墨掺量的增加而减小，当掺入的石墨质量代替矿粉质量的比例由0%增加至24%时，残留稳定度值由95.3%降低至92.2%，降低了3.25%。说明石墨的掺入降低了沥青混合料的高温抗水损害性能。但是仍远大于规范规定的85%的要求。

（3）低温弯曲梁试验

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）规定的试验方法对不同石墨掺量条件下的沥青混合料进行低温弯曲梁试验，试验结果见图5。

图5 不同石墨掺量条件下沥青混合料低温弯曲梁试验

从图5可以看出，沥青混合料破坏应变随着石墨掺量的增加而减小，当掺入的石墨质量代替矿粉质量的比例由0%增加至24%时，破坏应变值由2 943.6降低至2 543.1，降低了13.67%。说明石墨的掺入降低了沥青混合料的低温性能。但是仍大于规范规定的2 500的要求。

3.2 石墨掺量对沥青混合料导热性能影响

导热系数是表征材料导热能力的物理量，对于不同的材料，导热系数是不同的。稳态平板法是一种应用一维稳态导热系数的方法，可以用来进行导热系数的测定试验，是根据在一维稳态情况下通过平板的导热量Q和平板两面的温差Δt成正比，和平板的厚度δ成正比，以及和导热系数λ成正比的关系来设计的。

测量时，如果将平板两面的温差Δt=tR-tL（tR和tL分别为热板和冷板的温度），平板厚度δ，垂直热流方向的导热面积F和Q通过平板的热流量测定以后，就可以根据下式得出导热系数。

参考标准：GB/T10295-2008（绝热材料稳态热阻及有关特性的测定热流计法）及ASTM C518-04用热流计法测定稳态热通量和热传递特性的试验方法。

（1）试验试件

被测试试验每种材料做成6块方形薄壁平板试块，面积为200 mm×200 mm，实际计算导热面积为100 mm×100 mm，试块厚度为（实测）。

（2）试验方法和步骤

a.对试块的上、下表面进行磨平处理，并在表面涂上导热系数较大的导热油，并测量试件的厚度，每个面测三个点，最后取平均值。

b.将试块平稳地放置在导热系数仪的冷热板之间，通过转动转盘夹紧试件，须确保上下表面与冷热板接触紧密，无空气间隙。

c.启动仪器，设置好冷板温度、热板温度、试件厚度，启动加热和制冷系统，对试块进行测试，等到冷热板之间达到热平衡，各项参数恒定，系统会提示试验测试可以计数。测试条件为冷板20℃，热板50℃，即平均温度为35℃下的导热系数。试验仪器见图6。

图6 热流计法导热系数测试仪

（3）试验结果

本研究对石墨不同掺量的沥青混凝土分别制作3块沥青混凝土试件。根据上述试验方法对混合料的导热性能进行分析。试验结果见图7。

图7 试验试件

从图8可以看出，沥青混合料导热性能随着石墨掺量的增加而增加，当掺入的石墨质量代替矿粉质量的比例由0%增加至24%时，导热系数由1.46增加至1.68，增加了15.1%。占沥青混合料总质量的1%左右的石墨的掺入，沥青混合料导热性能增加了15.1%，效果显著。

图8 试验结果

4 结语

本文在《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004的基础上结合SHRP高性能沥青混凝土配合比优化设计方法对沥青混合料配合比进行设计优化。同时，对不同掺量石墨的导热沥青混凝土的路用性能及导热性能进行研究，主要得到以下结论：

（1）沥青混合料动稳定度随石墨的掺量的增加而增加；石墨掺量大于20%之后，沥青混合料抗高温性能有所削弱。

（2）沥青混合料冻融劈裂值及残留稳定度值随石墨的掺量的增加而减小；当石墨掺量由0%增加至24%时，冻融劈裂值及残留稳定度值分别降低了2.91%、3.25%。

（3）沥青混合料破坏应变值随石墨的掺量的增加而减小；当石墨掺量由0%增加至24%时，破坏应变减小了13.67%，影响较大。

沥青混合料导热性能随着石墨掺量的增加而增加；当石墨掺量由0%增加至24%时，导热系数增加了15.1%，效果显著。

综合上述，导热沥青混凝土SMA-13中石墨掺量最佳范围为15%～20%，推荐掺量20%。

[1]朱录涛.电热融雪化冰混凝土路面研究与应用进展[J].建材世界,2011,32(2):30-31.

[2]赵宏明-布置碳纤维发热线的混凝土路面及桥面融雪化冰试验研究[D].辽宁大连:大连理工大学,2007/

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[8]马涛,黄晓明,张久鹏.基于材料复合理论的老化沥青再生规律[J].东南大学学报,2008,38(3):520-524.

郑州将建饮用水水质在线监测、预警系统

2017年郑州市卫生计生工作会近日召开,会上公布了2017年民生十大实事，其中，今年郑州将新建饮用水水质在线监测系统和预警系统，布局到全市居民饮用水的末端，随时对浑浊度、水温、余氯、pH值等多项卫生指标数据进行在线监测、主动预警。市区600万居民饮用水安全将得到有效保障。同时，今年郑州市将启动城市公立医院综合改革，一系列与健康相关的民生项目也将惠及更多市民。

新的监测系统可以实现对饮用水浑浊度、水温、余氯、pH值等多项卫生指标数据实时监测，一旦监测指标出现异常情况，系统能够第一时间发出预警信息，便于卫生执法人员及时介入，准确采取应急措施，避免事态扩大。

按照郑州市区600万人计算，每15万人口一个监测点的网络布局，郑州市需要建设至少40个水质自动在线监测点。

这些建设工作已经启动，并在稳步实施中。目前，京、沪、杭等国内城市已经开始了相同系统的应用。

U414

B

1009-7716（2017）04-0182-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.054

2017-02-23

湖南省交通运输厅科技进步与创新项目（201413）。

李程（1977-），男，湖南浏阳人，工程师，从事公路桥梁管理工作。