气孔玄武岩超薄罩面沥青路面降温效果和性能研究

张 楠，范群保，郑南翔

(1.合肥学院城市建设与交通学院，合肥 230601；2.中交基础设施养护集体有限公司，北京 100011； 3.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安 710064)

0 引 言

沥青路面具有表面平整、行车舒适性好、噪音小、施工周期短、养护维修简单、可再生利用等优点，逐渐成为城市中主要的路面形式。但是由于沥青路面属于黑色感温性材料，夏季沥青路面吸收大量的热量，表面温度升高，会形成如下问题：一是夏季沥青路面温度升高，加上车辆荷载的共同作用，容易出现车辙性病害[1-3]；二是沥青路面夜晚释放热量会使城市温度显著增加，造成城市热岛效应问题，增加能耗。为了解决上述问题，很多学者开始研究沥青路面降温技术，目前使用最广泛的是热反射涂层和热阻路面技术，热反射技术一般采用具有反射功能的涂层材料，涂刷于沥青路面表面，冯德成等[4]、郑木莲等[5]、唐伯明等[6]对热反射涂层的降温性能和抗滑效果进行研究，研究发现热反射涂层可以降低沥青路面温度12 ℃以上，但降温效果随着老化时间的延长而降低，抗滑效果相对较差，且反射涂层容易被车辆轮胎磨耗掉，影响使用性能。热阻路面一般采用导热系数较低的粗骨料替换普通骨料，如陶瓷废料、陶粒、膨胀蛭石和煅烧铝矾石等。Feng等[7]和钱振东等[8]分析了陶瓷废料作为沥青混合料阻热骨料的可行性，研究结果表明，为满足路用性能要求，陶瓷废料的掺量不宜超过集料总体积的40%，陶瓷废料用于混合料有良好的降温效果；长安大学邹玲等[9]以导热系数较低的陶粒替换普通集料研发了热阻式薄层罩面沥青混合料SMA-10，取得了明显的降温效果；杨风雷[10]研究发现蛭石的强度低，只能替代细集料，高温稳定性较差，李彩霞等[11]对煅烧铝矾石替换普通集料后AC-13和SMA-13沥青混合料路用性能和降温性能进行了研究，发现煅烧铝矾石的加入降低了混合料的水稳定性。

国内外热阻路面研究虽然取得一定成效，但是也存在一些的问题：废旧陶瓷作为阻热集料破碎后针片状严重，其与沥青的黏附性较差；陶粒的加入增加了混合料沥青用量，且提高了路面表面温度；膨胀蛭石混合料高温性能极差；煅烧铝矾石对混合料水稳定性产生不利影响。因此有必要研究一种新型热阻沥青混合料。气孔状玄武岩为斑状气孔构造，摩尔硬度为5～8，密度1.5～1.6 g/cm3，在地壳中分布广泛，过去多用在水泥混凝土中作为建筑轻质骨料，在减重、隔热、隔音方面已经取得良好的效果。气孔玄武岩坚硬的材质和同沥青良好的黏附性为其应用在沥青路面上提供了可能性[12]，目前气孔玄武岩用于沥青路面上的研究较少。因此，本文选用气孔玄武岩作为热阻材料，并采用NovaChip Type-B半开孔隙沥青混合料来加大热阻效果，采用自主研发的室内模拟太阳辐射测试系统，研究不同气孔玄武岩掺加量下的沥青混合料的降温效果，并通过其热物性能、高温稳定度、低温性能、水稳定性、力学性能、飞散性能和抗滑性能得出较为适宜的掺配比例，结合热传导机理，分析气孔玄武岩沥青混合料的热阻机理。

图1 气孔玄武岩实物图Fig.1 Physical picture of porous basalt

1 实 验

1.1 原材料

沥青选用SBS I-C改性沥青、70#基质沥青和SBR改性乳化沥青，粗集料种类选用两种，一种为普通玄武岩，另一种为气孔玄武岩，如图1所示。细集料为普通玄武岩，矿粉为石灰岩，沥青和集料技术指标分别如表1、表2和表3所示。当粗集料为普通玄武岩时，AC-13型沥青混合料采用70#基质沥青，NovaChip Type-B型沥青混合料选用SBS I-C改性沥青，经过配合比设计，其合成级配如表4所示。

表1 沥青技术指标Table 1 Technical properties of asphalt

表2 SBR改性乳化沥青指标Table 2 Technical properties of SBR modified emulsified asphalt

表3 集料技术指标Table 3 Technical properties of aggregate

表4 沥青混合料合成级配(质量分数)Table 4 Synthetic gradation of asphalt mixture (mass fraction)

1.2 气孔玄武岩掺配方法

由于气孔玄武岩密度约为玄武岩密度的0.6倍，相同质量的气孔玄武岩体积约为玄武岩2倍。粗细集料体积比例的改变破坏了原有级配结构，对混合料路用性能产生影响。因此，采用体积质量转换法，即将级配设计得到的配合比作为各粒径集料的体积配合比，集料替换公式如式(1)所示。本文选择0%、25%、50%和75%四种气孔玄武岩比例等体积替换玄武岩粗集料，采用NovaChip Type-B混合料级配，并确定其最佳油石比分别为5.2%、5.7%、6.3%和7.6%。

(1)

式中：Pmi为集料的质量配合比，%；Pvi为集料的体积配合比，%；γi为集料的毛体积相对密度，g/cm3。

1.3 双层车辙板成型方法

首先采用普通车辙板试模成型30 cm×30 cm×5 cm的AC-13沥青混合料车辙板，待冷却24 h后，脱模，然后将5 cm厚车辙板放入特制的30 cm×30 cm×7 cm的车辙板试模中，在车辙板上表面均匀撒布一层SBR改性乳化沥青黏层油，其用量为0.4 L/m2，待乳化沥青破乳水分蒸发后，分别采用0%、25%、50%和75%体积掺量替代下的气孔玄武岩集料，在其上部成型厚度为2 cm的NovaChip Type-B沥青混合料，待冷却24 h后，脱模。

1.4 试验方案

(1)降温效果性能测试

分别在双层车辙板试件两侧侧边中心位置上表面、距离上表面2 cm和底面7 cm处钻孔以插入温度传感器测针，如图2所示。采用课题组自制的室内太阳辐射模拟测试系统，如图3和图4所示，调节内部环境箱湿度为80%，温度调节至25 ℃，试件保温3 h，打开碘钨灯辐射光源调节至890～910 W/m2，每0.5 h测试一次，辐射测试7 h，同时测量两组平行试验的试件，并采集各层温度。

(2)气孔玄武岩沥青混合料路用性能测试

路用性能按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的车辙试验、小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、单轴压缩试验和肯塔堡飞散试验进行评价。

(3)热物性参数测试

为了研究气孔玄武岩沥青混合料的热物性参数，采用瑞典Hot Disk TPS2500S型导热系数仪[13-14]测试其热物性参数。试件尺寸为φ101.6 mm ×63.5 mm的标准马歇尔试件，然后将试件沿横向切面切割成两个对称圆柱体，每个测试试件的尺寸为φ101.6 mm×31.75 mm，将测试面用打磨机打磨，确保切面平整、光滑和干净，测试前将试件在20 ℃下的环境箱中保温4 h。

图2 试件测温位置Fig.2 Temperature measurement position of the specimen

图3 室内模拟太阳辐射测试系统示意图Fig.3 Schematic diagram of indoor simulated solar radiation testing system

图4 试验系统实物图Fig.4 Physical diagram of the test system

2 结果与讨论

2.1 降温效果性能

对气孔玄武岩体积替换比例分别为0%、25%、50%和75%(体积分数,下同)的双层车辙板试件进行室内热辐射试验，每0.5 h采集一次温度数据，双层车辙板表面、2 cm处和7 cm层位处试件的温度变化规律如图5和表5所示。

图5 不同层位处试件的温度变化规律Fig.5 Temperature variation law of the specimen at different layers

表5 不同气孔玄武岩掺量下的超薄罩面沥青混合料的降温效果Table 5 Cooling effect of ultra-thin overlay asphalt mixture with different proportion of stomatal basalt

由图5和表5可知：随着气孔玄武岩掺量的增加，车辙板试件的上表面温度逐渐升高，表面升温速率由快到慢的顺序为75%>50%>25%>0%，这是由于随着气孔玄武岩掺量增加，沥青混合料的导热系数降低，热阻性能提高，阻止热量向下传递，从而使试件表面温度升高；相比较于0%气孔玄武岩掺量的沥青混合料，25%、50%和75%掺量下距离试件表面2 cm处最大降温分别为2.0 ℃、4.2 ℃和5.9 ℃，这表明随着气孔玄武岩掺量的增加，导热系数降低，阻止了热量向路面内部传递，从而使车辙板试件内部的温度降低，说明气孔玄武岩沥青混合料具有一定的降温效果；当气孔玄武岩掺量为50%时，2 cm和7 cm位置上的测试的最高温度均小于75%掺量，说明在50%气孔玄武岩掺量下，沥青混合料的降温效果最好；当气孔玄武岩掺量达到75%时，距离试件表面2 cm处的温度较50%掺量时有所升高，这是由于掺量过大，沥青用量过多，气孔玄武岩沥青混合料吸热过多，此时沥青用量对温度的影响已经超过气孔玄武岩对温度的影响，说明为保证气孔玄武岩沥青混合料有足够的降温效果，气孔玄武岩的掺量不宜过高。相比较于0%气孔玄武岩掺量的沥青混合料，25%、50%和75%掺量下试件底面(距离试件表面7 cm处)最大降温分别为2.4 ℃、5.1 ℃和6.6 ℃，这表明在铺筑了气孔玄武岩罩面后，原沥青路面温度明显降低，可以有效阻止路面车辙病害的产生。当气孔玄武岩掺量达到75%时，其降温效果受到沥青用量增加的影响而有所降低，不利于减少原路面的车辙病害。根据不同气孔玄武岩掺量的混合料降温性能，随着气孔玄武岩掺量的增加，混合料降温效果提升，而气孔玄武岩体积掺量为50%左右时，试件在2 cm和7 cm深处温度最低，降温效果最好。

2.2 高温稳定性试验

对不同气孔玄武岩体积掺配比例的双层车辙板试件进行车辙试验，其试验结果如表6所示。

由表6可知，随着气孔玄武岩掺量的增加，沥青混合料的动稳定度先增加后减少，其中掺量为25%、50%和75%的气孔玄武岩较0%掺量下的动稳定度分别增加了23.0%、29.4%和1.5%。气孔玄武岩掺量的增加可以适当提高沥青混合料的高温性能，这是由于一方面随着气孔玄武岩掺量的增加，其孔隙吸附沥青的用量增加，在气孔玄武岩表面包裹一层沥青，增加了气孔玄武岩的强度，另一方面气孔玄武岩颗粒表面空隙较大，粗糙度较大，少量的气孔玄武岩在沥青混合料中，增加了集料之间的嵌挤能力，提高了高温稳定性。但当气孔玄武岩掺量大于50%时，其高温稳定性受沥青用量及气孔玄武岩材料本身强度的影响较大，因此混合料动稳定度呈现显著降低的趋势。

2.3 低温性能试验

低温性能是指沥青混合料在低温条件下抵抗低温收缩开裂的能力，我国主要通过低温弯曲试验的最大弯拉应变指标来评价。试验仪器采用小梁弯曲试验仪，试验温度为(-10±0.5) ℃，加载速率为50 mm/min。试验结果如表7所示。

表7 低温弯曲试验结果Table 7 Low temperature bending test results

由表7可知，随着气孔玄武岩掺量的增加，沥青混合料抗弯拉强度和弯曲劲度模量逐渐降低，最大弯拉应变有略微上升的趋势，其中25%、50%和75%掺量下的混合料最大弯拉应变较0%掺量分别提高了0.6%、1.7%和2.9%。试验结果表明气孔玄武岩掺加不会对混合料低温抗裂性能产生不利影响，反而会略微提高其低温抗裂性能。掺加气孔玄武岩后，沥青用量增加，沥青混合料韧性增强，导致其最大弯拉应变逐渐增加，低温抗裂性能逐渐提高；而混合料抗弯拉强度和弯曲劲度模量随气孔玄武岩掺量增加而逐渐降低，这与沥青用量增加以及气孔玄武岩本身强度较普通玄武岩低密切相关。

2.4 水稳定性能试验

水稳定性能试验主要通过残留稳定度试验与冻融劈裂试验来评价沥青混合料的水稳定性能。残留稳定度试验结果和冻融劈裂强度比(TSR)试验结果分别如图6、图7所示。

图6 残留稳定度试验结果Fig.6 Residue stability test results

图7 冻融劈裂强度比试验结果Fig.7 Test results of freeze-thaw tensile strength ratio

由图6和图7可知：

(1)随着气孔玄武岩掺量的增加，30 min下和48 h下的沥青混合料稳定度先增加后减小，在气孔玄武岩掺量达到50%时，达到最大值。试验结果与动稳定度试验结果比较基本相似：说明当气孔玄武岩掺量小于50%时，由于气孔玄武岩的加入沥青用量增加，沥青包裹在玄武岩集料表面，增加了其与普通骨料之间的嵌挤力，增加了高温稳定性和水稳定性的绝对值；当玄武岩掺量过大时，其稳定度显著较低，是气孔玄武岩的强度相对较低造成的。

(2)随着气孔玄武岩掺量的增加，未经过冻融循环试件的劈裂强度相差不大，其中当气孔玄武岩掺量为25%时，其劈裂强度较普通混合料略微增加，这是由于气孔玄武岩表面粗糙有气孔，少量气孔玄武岩的加入增加了沥青用量，且增加了其与普通骨料之间的嵌挤力，增加了强度。经过冻融循环试件的劈裂强度随着气孔玄武岩掺量的增加而降低，这是由于气孔玄武岩内部连通的空隙较多，水分容易进入到混合料内部，加上结冰冻胀作用和冻融作用，致使混合料劈裂强度下降。

(3)随着气孔玄武岩掺量的增加，混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比逐渐降低，表明较大空隙级配掺加多孔玄武岩后，一方面由于多孔集料孔隙的毛细作用，水分更加容易通过孔隙进入沥青与集料之间，造成集料易从沥青表面剥落，另一方面半开孔隙沥青混合料的空隙率大于10%以上，水分容易进入混合料内部使部分沥青脱落，导致混合料水稳定性降低。

(4)对残留稳定度和冻融劈裂强度比进行多项式回归分析，残留稳定度的回归方程为y=8×10-5x3-0.012 2x2+0.189 3x+89.2，相关系数R2=1，气孔玄武岩掺量为30%时混合料残留稳定度为86.1%；冻融劈裂强度比的回归方程为y=7.9×10-5x3-0.011 1x2+0.088x+85.35，相关系数R2=1气孔玄武岩掺量为30%时混合料冻融劈裂强度比为80.2%，两者仍然能够满足规范要求。在掺量大于30%后，水稳定性迅速下降，且已经不能满足我国规范要求，所以气孔玄武岩掺量宜小于30%。

2.5 力学性能

单轴压缩试验用于测定沥青混合料抗压强度，抗压强度表征了沥青混合料在压力作用下抵抗弹塑性变形的性能。沥青混合料抗压强度试验结果如表8所示。

表8 沥青混合料抗压强度试验结果Table 8 Test results of compressive strength of asphalt mixture

由表8可知，随着气孔玄武岩掺量的增加，沥青混合料的抗压强度逐渐降低。与0%掺量相比，25%、50%和75%掺量下的气孔玄武岩沥青混合料的抗压强度分别降低了14.8%、22.3%和23.9%，气孔玄武岩的内部有较多的孔隙结构，导致其抗压强度低于普通玄武岩。因此，气孔玄武岩等体积替换后降低了沥青混合料抵抗弹塑性变形的性能，但当气孔玄武岩的体积掺量超过50%时，其抗压强度降低了20%以上，故气孔玄武岩的掺量不能过高。

2.6 飞散性能

沥青混合料肯塔堡飞散试验是用于评价在车辆荷载作用下，沥青用量过少或黏结性不够导致集料脱落的程度。肯塔堡飞散试验结果如表9所示。

表9 肯塔堡飞散试验结果Table 9 Kentucky fort flying test results

由表9可知，不同气孔玄武岩掺加比例下的沥青混合料飞散损失相差不大，其中25%和50%掺量下较0%掺量下的混合料飞散损失增加了0.51%和0.30%，而75%掺量下的混合料飞散损失较0%掺量反而降低了1.31%。进一步说明了气孔玄武岩用于沥青混合料后其黏结强度较好，这是由于气孔玄武岩特殊的气孔表面构造，一方面需要吸附大量的沥青，增加了沥青用量，使其黏结性能提高，另一方面其表面粗糙，又增加了骨料之间的嵌挤摩擦力，故而增加了混合料之间的黏结力。

2.7 抗滑性能

图8 不同气孔玄武岩掺量下混合料的摆值Fig.8 British pendulum number of the asphalt mixture with different stomatal basalt proportion

目前我国沥青路面抗滑性能评价指标主要是横向力系数、构造深度和摩擦系数。其中适用于室内研究的方法主要是铺砂法测试表面构造深度和摆式仪法测摆式摩擦系数，表面构造深度不适合大孔隙沥青混合料。本文选用摆式摩擦系数来表征不同气孔玄武岩替换量下的沥青磨耗层的抗滑性能，测试结果如图8所示。

从图8可知，随着气孔玄武岩掺量的增加，摆值先增大后减少，这是由于气孔玄武岩表面粗糙，在一定掺量范围下，随着气孔玄武岩用量的增加，增大了沥青混合料的抗滑性能，但当气孔玄武岩掺量超过50%时，由于油石比增加较大，较大的油石比反而使沥青混合料表面裸露的集料减少，抗滑性能减少。故气孔玄武岩掺量不能过大，要控制在50%以内，此范围内的气孔玄武岩可以提高沥青混合料的抗滑性能。

3 气孔玄武岩超薄罩面沥青路面降温机理及最佳掺量分析

3.1 气孔玄武岩降温机理分析

为了研究气孔玄武岩沥青混合料的热物性参数，采用瑞典Hot Disk TPS2500S型导热系数仪测试其热物性参数。导热系数测试结果如表10所示。

表10 气孔玄武岩沥青混合料热物性测试结果表10 Test results of thermal properties of stomatal basalt asphalt mixture

由表10可知，随着气孔玄武岩掺量的增加，沥青混合料的导热系数显著降低，热扩散系数逐渐减小，其中气孔玄武岩掺量为25%、50%和75%的导热系数较0%掺量时分别降低了39.1%、50.7%和61.8%，气孔玄武岩掺量为25%、50%和75%的热扩散系数较0%掺量时分别降低了29.0%、38.6%和51.9%。根据热传导公式Φ=-λ·A·(∂T/∂δ),其中Φ表示平均传递的热流量，λ表示导热系数，A表示热量传导的面积,∂T/∂δ表示温度梯度，说明导热系数与平均热流量呈反比关系，导热系数越小，传递的热流量越少，热阻效果越好。而气孔玄武岩的导热系数较普通混合料的导热系数降低较多，说明采用气孔玄武岩替换集料可以大幅度降低沥青混合料的导热系数和热扩散系数，起到热阻效果。

根据Williamson[15]提出了具有90%精度的沥青混合料导热系数预估公式：

km=(ka)m·(kb)n·(kv)p·(kw)q

(2)

式中：km为沥青混合料的导热系数，W/(m·K)；ka为集料的导热系数，W/(m·K)；kb为沥青结合料的导热系数，W/(m·K)；kv为空气的导热系数，W/(m·K)；kw为水的导热系数，W/(m·K)；m、n、p、q分别表示集料、沥青结合料、空气和水的体积分数，%。由于气孔玄武岩中含有非常多密闭的空隙结构，这些空隙结构被空气充斥，而空气的导热系数为0.026 W/(m·K)，较多的密闭空隙结构使气孔玄武岩的导热系数降低。

3.2 确定气孔玄武岩最佳掺量

图9 符合性能要求的气孔玄武岩掺量范围图Fig.9 Graph of the content range of porosity basalt meeting the performance requirements

绘制气孔玄武岩掺量与其沥青混合料的降温性能和路用性能指标关系图，以气孔玄武岩掺量为横坐标，以满足规范要求的降低温度、动稳定度次数、最大弯拉应变、残留稳定度、冻融劈裂强度比、单轴抗压强度、飞散损失和摆值作为纵坐标，如图9所示。

从图5～9和表5～10可知，根据气孔玄武岩超薄罩面沥青混合料的降温性能测试结果可知，随着气孔玄武岩掺量的增加，降温效果提升，在掺量为50%左右时，其降温效果最好。根据气孔玄武岩沥青混合料的路用性能分析:当气孔玄武岩的掺量为25%～50%之间时，掺加气孔玄武岩适当提高了沥青混合料的高温性能；掺加气孔玄武岩不会对混合料低温性能产生不利影响，反而会略微提高其低温抗裂性能；随着气孔玄武岩掺量的增加，其抗水损害能力逐渐降低，当气孔玄武岩掺量小于30%时，其混合料的水稳定性满足规范要求；掺加气孔玄武岩沥青混合料的抗压强度随着气孔玄武岩掺量的增加而降低，需要控制气孔玄武岩的掺入量；随着气孔玄武岩掺量的增加，气孔玄武岩沥青混合料的飞散性能变化不大；当气孔玄武岩掺量为50%以下时，随着气孔玄武岩掺量增加，其抗滑性能提升。综合气孔玄武岩沥青混合料的降温效果和路用性能，最终推荐气孔玄武岩掺量为25%～30%。

4 结 论

(1)随着气孔玄武岩掺量的增加，试验试件的上表面温度逐渐升高，表面升温速率由快到慢的顺序为75%>50%>25%>0%，表明气孔玄武岩掺量不宜过多。

(2)试验试件的2 cm处温度降温幅度由大到小的顺序为50%>25%>75%，相比较于0%掺量，25%、50%和75%掺量下试件2 cm处最大降温分别为2.0 ℃、4.2 ℃和5.9 ℃。

(3)试验试件的底面温度降温幅度由大到小的顺序为50%>25%>75%，相比较于0%掺量，25%、50%和75%掺量下试件底面最大降温分别为2.4 ℃、5.1 ℃和6.6 ℃。

(4)气孔玄武岩掺量为25%、50%和75%的导热系数较0%时分别降低了39.1%、50.7%和61.8%；掺加气孔玄武岩适当提高了沥青混合料的高温性能；气孔玄武岩掺加不会对混合料低温性能产生不利影响，反而会略微提高其低温抗裂性能；随着气孔玄武岩掺量的增加，其抗水损害能力逐渐降低，随着气孔玄武岩掺量的增加，抗滑性能先增大后减少。

(5)根据热阻沥青混合料阻热降温试验确定气孔玄武岩掺量下限，根据混合料水稳定性试验确定气孔玄武岩掺量上限，最终推荐气孔玄武岩掺量为25%～30%。