相变沥青混合料调温效果及路用性能研究

谭海勤

(湖南中大设计院有限公司， 湖南 长沙 410075)

0 引言

沥青路面在我国高等级公路广泛使用，具有平整度好、行车噪音小等优点，但沥青为温度敏感性材料，高温时粘度降低，在汽车荷载作用下容易产生车辙病害，影响路面使用寿命和行车安全，因而研究改善沥青路面高温抗车辙性能具有重要意义。实际应用中一般采取在沥青中掺入改性剂提高其粘度、优化路面结构和优化级配等被动措施改善沥青路面高温抗车辙性能[1-5]，目前已取得一定效果，但沥青路面高温车辙病害依然严重。

近年来相关学者提出沥青路面主动降温技术[6-8]，其中相变沥青混合料引发较大关注，其原理为将相变材料掺入沥青混合料，混合料受高温辐射时相变材料吸热储存，使混合料温度降低，而混合料温度降低至相变材料结晶温度时热量释放[9-10]，如此往复循环，可有效降低混合料高温持续时间，提高沥青路面的高温抗车辙性能。为分析相变沥青混合料的调温效果及路用性能，本文制备相变沥青混合料，研究相变材料配比和掺量对调温效果的影响，并就相变沥青混合料路用性能进行试验分析。

1 试验概况

1.1 原材料

1) 沥青

选用SBS(I-C)改性沥青进行试验研究，主要技术指标见表1。

表1 SBS(I-C)改性沥青主要技术指标对比项目针入度(25 ℃,100 g,5 s)/0.1 mm延度(5 cm/min,5 ℃) /cm软化点/℃密度/(g·cm-3)溶解度/%RTFOT后残留物质量变化/%针入度比(25 ℃)/%延度(5 ℃)/cm试验结果72.233.462.81.02899.40.157224.1技术要求60～80≥30.0≥55.0实测≥99.0≤±1.00≥60≥20.0

2) 集料和级配

粗细集料均采用玄武岩，填料为石灰岩矿粉，级配采用SMA-13，其各筛孔通过率如表2所示。

表2 SMA-13集料级配通过下列筛孔(mm)的质量百分率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.07510095.065.134.227.322.216.114.513.210.8

3) 聚乙二醇和硅溶胶

采用聚乙二醇(PEG2000)和硅溶胶为原料制备PEG2000/SiO2复合定形相变材料，主要技术指标分别如表3、表4。

表3 PEG2000主要技术指标外观(25 ℃)羟值/(mgKOH·g-1)凝固点/℃白色片状固体51～6348～50

表4 硅溶胶主要技术指标外观二氧化硅含量/%Na2O含量/%25 ℃粘度/(Pa·S)PH值密度/(g·cm-3)乳白色半透明液体300.2669.21.21

1.2 PEG2000/硅溶胶复合定形相变材料制备

按配比称取PEG2000和硅溶胶溶液，将硅溶胶水浴加热至60 ℃，掺入PEG2000使用电动搅拌机以300 r/min速率搅拌混合物至凝胶状态后置于室温陈化24 h，然后移入80 ℃烘箱中干燥至恒重，取出后研磨即可制得PEG2000/硅溶胶复合定形相变材料。

1.3 相变沥青混合料调温效果试验

采用轮碾法成型尺寸为300 mm×300 mm×50 mm的相变沥青混合料试件，室温放置24 h后在其底部中央钻30 mm深孔，埋入温度传感器后将相变沥青混合料置于车辙试验仪加热(加热温度60 ℃)进行调温效果试验，记录沥青混合料内部温度随加热时间变化规律，直至温度达到60 ℃。

2 相变沥青混合料调温效果

2.1 相变材料配比对沥青混合料调温效果影响

制备PEG2000与硅溶胶比例分别为3∶10、5∶10和7∶10的复合相变材料，以掺量为5%成型相应沥青混合料进行调温效果试验，并以未掺相变材料的沥青混合料作参照，结果如图1所示。

图1 相变材料配比对沥青混合料调温效果的影响

由图1可知，温度高于40 ℃后复合相变材料能有效降低沥青混合料高温持续时间。加热时间小于60 min时，各组沥青混合料温度基本一致;而时间超过60 min后,掺有相变材料的沥青混合料温度逐渐低于普通沥青混合料，但随着时间延长，各组沥青混合料温度又趋于一致。分析原因为PEG2000相变温度为40 ℃左右，温度低于该值时相变材料不发挥作用，而高于此值时相变材料发生相变吸热储存，混合料温度降低，随着加热时间进一步延长，相变材料储热达到极限，混合料温度又逐渐接近加热温度，表明相变材料对混合料的作用表现为可降低其高温持续时间。随着复合相变材料中PEG2000比例提高，其降温效果呈先提高后降低趋势，其中PEG2000与硅溶胶配比为5∶10时,降温效果最优。同一加热时间下PEG2000与硅溶胶配比分别为3∶10、5∶10和7∶10时，混合料温度较普通沥青混合料最大温差分别为2.0 ℃、4.1 ℃和2.7 ℃，这是由于复合相变材料中仅PEG2000具有相变功能，PEG2000吸热相变为液体后通过毛细管作用和表面张力作用吸附于硅溶胶三维网状结构中，因而PEG2000比例提高时调温效果相应提高，但其比例超出一定范围后，硅溶胶不足以使液化的PEG2000稳定聚集，此时PEG2000发生渗漏，调温效果下降。

2.2 相变材料掺量对沥青混合料调温效果影响

制备PEG2000与硅溶胶配比为5∶10的复合相变材料，以掺量1%、3%、5%和7%分别制备相变沥青混合料进行调温效果试验，得出试验过程中同一加热时间条件下与普通沥青混合料的最大温差，如图2所示。

图2 相变材料掺量对沥青混合料调温效果的影响

由图2可知，随着相变材料掺量增加，对沥青混合料的调温效果逐渐提高，掺量为1%、3%、5%和7%的相变沥青混合料与普通沥青混合料最大温差分别为0.9 ℃、2.9 ℃、4.1 ℃和5.2 ℃。进行回归分析发现，相变材料对沥青混合料的调温幅度与其掺量呈明显的线性关系，相关分析中R2值达到0.977，由斜率值可知相变材料掺量每增加1%，其调温幅度约增加0.705 ℃。

3 相变材料对沥青混合料路用性能影响

3.1 高温稳定性

分别制备掺量为0%、1%、3%、5%和7%的相变沥青混合料，进行保温时间为120 min和240 min(标准时间)的车辙试验，轮压0.7 MPa，结果如图3所示。

图3 相变材料对沥青混合料高温稳定性的影响

由图3可知，保温时间为120 min的沥青混合料，随着相变材料掺量增加，其高温稳定性逐渐提高，但掺量超过5%后提高速率降低。相变材料掺量由0%增加至5%时，掺量每增加1%，沥青混合料动稳定度约提高286 次/mm;而掺量由5%增加至7%时，掺量每增加1%动稳定度约提高56 次/mm，提高速率明显降低。分析原因为保温时间为120 min试验条件下，掺有相变材料的沥青混合料温度较低，抗车辙性能较强。

而保温时间为240 min的沥青混合料，随着相变材料掺量增加，其高温稳定性逐渐降低，尤其掺量超过3%后降低速率加大。相变材料掺量由0%增加至3%时，掺量每增加1%,沥青混合料动稳定度约降低111次/mm;而掺量由3%增加至7%时，掺量每增加1%,动稳定度约降低280次/mm，降低速率提高了1.5倍。分析原因为保温时间为240min试验条件下，沥青混合料中相变材料吸热已饱和，混合料温度与普通沥青混合料相当，此时掺入的相变材料部分填充于粗集料骨架形成的空隙，部分影响粗集料间接触状况，因而高温抗车辙性能变差，而相变材料掺量超过一定范围时，对粗集料骨架的影响效应明显，表现为抗车辙性能急剧下降。此外，相变材料掺量为3%时，沥青混合料动稳定度为3 542次/mm，明显大于《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)对改性SMA沥青混合料动稳定度不小于3 000次/mm的要求，而相变材料掺量为5%时，动稳定度为2 991次/mm，已不满足规范要求，因此就高温稳定性方面考虑，建议沥青混合料中相变材料掺量不大于3%。

3.2 低温抗裂性

分别制备相变材料掺量为0%、1%、3%、5%和7%的沥青混合料进行低温小梁弯曲试验，温度-10 ℃，加载速率50 mm/min，结果如图4所示。

图4 相变材料掺量对沥青混合料低温抗裂性的影响

由图4可知，随着相变材料掺量增加，沥青混合料低温抗裂性呈先变好后变差趋势，在掺量为3%时低温抗裂性最优。掺量为1%和3%的相变沥青混合料低温最大弯拉破坏应变分别为3 822 με和4 014 με，较普通沥青混合料分别提高130 με和322 με；而相变材料掺量继续增加至5%和7%时，最大弯拉破坏应变分别为3 899 με和3 742 με，较3%的相变沥青混合料分别降低115 με和272 με。分析原因可能为相变材料掺量较低时其掺入改变了沥青混合料的热物理性质，此时降温过程中混合料温度应力累积速率减慢，从而与沥青蠕变造成的应力松弛更加匹配，故低温抗裂性提高，而掺量超过一定范围后相变材料破坏了沥青混合料的连续相，此时混合料因缺乏胶结料的粘附作用而容易产生开裂现象，因此就低温抗裂性方面考虑建议沥青混合料中相变材料掺量不大于3%。

3.3 水稳定性

分别制备相变材料掺量为0%、1%、3%、5%和7%的沥青混合料进行冻融劈裂试验，结果如图5所示。

图5 相变材料掺量对沥青混合料水稳定性的影响

由图5可知，随着相变材料掺量增加，沥青混合料水稳定性逐渐下降，尤其掺量超过5%后下降明显。相变材料掺量由0%增加至5%时，其掺量每增加1%沥青混合料冻融劈裂强度比约下降1.2%，而掺量由5%增加至7%时，掺量每增加1%冻融劈裂强度比约降低3.6%，分析原因为PEG2000和硅溶胶均为亲水性材料，在冻融作用下容易受水侵蚀破坏，故沥青混合料水稳定性也相应降低。此外，相变材料掺量不大于5%时沥青混合料冻融劈裂强度比均大于80%，满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)对改性SMA沥青混合料水稳定性的要求，故就水稳定性而言建议沥青混合料中相变材料掺量不大于5%。

4 结语

1) 温度高于40 ℃后，PEG2000/硅溶胶相变材料能有效降低沥青混合料高温持续时间，且随相变材料中PEG2000比例提高，其对沥青混合料降温效果呈先提高后降低趋势；随相变材料掺量增加，其对沥青混合料降温效果逐渐变好，降温幅度与掺量呈明显的线性关系。

2) 沥青混合料升温过程中，随相变材料掺量增加，其高温稳定性逐渐提高，而沥青混合料升温稳定后，增加相变材料时其高温稳定性逐渐降低。

3) 随着相变材料掺量增加，沥青混合料低温抗裂性呈先变好后变差趋势，在掺量为3%时低温抗裂性最优；随相变材料掺量增加，沥青混合料水稳定性逐渐下降，尤其掺量超过5%后下降明显。

4) 推荐采用PEG2000与硅溶胶配比为5∶10、掺量为3%制备相变沥青混合料，此时调温效果优良，且高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性满足规范要求。