掺加沥青基碳纤维的沥青混合料路面的融雪研究

2020-11-18王慧颖程培峰

公路工程 2020年5期

王慧颖，程培峰

(1.东北林业大学,黑龙江哈尔滨 150000 ；2.黑龙江工程学院，黑龙江哈尔滨 150000)

在高速公路、机场以及车站等有融雪化冰需求的场合，如何采用有效、快速且没有副作用的融雪化冰手段成为公路建设者和维护者共同关注的话题，这主要归结于天气寒冷地区的冰雪会对交通和出行带来不利的影响。目前常见的融雪化冰方法主要包括[1-4]：① 人工除雪，即依靠人工铲雪等，其缺点在于劳动强度达、效率低；② 机械除雪：利用专业机械设备对路面冰雪等进行清除，虽然该方法相较于人工除雪有更高的效率，但是一定程度上会阻碍交通，且无法对冰雪做到彻底消除；③ 化学融雪法，这种方法是使用氯盐型或者非氯盐型化学药剂等来实现路面冰雪的熔化，这种方法的融雪效果较好，但是会给地下管道等带来腐蚀性侵害等；④ 热融雪法，这种方法采用电热丝、热液等来实现冰雪融化，其效果较差且成本较高，无法满足大面积使用需求；⑤ 导电混凝土，这种方法是在混凝土中添加一定含量的导电组分而制成新型复合材料路面，并使其具有较好的导电性和电热特性，从而可以对路面冰雪进行高效率融化，且不会带来明显副作用，具有较好的应用前景。尤其是在我国严寒地区覆盖面积较广的前期下，如何从建设环保型路面的角度出发，采用有效的融雪化冰手段来实现路面交通顺畅，成为大家共同关注的课题[5]。本文从“主动型”角度出发，研究在路面混合料中加入碳纤维和微胶囊相变材料的方法，通过通电生热和相变储放热等实现路面的融雪化冰。

1 材料与方法

实验材料包括武汉市耀邦摩擦材料厂生产的8 mm短切碳纤维(拉伸强度>4 500 MPa、模量250 GPa、密度1.77 g /cm3、电阻率0.001 5 Ω.cm、含碳量>96%)，由聚乙二醇400(PEG-400)、乙基纤维素、癸二酸二异辛酯、白炭黑和无水乙醇制成的微胶囊相变材料，AC-16C型沥青混合料为原料。掺加沥青基碳纤维的沥青混合料采用AC-13级配，集料为玄武岩、填料选择矿粉(表观密度2.8 g /cm3)，筛孔尺寸分别为16、2.36、0.3、0.075 mm时矿料通过率对应为100%、33.7%、12.5%和6.9%。

马歇尔试件中碳纤维的掺加量为0%和0.1%、微胶囊相变材料的掺加量分别为0%、0.1%、0.3%和0.5%，不同掺量组合下的马歇尔试件的油石比介于4.5%～6.5%，共配制了5种沥青混合料。在制备马歇尔标准试件过程中[6]，沥青混合料的拌和温度设定为160 ℃，制备过程包括：预先将短切短纤维和石料加入拌合锅内进行充分搅拌，时间约为3 min，再加入微胶囊相变材料搅拌约5 min，最后加入矿粉搅拌均匀。并在此基础上根据马歇尔试件配合比的规范要求，可以计算得到不同配合比试件的最佳油石比[7]。表1为马歇尔试件的掺量组合和油石比参数。

表1 马歇尔试件的掺量组合和油石比Table 1 Marshall test piece's dosage combination and oil stone ratio掺量油石比/%最佳油石比/%0.1%碳纤维+0%微胶囊相变材料4.55.05.56.06.55.610.1%碳纤维+0.3%微胶囊相变材料4.55.05.56.06.55.320.1%碳纤维+0.5%微胶囊相变材料4.55.05.56.06.55.34

沥青混合料路面的融雪去冰效果与混凝土通电状态下的电阻率有重要的相关性，因为在电压一定前提下，混凝土的生产热能的功率与电阻率成反比，因此，采用NJ-4 000型混凝土电阻率仪和两个圆形铜电极对不同马歇尔试件进行了电阻率测试[8]；将马歇尔试件置于卡博莱特NX-2型烘箱中进行预热处理(58 ℃/3 h)，取出后迅速置于-6 ℃恒温冰柜中降温，采用ST-675型红外线测温仪每间隔15 min测量试件表面温度，并记录360 min内马歇尔试件的温度变化。

2 分析与讨论

图1为不同微胶囊掺量的混凝土的油石比与电阻率的对应关系，其中，微胶囊掺量分别为0%、0.3%和0.5%。对比分析可知，随着油石比从4.5%增加至6.5%，不同微胶囊掺量的掺加沥青基碳纤维的沥青混凝土的电阻率都呈现先减小后增大的特征，在油石比为6%时取得电阻率最小值；在相同油石比条件下，随着微胶囊掺量从0%增加至0.5%，混凝土的电阻率逐渐升高，即微胶囊掺量越高则电阻率越大，这主要是因为微胶囊中含有乙基纤维素和葵二酸二异辛酯，这两种物质都具有较好的电气绝缘性能，从而使得掺加微胶囊掺量的混凝土具有较好的介电性；在马歇尔试件中油石比一定前提下，微胶囊掺量的增加会增大沥青混合料的电阻率，在通电情况下，路面掺加沥青基碳纤维的沥青混合料的热生成效率会提高，从而对路面融雪化冰效果会得到提升。

图1 不同微胶囊掺量的混凝土的油石比与电阻率的对应关系Figure 1 The corresponding relationship between the ratio of oil to stone and the resistivity of concrete with different content of microcapsules

图2为微胶囊相变材料掺量为0%时的马歇尔试件温度与时间的变化曲线，其中，油石比分别为4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%和5.61%，碳纤维掺量为0.1%。对比分析可知，在不同油石比下，掺加沥青基碳纤维的沥青混凝土的马歇尔试件的温度都会随着时间的延长而逐渐降低，但是在相同时间下，不同油石比的马歇尔试件的温度差异性不大。由此可见，在研究掺加沥青基碳纤维的沥青混合料的电阻率的影响时，可以忽略油石比对生成热的影响，直接采用最佳油石比即可。

图2 微胶囊相变材料掺量为0%时的马歇尔试件温度与时间的变化曲线Figure 2 Temperature time curve of marshall specimen with 0% microcapsule phase change material

图3为微胶囊相变材料掺量为0.3%时的马歇尔试件温度与时间的变化曲线，其中，油石比分别为4.5%、5.0%、5.5%、6.0%和6.5%，最佳油石比为5.32%，碳纤维掺量为0.1%。对比分析可知，在不同油石比下，掺加沥青基碳纤维的沥青混凝土的马歇尔试件的温度也都会随着时间的延长而逐渐降低，且在相同时间下，不同油石比的马歇尔试件的温度差异性较小，这与微胶囊相变材料掺量为0.3%时的马歇尔试件温度与时间的变化曲线相似。

图3 微胶囊相变材料掺量为0.3%时的马歇尔试件温度与时间的变化曲线Figure 3 Temperature time curve of marshall specimen with 0.3% microcapsule phase change material

图4为微胶囊相变材料掺量为0.5%时的马歇尔试件温度与时间的变化曲线，其中，油石比分别为4.5%、5.0%、5.5%、6.0%和6.5%，最佳油石比为5.34%，碳纤维掺量为0.1%。对比分析可知，在不同油石比下，掺加沥青基碳纤维的沥青混凝土的马歇尔试件温度-时间变化曲线与微胶囊相变材料掺量为0%和0.5%时相似，即掺加沥青基碳纤维的沥青混凝土的马歇尔试件的温度都会随着时间的延长而逐渐降低。

图4 微胶囊相变材料掺量为0.5%时的马歇尔试件温度与时间的变化曲线Figure 4 Temperature time curve of marshall specimen with 0.5% microcapsule phase change material

综合图2～图4的不同微胶囊相变材料掺量的马歇尔试件温度-时间变化曲线可知，当时间为0～150 min时，马歇尔时间的温度降低速度较快，而当时间超过150 min后，马歇尔试件的温度变化幅度较小。当马歇尔试件具有较高的温度时，沥青混合料的热运动会相对剧烈，而温度的降低则会减小热量传递，且由于此时的温度还没达到微胶囊相变材料的相变温度，此时马歇尔试件不会受到微胶囊相变材料潜热释放的影响，即微胶囊对马歇尔试件温度的变化影响不大，反映在马歇尔试件温度与时间的变化曲线中则表现为150 min内3种不同配比的马歇尔试件的温度降低趋势基本一致。当时间增加至150 min后，马歇尔试件的温度变化会受到微胶囊相变材料潜热释放的影响，这主要是因为此时微胶囊相变材料会发生相变并释放之前升温而存储的热量，且释放热量会随着微胶囊相变材料掺量的增加而增大[9]。对比微胶囊相变材料掺量为0%、0.3%和0.5%的马歇尔试件可知，试件温度的降温趋势会随着微胶囊相变材料掺量的增加而逐渐变缓，稳定阶段的温度呈逐渐上升趋势，这也说明微胶囊相变材料的掺加有助于提升试件温度稳定的能力。

对于掺加沥青基碳纤维的沥青混合料路面的铺设和维护过程中，将微胶囊相变材料加入试件中，可以使得混合料在较高温度时存储热量，并在温度降低过程中释放热量，从而使得路面材料在低温阶段具有减缓温度降低，以及通过降温过程中的潜热释放来抑制雪和冰的形成，最终达到融雪化冰的效果。

此外，结合图2～图4的试件温度-时间变化曲线还可以发现，在碳纤维和微胶囊相变材料掺量不变前提下，油石比从4.5%增加至6.5%，马歇尔试件的降温速度会加快，但是尾部的温度基本一致，这也就表明油石比会对掺加沥青基碳纤维的沥青混合料的热交换过程产生影响，即油石比会改变温度降低速度，但是混合料的热量交换总量不会受到油石比变化的影响，这主要是因为混合料中油石比的增大会减小沥青混合料的孔隙率，并增大热量传递效率[10]。由此可见，在实际掺加沥青基碳纤维的沥青混合料的配置过程中，如果碳纤维和微胶囊相变材料掺量一定前提下，为了实现最佳的融雪化冰效果，油石比的选择可以直接采用最佳油石比。