融冰雪相变材料对沥青混合料性能的影响

王 斌，李自齐

(甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730030)

1 公路新型融冰雪技术概述

为解决路面积冰雪的养护难题，变被动养护为主动预防性养护，国内外积极开展“融冰雪路面技术研究及应用”项目[1-2].区别于传统的公路融冰雪技术如人工作业和撒盐，我国目前道路融冰雪技术主要有5种：弹性自应力破冰、热能融雪除冰、盐化物融雪抑冰、抗凝冰表面涂层和相变材料调温[3-6].总之，新型融冰雪技术就是在沥青路面铺筑过程中掺入外加剂、埋设导热体，或是在路面建成或养护期间进行抗凝冰雾封层处治.通过外加材料的物理或化学作用来抑制路面结冰，确保冬季交通安全的同时，减少除雪盐的洒布，保护沿线环境；另一方面也降低公路养护人员的工作量，减少冬季养路成本.融雪盐对路面结构的腐蚀破坏见图1.

图1 融雪盐对路面结构的腐蚀破坏

本文所研究的融冰雪相变材料属于物理类融雪抑冰的范畴.相变材料是通过相态变化实现储能和释能，可随着环境自动调控温度.当外部温度降低时，相变材料与外部环境发生热交换而释放出热能.将融冰雪相变材料应用到沥青路面中，就可以使路面调节外部温度达到直接融化冰雪的功能[7].

2 对沥青混合料性能的影响

沥青混合料是一种高分子材料，存在性质不稳定的问题，还需在高温条件下拌制.融冰雪相变材料不仅要有足够的调温性能，还应保证与沥青混合料混合后各项路用性能都达标.

本文选用一种新型的道路融冰雪相变材料.为了验证加入相变材料后对沥青混合料性能的影响，选择AC-13型密级配沥青混合料，分别对加入融冰雪相变材料前后的AC-13沥青混合料进行体积指标和路用性能指标测试.融冰雪相变材料掺量为沥青混合料质量的4‰，在沥青混合料正常拌和程序结束后加入并搅拌90 s.整个拌和过程对沥青混合料温度和工艺无特殊要求，与常规工艺保持一致.

2.1 马歇尔稳定度试验影响

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011 )规定，分别对成型后的沥青混合料马歇尔试件进行稳定度试验和浸水马歇尔稳定度试验，测其空隙率、稳定度、流值及浸水48 h后的稳定度，并计算残留稳定度值.将测得的数据与规范中要求值进行比较，以验证掺入融冰雪相变材料的可行性.测得的数据见表1～2.

表1 未加融冰雪相变材料稳定度试验结果

表2 加融冰雪相变材料稳定度试验结果

由试验结果可知：2组试验的空隙率均满足规范中3%～5%的技术要求；相比未加入融冰雪相变材料，加入融冰雪相变材料后沥青混合料的空隙率略有减少.

加入融冰雪相变材料前后，沥青混合料的稳定度和流值基本近似，且均满足技术要求.对比浸水马歇尔试验得出，加入融冰雪相变材料后，沥青混合料流值变化幅度较大，较未加相变材料前增大81.4%，稳定度指标有所下降，下降幅度为7.7%.

加入融冰雪相变材料后沥青混合料残留稳定度下降，下降幅度为4.9%，然而均满足残留稳定度≥85%的技术要求.

综上分析得出，沥青混合料中加入融冰雪相变材料后，其马歇尔稳定度试验的结果均能满足技术规范要求，空隙率变小，稳定度下降，流值显著增大，残留稳定度值下降.表明加入融冰雪相变材料后，沥青混合料的强度和水稳定性能均有所下降.

2.2 冻融劈裂试验影响

劈裂强度可评价沥青混合料的力学性能.按照试验规程的规定，分别进行劈裂试验和冻融劈裂试验，测其冻融前后劈裂强度并计算冻融劈裂强度比.本研究用冻融处理后的劈裂强度来评价沥青混合料的低温抗裂性能，冻融劈裂强度比可评价沥青混合料的水稳定性.测得的试验数据见表3～4.

表3 未加融冰雪相变材料劈裂试验结果

分析试验结果发现：对于常温下未进行冻融循环的劈裂试验，掺入融冰雪相变材料后，劈裂强度显著下降，下降幅度为36.7%；对于经历冻融循环处理后的劈裂试验，掺入融冰雪相变材料后，劈裂强度下降幅度为34%.总之，加入融冰雪相变材料降低了沥青混合料的抗劈裂性能.

表4 加融冰雪相变材料劈裂试验结果

残留稳定度和冻融劈裂强度比的试验对比如图2所示，可以得出：加入融冰雪相变材料后，冻融劈裂强度比增大，增大幅度为5.1%，冻融劈裂强度比满足≥80%的技术要求.说明加入融冰雪相变材料提高了沥青混合料的抗冻融循环强度衰减性.

图2 残留稳定度和冻融劈裂比对比

综上指标验证得出：沥青混合料中加入融冰雪相变材料后，空隙率、稳定度、流值、残留稳定度和冻融劈裂强度比等指标均满足技术要求；其中，稳定度较未加融冰雪相变材料时呈现小幅减小，表明高温稳定性呈轻微下降；在浸水48 h后，残留稳定度指标呈现下降趋势，表明加入融冰雪相变材料对沥青混合料的水稳定性有减弱影响.然而对于加入融冰雪剂后较未加融冰雪剂，沥青混合料冻融劈裂强度比增大，表明加入融冰雪剂提高了沥青混合料的抗冻融循环强度衰减性.

3 结论

1) 经试验可得，空隙率、稳定度、流值、残留稳定度、劈裂强度、冻融劈裂强度比等指标均满足技术要求，验证了相变材料掺入沥青混合料中，在保证沥青混合料各项性能达标的前提下能自调温，起到融冰雪作用.

2) 沥青混合料掺入融冰雪相变材料后，其稳定度、残留稳定度指标较未加融冰雪相变材料时呈现小幅减小，而冻融劈裂强度比增大.表明掺入相变材料后，高温稳定性、水稳定性均呈下降趋势，而抗冻融循环强度衰减性能增强.