沥青混合料热阻性能影响因素的研究

商晓儒

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

0 引言

沥青路面广泛地应用于我国的高速公路和城市道路中，但其在使用过程中也存在一定的缺陷，一方面，沥青作为一种对太阳辐射吸热率极高的材料用于沥青路面中，路表面的温度很容易升高，直接导致沥青混合料的承载能力下降，在车辆荷载反复作用下，很容易出现高温车辙[1]；另一方面，沥青路面在城市道路使用过程中释放的路面长波辐射能量，再加上如此密集的城市建筑物和人群，将进一步加剧城市的“热岛效应”，使得城市中心温度比郊区温度高出数10℃[2]。

目前，解决沥青路面高温车辙的方法主要有优化混合料级配设计、选用改性沥青和掺加抗车辙剂三种[3]，虽然对减小高温车辙有一定作用，但不能从根本上解决沥青路面升温问题。而对于城市“热岛效应”问题，大部分地区还是通过种植花草树木、增加绿地面积等传统方法来解决，虽然能起到一定的作用，但是忽略了引起“热岛效应”问题的根本原因，其主要是与沥青路面和城市建筑群体分布有直接关系。因而，亟需一种方法从根本上解决沥青路面升温问题。

通过收集和查阅国内外沥青路面降温技术的相关资料知，沥青路面降温技术可以从根本上解决路面升温问题[4-5]，具有良好的应用前景。通过对沥青混合料比热容测试方法和导热系数测试方法的研究，提出更准确的热物理参数测试方法和仪器，利用选定的测试方法和仪器，分析沥青种类、集料类型、空隙率和级配类型对沥青混合料比热容及阻热性能的影响，为热阻罩面原材料选择提供依据。

1 试验与材料

1.1 沥青

选用SK90#基质沥青、壳牌70#基质沥青和SBS1-C改性沥青进行沥青混合料热物理特性研究，沥青试验指标按《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的要求进行测试，经测试，三种沥青的主要技术指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG-2004)的技术要求，其测试结果见表1和表2。

表1 基质沥青技术指标

表2 SBS1-C改性沥青技术指标

1.2 集料

为了研究不同集料对沥青混合料热物理参数的影响，选择四种道路上常用集料(辉绿岩、石灰岩、闪长岩、花岗岩)进行沥青混合料热物理特性研究，岩石岩性分析结果见表3～表6。

表3 辉绿岩岩性分析结果

表4 石灰岩岩性分析结果

表5 闪长岩岩性分析结果

表6 花岗岩岩性分析结果

1.3 矿粉

矿粉由石灰岩磨制而成，技术指标见表7。

表7 矿粉主要技术指标

2 试验方案

为研究沥青种类、集料种类、混合料空隙率和级配类型对混合料比热容的影响，采用控制单一变量的原则，研究各因素对混合料比热容的影响，级配均采用中值级配，试验试件按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的方法成型标准马歇尔试件，测试不同混合料类型马歇尔试件的比热容和导热系数。

2.1 比热容测试方法

比热容是反应材料储存能量大小的一个参数，比热容越大，则表明该材料储存能量的能力更强。目前常见的测试方法常用比较法、绝热法、混合法、电脉冲加热法、衡量热计法等测试材料的比热容[6]。采用自主研发的比热容测试仪器进行测量，是混合法和绝热法的结合，测试仪如图1和图2所示。

图1 比热容量热器

图2 温度采集仪

2.2 导热系数测试方法

导热系数是反应材料导热能力大小的一个参数，材料的导热系数越大，表明它的导热能力越强。选用瞬态热线法测量混合料的导热系数。

3 混合料比热容影响因素研究

3.1 沥青种类对混合料比热容的影响

选择壳牌70#基质沥青、SK90#基质沥青及SBS1-C改性沥青，OGFC-10中值级配，辉绿岩，沥青用量为5.1%，分别成型标准马歇尔试件进行试验，测试结果见图3。

图3 混合料比热容与沥青种类的关系

由图3试验结果可以看出，采用不同沥青种类成型的混合料，其比热容大小存在一定差异，其中，用SBS1-C改性沥青成型的混合料比热容明显比两种基质沥青成型的混合料比热容大；而两种基质沥青之间，壳牌70#沥青成型的混合料比热容比SK90#大，结合表1知，这与沥青密度有关系，沥青密度越大，成型的混合料比热容就越大。

3.2 集料种类对混合料比热容的影响

为研究集料种类单一因素对混合料比热容的影响，取石灰岩、闪长岩、辉绿岩及花岗岩四种集料进行比热容的测定，取OGFC-10中值级配，沥青为SBS1-C，沥青用量为5.1%，试验结果见图4。

图4 沥青混合料比热容与集料种类的关系

由试验结果知，在沥青种类、沥青用量和级配类型均相同的情况下，四种集料成型的试件比热容大小为：辉绿岩>闪长岩>石灰岩>花岗岩，这与岩石的岩性组成有关，结合表3～表6，从各岩石岩性组成比例分析，这不是由单一岩性组成所决定的，是由多种岩性组成共同作用的。

3.3 混合料空隙率对混合料比热容的影响

为了控制空隙率单一变量对沥青混合料比热容的影响，选择级配类型为OGFC-10，采用中值级配，集料选用辉绿岩，沥青选用SBS1-C改性沥青，沥青用量为5.1%，通过采用不同击实次数来获得不同的空隙率，35、50、65、70次的击实次数下对应的混合料空隙率分别为18.1%、15.6%、13.9%、13.1%，测试结果见图5。

图5 沥青混合料比热容与混合料空隙率的关系

由试验结果知，沥青混合料比热容随混合料空隙率的增大而增大，这是因为混合料空隙越大，空隙中填充的空气越多，原来用混合料填充的部分被空气所取代，而空气散热能力又比混合料散热能力差，所以空隙率大的混合料储热能力更强，比热容也就越大。

3.4 级配类型对比热容的影响

为研究级配类型对混合料比热容的影响，选择AC-10、OGFC-10和SMA-10三种级配类型，采用中值级配，选用SBS1-C改性沥青，沥青用量分别为4.7%、5.1%、6.1%。按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的方法成型标准马歇尔试件，测试结果见图6。

图6 沥青混合料比热容与级配类型的关系

由试验结果知，三种级配混合料的比热容大小依次为：SMA-10>OGFC-10>AC-10，这是由于SMA-10混合料的沥青用量最多，沥青吸热储热能力更强，因而比热容最大。OGFC-10混合料与AC-10混合料相比，其空隙率更大，沥青用量更多，所以比热容比AC-10大。

4 混合料导热系数和热阻能力影响因素研究

导热系数是反应材料导热能力大小的一个参数，材料的导热系数越大，表明它的导热能力越强。而热扩散系数是综合度量材料导热能力和储存能力的一个指标，热扩散系数小的材料对其所处热环境的改变反应较慢，需要更长的时间才能达到热平衡状态，因而内部升温较慢，材料的阻热能力更强。热扩散系数α计算公式如下：

式中：α—材料热扩散系数，m2/s；

k—材料导热系数，W/(m·K)；

ρ—材料密度，kg/m3；

c—材料比热容，J/(kg·K)。

(1)沥青对混合料导热系数和热扩散能力的影响

选择壳牌70#基质沥青、SK90#基质沥青及SBS1-C改性沥青，级配类型选用OGFC-10级配中值，集料类型选用辉绿岩，沥青用量为5.1%，分别成型标准马歇尔试件进行试验，测试结果见表8。

表8 不同沥青热物理参数

图7 混合料热物理参数与沥青种类的关系

由试验结果知，三种沥青的导热系数大小为：SBS1-C>壳牌70#>SK90#，SBS1-C改性沥青成型的混合料导热系数比两种基质沥青成型的混合料导热系数大；而两种基质沥青之间，壳牌70#沥青成型的混合料导热系数比SK90#大，结合表1知，这与沥青密度有关系，沥青密度越大，成型的混合料导热系数就越大。而热扩散系数大小为：SK90#>壳牌70#>SBS1-C，故三种沥青的阻热能力大小顺序为：SBS1-C>壳牌70#>SK90#。

(2)集料对混合料导热系数和热扩散能力的影响

取石灰岩、闪长岩、辉绿岩及花岗岩四种集料进行混合料导热系数的测定，取OGFC-10中值级配，沥青为SBS1-C改性沥青，沥青用量为5.0%，测试结果见表9。

表9 不同集料热物理参数

由图8可知，各集料成型混合料的导热系数大小和热扩散系数大小均为：花岗岩>闪长岩>石灰岩>辉绿岩，且各岩石之间的导热系数差别还很明显，究其原因，主要是各集料的岩性及其组成比例均存在一定的差别而造成的；用辉绿岩作为混合料集料时，混合料热阻能力最强，而用闪长岩作为混合料集料时热阻能力最弱。

图8 混合料热物理参数与集料种类的关系

(3)空隙率对导热系数和热扩散能力的影响

为研究空隙率对沥青混合料导热系数的影响，选择OGFC-10中值级配，集料选用辉绿岩，沥青选用SBS1-C改性沥青，通过采用不同击实次数来获得不同的空隙率，35、50、65、70次的击实次数下对应的混合料空隙率分别为18.1%、15.6%、13.9%、13.1%，测试结果见表10。

表10 沥青混合料不同空隙下的热物理参数

由图9知，混合料的空隙率越大，其导热系数和热扩散系数越小，是由于空隙率越大，空隙中存在的空气越多，而空气的导热系数比混合料的小，因而随着沥青混合料的空隙率增大，其导热系数也越小。材料热扩散系数与材料导热系数成正比，故混合料热扩散系数随混合料空隙率增大而减小，热阻性能随空隙率增大而增强。

图9 混合料热物理参数与混合料空隙率的关系

(4)级配类型对混合料导热系数和热扩散能力的影响

选择AC-10、OGFC-10和SMA-10三种混合料中值级配，沥青种类和用量与3.4一样，测定各试件的导热系数，其结果见表11和图10。

表11 不同混合料级配的热物理参数

图10 混合料热物理参数与级配类型的关系

由表11和图10试验结果知，各混合料导热系数与热扩散系数大小均为：AC-10>SMA-10>OGFC-10，这说明级配类型对混合料导热系数有一定的影响，OGFC-10混合料的毛体积密度最小，空隙率最大，故OGFC-10混合料的导热系数与热扩散系数均最小，热阻能力也最强。

5 结论

研究了集料种类、沥青种类、混合料空隙率和级配类型对混合料阻热性能的影响，得出以下结论：

(1)各沥青种类间导热系数大小、比热容大小均为：SBS1-C>壳牌70#>SK90#；热阻能力大小为：SBS1-C>壳牌70#>SK90#。

(2)集料导热系数大小依次为：花岗岩>闪长岩>石灰岩>辉绿岩；比热容大小为：辉绿岩>闪长岩>石灰岩>花岗岩；而热阻性能为：辉绿岩>花岗岩>石灰岩>闪长岩。

(3)混合料导热系数大小为：AC-10>SMA-10>OGFC-10；比热容大小为：SMA-10>OGFC-10>AC-10；热阻性能大小为：OGFC-10>SMA-10>AC-10。

(4)混合料导热系数随混合料空隙率增大而减小，比热容刚好相反，而混合料的热阻性能也是随着混合料空隙率的增大而越来越好。

(5)推荐热阻薄层罩面原材料选用辉绿岩和SBS1-C改性沥青，级配类型选用OGFC-10，而混合料空隙率由于直接影响到混合料路用性能，所以需结合混合料路用性能后才能确定。