相变多孔沥青混合料路用性能及抗凝冰特性探究

武昊 项震宇 李明亮 李俊 韩丁丁

（1.交通运输部公路科学研究院，北京 100088；2.道路结构与材料交通运输行业重点实验室，北京 100088；3.金华市公路与运输管理中心，浙江 金华 321000）

目前，常见的融冰雪型路面添加剂主要为氯盐类和相变材料类。经研究发现，氯盐类融冰雪沥青路面的作用机理主要是通过氯盐的析出来降低路表积水的冰点，从而达到融冰雪的目的。但氯盐类材料作为改性剂对沥青混合料各项性能有一定的负面影响，其中水稳定性受影响较大。且随着铺筑时间的增加，沥青路面的融雪能力会逐渐降低，此外融雪型沥青路面中融雪剂的析出效率也会随路面深度的增加而降低。而相变材料（主要有合金类、有机类）具有储热特性，在环境温度变化时，可通过自身在相态转变的过程中吸放热量来调节周边环境温度。目前，相变材料作为保温材料已被广泛应用于电池、构筑物、冷链运输等领域。由于相变材料具有高潜热值的特点，添加在路面材料中可提高其抗凝冰能力，使得沥青路面具有自主调温的功能，从而达到融冰雪的目的。

一.试验设计

（一）相变材料

本次试验采用的相变材料常温下为白色固体颗粒，按照 《公路沥青混合料用融冰雪材料》（（JT/T 1210.2-2018））第1部分对相变材料的规定，对相变材料的熔融焓值（J/g）、相变形式及焓值衰减率（%）开展试验，结果如表1所示。由试验结果可知，相变材料的尺寸及理化性能符合相关要求。

表1 相变材料的尺寸及理化性能

表1 相变材料的尺寸及理化性能

（二）沥青混合料

本次试验的沥青是采用高黏度添加剂与SBS改性沥青复合的改性沥青，掺配比例为8:92；矿粉采用石灰岩矿粉；细集料采用直径小于3mm的石灰岩机制砂；粗集料分别采用直径为5mm～10mm、10mm～15mm的玄武岩粗集料；聚酯纤维掺量为多孔沥青混合料质量的0.1%。上述原材料各项指标检测结果均满足要求。

试验采用表2级配和表3配合比制备相变多孔沥青混合料。

表2 相变多孔沥青混合料目标设计级配

表2 相变多孔沥青混合料目标设计级配

表3 矿料配合比及油石比

表3 矿料配合比及油石比

二、研究方案

（一）相变多孔沥青混合料常规路用性能试验

采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）相关试验方法，对比分析相变多孔沥青混合料和常规多孔沥青混合料（对照组）的常规路用性能。

（二）相变多孔沥青混合料室内融冰雪能力试验

按照《公路沥青融雪材料》规定的融冰雪能力值及试验方法，相变多孔沥青混合料与常规多孔沥青混合料（对照组）开展试验，具体流程如下：

将测试试件在恒定温度为25℃且无热源条件下放置12h以上；将试件置于密闭的箱体中用热源在车辙板正上方照射2h；将照射后的试件放入-5℃的冰柜中；每块试件各放置1块冰块，分别称量冰块的质量记为，并将冰块竖直放置于车辙板中间；每间隔30min称量并记录冰块质量，之后放回原位置继续试验，3h后称量各冰块质量记为计算试件的融冰雪能力值；每组测试相同配合比混合料的3块试件，取3次试验平均值作为该组试件的融冰雪能力值。按公式（1）计算融冰雪能力值，精确至小数点后两位。

公式（1）中，ω表示掺加相变材料的沥青混合料融冰雪能力值，单位为克/每平方厘米（g/cm2）；表示相变材料沥青混合料上冰块的初始质量，单位为克（g）；表示相变材料沥青混合料上3h后的冰块质量，单位为克（g）；表示基准对照组沥青混合料上冰块初始质量，单位为克（g）；表示基准对照组沥青混合料上3h后冰块质量，单位为克（g）；S表示冰块与沥青混合料的接触面积，单位为平方厘米（cm2）。

（三）相变多孔沥青混合料试验段调温性能测试

选择G2513淮徐高速江苏段作为相变多孔沥青混合料铺筑试验段，段落长度约为2.5km，半幅铺筑，铺筑宽度为11.75m，路面结构方案如图1所示。

图1 相变多孔沥青路面结构试验段方案

本次测试采用温度法测量评价相变多孔沥青路面调温性能，温度测量点位分别选取路基段、桥梁段的典型段落，如表4所示，其中“对照组”为相变多孔沥青试验段对向车道未加相变材料的常规多孔沥青路面。

表4 温度观测位置及观测方案

表4 温度观测位置及观测方案

三、研究结果与分析

（一）相变多孔沥青混合料常规路用性能

相变多孔沥青混合料和常规多孔沥青混合料（对照组）的路用性能试验结果如表5所示。

表5 相变多孔沥青混合料的路用性能

表5 相变多孔沥青混合料的路用性能

由表5数据可知，与常规多孔沥青混合料相比，相变多孔沥青混合料的析漏损失减小了63.2%、飞散试验损失减小了7.5%、浸水飞散损失减少了4.5%，这是因为相变材料填充在混合料的空隙中，需要更多的沥青裹附在混合料表面，从而减少多余沥青的自由流动及析漏损失；由于相变多孔沥青混合料具有更小的空隙率和更小的析漏损失，黏附在集料-相变材料表面的有效沥青含量较高，因此其具有更好的抗飞散性能；相变多孔沥青混合料的马歇尔稳定度、浸水马歇尔试验残留稳定度、冻融劈裂试验残留强度比与常规多孔沥青混合料相比没有明显差距，可以说明相变材料的加入对多孔沥青混合料的水稳定性影响不大；相变多孔沥青混合料的动稳定度比常规多孔沥青混合料低18.6%，说明相变材料的加入使多孔沥青混合料的高温稳定性有所降低，这是因为相变材料在试验过程中吸收了一定的热量，为使试件表面维持在设定的试验温度，需承受更高的热量，致使相变多孔沥青混合料的高温稳定性有所降低。

（二）相变多孔沥青混合料融冰雪特性

1.室内融冰雪特性

根据上述试验方案，相变多孔沥青混合料的融冰雪能力试验结果如图2所示，融冰雪能力值如表6所示。

图2 融冰雪性能随时间变化

相变多孔沥青混合料融冰雪能力

相变多孔沥青混合料融冰雪能力

由图2实线走势可以看出，随试验时间的增加，冰块的损失质量不断增加，在0h～1.5h，冰块损失质量迅速上升；在2h～3h，冰块损失质量趋于稳定。在相同的观测时间内，试验3h时置于相变多孔沥青混合料试件的融冰质量为127.3g，比常规多孔沥青混合料试件（融冰质量为96.0g）增大了32.6%。经过计算，相变多孔沥青混合料融冰雪能力值平均可达到0.40g/cm2。说明与常规多孔沥青混合料相比，相变多孔沥青混合料有较强的融冰雪能力。

由图2虚线走势可以看出，试件的融冰速率（每0.5h冰块的损失质量/冰块总质量）随试验时间的增加而降低。在0h～1h期间，相变多孔沥青混合料和对照组融冰速率差异较小；在1h～2.5h期间，相变多孔沥青混合料的融冰速率明显高于对照组；在2.5h以后，相变多孔沥青混合料的融冰速率逐渐趋于平缓。相变多孔沥青混合料在1h、1.5h、2h、2.5h时的融冰速率分别比对照组高36%、129%、373%和294%，可以说明，在1h～2.5h期间，相变多孔沥青混合料的融冰能力明显高于对照组。这是因为在试验时间内，相变材料根据环境温度的降低而持续释放热量，使混合料在1h～2.5h期间具有持续、稳定的融冰能力。

2.试验段调温性能

由各观测点的观测结果中取同一观测点不同点位温度的平均值，结果如图3、图4所示。

图3 桥梁段各观测点测量结果

图4 路基段各观测点测量结果

由图3、图4中各观测点的观测结果可知：

整体来看，路基段的路表平均温度高于桥梁段，其中未加相变材料（对照组）的路基段路表平均温度为-1.1℃，比对照组的桥梁段路表平均温度（-2.7℃）高1.6℃；相变多孔沥青路面的路基段路表平均温度为3.2℃，比相变多孔沥青路面桥梁段路表平均温度（2.1℃）高1.1℃。这是因为桥面下部为悬空形式，与路面相比温度极易散失、保温效果差。

在同一观测点，无论桥梁段还是路基段的相变多孔沥青路面路表温度均高于对照组路表温度。桥梁段相变多孔沥青路面路表平均温度为2.1℃，比对照组路表温度（-2.7℃）提升了4.8℃；路基段相变多孔沥青路面路表平均温度为3.2℃，比对照组路表温度（-1.1℃）提升了4.3℃。相变材料的加入使路表平均温度比对照组提升了4℃以上，且使路面/桥面的温度始终维持在冰点以上。

四、结语

与常规多孔沥青路面相比，采用相变材料制备的相变多孔沥青混合料路用性能的析漏损失减小了63.2%、飞散试验损失减小了7.5%、浸水飞散损失减少了4.5%、动稳定度降低了18.6%、浸水马歇尔试验残留稳定度和冻融劈裂试验残留强度相比没有明显差距，说明相变多孔沥青混合料抗飞散性能较好、高温稳定性较差，水稳定性则没有明显差距。

相变材料的加入使多孔沥青混合料融冰雪能力值达到0.4g/cm2，测试3h时融冰质量为127.3g，比常规多孔沥青混合料试件（融冰质量为96g）增大了32.6%，说明相变多孔沥青混合料具有一定的融冰化雪能力。

降雪后，相变多孔沥青路面比对照组路表温度高4℃以上，说明相变材料的加入可使相变多孔沥青路面具有良好的调温效果，且具备一定的融冰雪能力。