相变材料对温拌沥青混合料路用性能及微观机理的影响

李芳宇

（江西省天驰高速科技发展有限公司，江西南昌 330103）

0 引言

随着社会经济的发展，人们的生活水平也在不断提高，对公路的要求也越来越高。道路的交通环境是衡量一个城市基础设施建设水平的重要指标之一，因此，加强对道路的建设和养护就显得尤为重要。但是，道路的建设和养护是一个非常复杂的过程，难免会存在一些不确定的因素影响到人们的出行体验和交通安全，所以，必须采取相应的措施以减少此类不确定因素的影响，而选用优良的路面建设材料就是有效的措施之一。

沥青混凝土作为一种优良的路面建设材料，因其在抗拉强度、抗剪切应力、抗折弯承载力等方面的显著优势而得到广泛的应用。然而，由于我国的气候条件复杂，高温、严寒都对沥青混凝土的路用性能有很大的负面影响，而在沥青混合料中添加相变材料可以较好地解决这一问题。关于相变材料对温拌沥青混合料路用性能及微观机理的影响，我国在此方面的研究起步较晚，目前还处于初级阶段，对此加强研究有着重大的现实意义。

1 国内外关于相变材料对温拌沥青混合料影响的研究现状

目前，我国关于相变材料对温拌沥青混合料影响的研究已经取得了一定的成果，但是与国外相比还是有很大的差距。主要存在的问题是，虽然国内外的研究方向有所不同，但局限于相变材料对低温下沥青混合料性能的影响。对于相变材料的研究，国内外的专家学者从不同的角度出发，提出了很多的见解[1]。

2 相变材料对温拌沥青混合料性能的影响

由于相变材料具有吸收或释放潜热的特点，对沥青混合料的高温稳定性会产生很大的影响。在低温环境下，沥青的黏度会降低，而当沥青处于较高的温度时其黏度则会增高，从而导致沥青的性能也随之发生变化；因此，需要根据具体的情况选择合适的相变材料，并对其进行控制，以保证沥青处于最佳性能状态，从而保证道路路面的质量[2]。

2.1 概述

相变材料按物质状态转变方式可分为固—固相变、固—液相变、固—气相变、液—气相变四大类，在一定的温度和压力下，物质内部会发生化学反应，形成各种不同形状的颗粒，这些颗粒的性质也会随着其外部物理化学特性的改变而变化。因此，在沥青混合料中，可以根据所需要的力学性能要求，将具有相同密度的固态物质进行合理的组合，使其能够满足使用的需求。研究表明，沥青混合料微观结构的特点是，其微观组织的分布比较均匀，并且表面的孔隙率比较大，所以，在高温环境下，其抗压强度较高，而且抗拉伸的能力也较强；相变材料微观结构的特点使得其性能的表现形式为，当受到外界的作用力时，其会产生变形导致沥青的黏度增高，同时，因为沥青的黏度较高，就能使沥青的抗拉、延展以及耐磨等方面的性能得到提高[3]。

2.2 相变材料的分类

在研究相变材料时，通常将其分为以下几类：

一是无机相变材料。主要包括结晶水合盐、熔融盐、金属合金等无机物，如铝镁石、铝镍矿等。

二是有机相变材料。主要包括石蜡、羧酸、多元醇等有机物，如硅酸铅、二氧化硅等。由多种组分组成的复合型沥青混合料即是一种有机相变材料，其中有一些组分是通过掺杂其他的物质实现的。

三是合成橡胶。根据分子结构的差异，可以将其归纳为一类，如聚乙炔、聚丙烯酰胺聚氨酯、环氧丙烷、甲苯二异氰酸盐、二异氰酸盐丁酮、三异氰酸盐丁基苯磺酸钠、甲基辛醇正戊四氢呋喃烃、环氧树烷酮、三氯化碳等。

2.3 相变材料的正交优化

在对相变材料进行正交优化的过程中，需要根据实际情况选择出最优的组合方案，并对其性能做出评价。在同一环境条件下，不同相变材料的性能是各不相同的，因此在选取合适的相变材料时，要考虑各种因素的影响，并结合具体的施工要求，制定出最合理的配置。

本文研究的主要内容是利用正交试验设计方法，以沥青为基本原材料，采用热重试验和低温再生法，分别对其高温失重率、温度稳定性以及冻融循环次数等指标的变化规律进行研究，从而得到最佳的配合比。

2.4 相变材料的性能及经济效益

在实际的工程建设中，会用到很多材料，但是这些材料的性质和性能都不一样，所以在施工时，需要根据不同的情况进行选择，这样才能保证公路的整体质量。

第一，相变材料的力学性能在对沥青混合料性能影响的研究中是一个很重要的指标，其直接影响到沥青混合料的使用性能。如果所选用的原材料的抗压强度比较高，就可以提高沥青混合料的耐久性，从而延长路面的使用寿命。

第二，相变材料的经济效益。由于我国的公路里程不断增加，对沥青的需求量也随之增大，但沥青价格昂贵的缺陷却一直制约着公路建设事业的发展。而添加相变材料能够有效地提升沥青混合料的使用性能、延长其使用寿命，从另一个角度看，即是减少了沥青的使用量、降低了工程施工成本，在实现节能减排的同时创造了经济效益。随着人们环保意识的增强，绿色出行的观念逐渐深入人心，只有将节能减排的理念融入公路建设中，才能实现真正的可持续发展[4]。

3 温拌沥青混合料的微观机理

相变材料的微观结构和性质与沥青混合料的性能密切相关，本文主要从以下两个方面对温拌沥青混合料的微观机理进行分析。

第一，温度效应。由于各种物理因素的影响，使得沥青混合料的高温稳定性和抗车辙能力受到一定的限制，从而使其产生宏观的热传导。当沥青的稳定性降低时，会导致其形成大的冷脆裂纹，最终会使路面的使用寿命大大缩短。

第二，荷载作用。荷载的大小是决定沥青混合料力学性能的重要指标，而荷载的强度又是影响其抗车辙能力的关键。车辆荷载越大，那么沥青路面就越容易出现疲劳破坏，而一旦超过了极限值，就很有可能引发交通事故。

3.1 温拌沥青混合料的组成

在对相变材料进行研究时，一般会使用不同的材料对其改性效果做出评价，这些材料主要包括热塑性沥青和热固性沥青。

第一，热塑性沥青。热塑性沥青在加热时能发生流动变形，冷却后可以保持一定的形状，可以循环反复加热、冷却，性能保持不变，生产成本较低。

第二，热固性沥青。热固性沥青加热时不能软化，不能反复塑制。其特点是在一定温度下，经一定时间加热、加压或加入硬化剂后，发生化学反应而硬化。硬化后沥青的化学结构发生变化，质地坚硬，不溶于溶剂，加热也不再软化，如果温度过高则会分解[5]。

3.2 温拌沥青混合料的微观结构

沥青混合料的微观结构包括骨料的分布状态，空隙的分布、形状和大小等。影响沥青混合料性能的主要物理力学性质是孔隙率、比热和空隙率。

第一，孔隙率。沥青混合料的孔隙率与沥青的密度、比热导度、导热系数等密切相关。

第二，比热。沥青混合料的比热可随着温度的变化而改变，但在一定的范围内，随着时间的增加，沥青的体积会逐渐减小，所以，当达到了饱和吸收值时，可以使其比热降低。

第三，空隙率。在沥青的流动过程中，由于空气的浮力作用，会使材料内部的空隙发生膨胀，从而导致空隙减少。因此，当外部的环境条件发生变化时，就需要对以上因素进行控制，以保证沥青混合料能满足工程施工要求[6]。

3.3 温拌沥青混合料的抗裂性研究

在实际施工中，可以通过测试温拌沥青混合料的抗裂性判断其是否满足使用要求。如果沥青混凝土存在裂缝、松散等缺陷，就会影响路面的质量。所以，为了提高温拌沥青混合料的整体力学性能，需要对其裂缝、松散部位和薄弱受力区域的应力应变情况做进一步的研究。

4 温拌沥青混合料微观机理分析

在对沥青混合料进行加热时，其内部会产生大量的热量，这些热量会通过集料表面的缝隙传递到沥青中，从而导致沥青的微观结构发生变化，使其性能降低。因此，需要对集料的温度场和微观机理有充分的了解，并将其应用在实际的施工过程中。

4.1 温拌沥青混合料基本性质

温拌沥青混合料的热导率会随着温度的变化而改变。当沥青的热量超过了沥青的饱和点时，就会导致其内部的空隙率和孔隙率不断增大，最终使沥青的黏结力降低，从而使其具有良好的低温抗老化性能。通过研究发现，当相变材料的加热速率大于60℃/s时，就可以对混合料进行冷拌，但同时，由于不同混合料的性质不相同，因此，在同一个温度区间内，如果有两种以上的材料混合，则需要对冷拌的时间做出相应的调整[7]。

4.2 影响温拌沥青混合料微观构造的因素

影响沥青混合料微观构造的主要因素是温度。在高温和寒冷环境下要对其采取适当的保护措施，使其处于正常的工作状态。

第一，高温时，可以路面上加铺一层导热系数较小的热阻层，降低太阳对沥青面层的直接辐射量，使沥青混合料的热膨胀系数降低，从而提高沥青的抗裂性。

第二，在寒冷环境下要使用保温层，增强沥青混合料的热稳定性，防止因为热量流失过快而导致其微观结构被破坏。

5 关于相变材料对温拌沥青混合料路用性能及微观机理影响的有效对策

第一，加强对相变材料的研究，并将其应用到实际工程中，以提高路面使用寿命。

第二，在添加相变材料之前，应先对沥青混合料的性质、物理力学以及低温抗裂等方面的性能进行测试，并根据测试结果确定最佳的配合比，以保证各项参数的合理性。

第三，在沥青混凝土路面的摊铺过程中，应严格控制温度和湿度的变化，避免外界因素影响相变材料发挥作用。

第四，对于不同的施工条件，要根据实际情况调整和优化施工工艺，提高相变材料的耐久性和经济性，解决相变材料在循环过程中热物理性质的退化问题、相变材料易从基体泄漏的问题、相变材料对基体材料的作用问题。

6 结语

针对不同的沥青混合料，分别选取了两种不同的配合比，即普通低热型相变材料和高热型高油泥混合料。在采用相同的掺量（即低热型温拌沥青混合料与高油泥的比例为1∶4）、复合温度为70℃时，低温下的冷态循环时间长，高温下的再生效果好，但质量差，易出现开裂现象。此外，对于同一沥青，由于其组成成分的差异，在不同时间段内，需要采取不同的掺量，以达到最佳的性能。当沥青的掺入量过少，会导致相变材料的用量过多，则相变材料的性能将会下降；而当沥青的掺入量增加，则会降低相变材料的用量，相变材料的性能将会提高。总之，随着人们对建筑节能的日益重视、环境保护意识的逐步增强，相变材料必将在今后的工程领域大有用武之地，也会逐渐被人们所认知，具有非常广阔的应用前景。