骨料级配对相变沥青混合料性能的影响

董子震, 张金喜, 孙国强, 张阳光

(北京工业大学交通工程北京市重点实验室, 北京 100124)

沥青混合料是世界上高等级路面的主要材料之一[1]。虽然沥青路面具有优异的性能,但沥青结合料是一种受环境温度影响很大的温度敏感材料。沥青路面在高温下吸收大量热量,容易产生高温病害[2]。此外,由于沥青路面是黑色的,它对太阳热辐射的吸收率很高,夏天路面表面温度可以达到60～70 ℃,这不仅增加了高温病害的程度,而且加剧了“城市热岛效应”的发展[3]。

相变储能技术在其他领域取得了很多成就,相变储能工艺被应用于各种热储能技术领域[4-5]。近年来,利用相变储能技术,对沥青路面相变主动高效温度调节技术进行了大量研究[6]。由于不同相变潜热在不同相变材料中的差异,不同相变材料可以将沥青混合料的温度降低4～10 ℃[7-9]。不同的相变材料对沥青混合料性能有不同的影响。许子龙[10]制备聚乙二醇/二氧化硅(PEG/SiO2)和聚乙二醇/膨胀石墨/二氧化硅(PEG/EG/SiO2)并制备了相变沥青混合料。通过路用性能测试结果表明,相变沥青混合料有良好的低温性能与水稳定性能,高温稳定性降低,但可以满足规范要求。通过调温试验结果表明,PCMs降低了沥青混合料的升温速率,PEG/EG/SiO2两种相变沥青混合料试件的最大降温效果分别为2.2 ℃和2.9 ℃。Jin等[11]通过路面性能试验证明,含有硅藻土/二元脂肪酸(硬脂酸/棕榈酸)复合形PCM的调温沥青混合料的高温性能和水稳定性显著降低,而低温性能和水稳定度则显著降低。因此研究人员通过添加纤维以及优化级配等方式来提高相变沥青混合料的路用性能。高颖等[12]、朱玉凤[13]利用PEG制备了相变沥青混合料,并通过添加玻璃纤维提高相变沥青混合料的路用性能。研究表明,添加0.2%玻璃纤维可改善相变沥青混合料的性能。PCMs掺入不同沥青混合料中的效果不同,李新[14]比较了AC-16与SAC-16两种不同类型沥青混合料的高温稳定性与调温性能,研究表明混合料类型对相变沥青混合料的高温稳定性有一定的影响。目前的研究中,尚未见到有关骨料级配对相变沥青混合料性能影响的研究。

为探讨沥青混合料骨料级配对相变沥青混合料性能的影响,现选用石蜡/膨胀石墨/高密度聚乙烯(paraffin/expanded graphite/high-density polyethylene,PHDP)与道路相变材料(DTC)两种复合定型相变材料(composite-shaped phase change materials,CPCM),利用傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectrometer,FTIR)试验,对定型相变材料与沥青之间的影响进行定性分析。制备相同类型、不同级配的AC-16与AC-20相变沥青混合料,并通过路用性能试验和调温试验评价不同级配对相变沥青混合料路用性能与调温效果影响。通过探讨相变沥青混合料的适宜级配,为相变材料在沥青路面材料中的应用提供依据。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

1.1.1 沥青

基质沥青采用AH-70沥青,依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[15]进行物理性能试验,其物理性能测试结果如表1所示,满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[16]的要求。

表1 集料技术指标及试验结果Table 1 Technical indexes of coarse aggregate

表1 基质沥青的物理性能Table 1 Physical properties of matrix asphalt

1.1.2 相变材料

采用两种复合定型相变材料(CPCMs),其中,石蜡/膨胀石墨/高密度聚乙烯(PHDP)的相变温度为11～37 ℃,相变焓为186 J/g;道路温度调节相变材料(DTC)为经过化学盾构反应形成的CPCM,其相变温度为10～20 ℃,相变焓为75 J/g。PHDP与DTC的形貌图如图1所示。

图1 复合定型相变材料的宏观形貌Fig.1 CPCMs morphology

1.1.3 集料

选用的粗、细集料为石灰岩,填料选用石灰岩矿粉,按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[16]对不同集料进行试验,试验结果如表1和表2所示。

表2 矿粉技术指标Table 2 Technical indexes of mineral powder

1.1.4 沥青混合料配合比设计

选用中国高速公路常见的AC-16和AC-20两种混合料类型,根据筛分试验,确定各类集料的累计通过率,依据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[16]密级配沥青混凝土混合料矿料级配范围,根据实际情况采用Superpave配合比设计方法调整得到,具体的试验数据如图2与图3所示。

图2 AC-16沥青混合料级配曲线Fig.2 Grading curve of AC-16 asphalt mixture

图3 AC-20沥青混合料级配曲线Fig.3 Grading curve of AC-20 asphalt mixture

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[15]和《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[16]中规定的马歇尔试验方法对预设不同沥青用量的沥青混合料进行马歇尔试验,确定相变沥青混合料的最佳油石比,其中AC-16为4.59%,AC-20为4.32%。

1.1.5 相变沥青混合料的制备

利用干法技术制备相变沥青混合料,经过旋转黏度确定拌和温度与压实温度,拌和温度为165 ℃;压实温度为135 ℃。经过一系列预实验后来确定PHDP与DTC在混合料中的掺量,PHDP与DTC的掺量均为混合料重量的0.35。CPCMs在集料搅拌完成5～10 s后投入,并继续搅拌5～10 s后加入沥青、矿粉等材料按常规工艺拌制,最终得到相变沥青混合料。

1.2 试验方法

1.2.1 傅里叶红外光谱(FT-IR)试验

采用VERTEX70傅里叶变换红外光谱仪(Fourier transform infrared spectrometer,FTIR)开展试验,来表征相变材料加入沥青后的分子结构和化学组成变化。

1.2.2 路用性能实验

沥青混合料路用性能实验包括动稳定度实验、劈裂实验、冻融劈裂实验,所有实验均依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[15]的规定进行。

1.2.3 室内调温性能试验

在进行室内试验前,将相变沥青混合料和普通混合料车辙板试件底部中心位置打上深约30 mm的孔,将温度传感器埋入沥青混合料中并用细集料填充固定,试验用温度测试仪为数显温度测试仪。将处理好的相变沥青混合料和普通沥青混合料放入保温箱中,将保温箱温度设定为40 ℃,最大限度还原夏季高温环境下的环境温度,试验时间为8 h,每1 h收集一次温度数据,如图4所示。

图4 室内调温试验过程Fig.4 Indoor temperature regulation test process

2 试验结果与分析

2.1 复合定型相变材料与沥青

图5为石蜡/膨胀石墨/高密度聚乙烯复合定型相变材料(PHDP)、AH-70沥青以及PHDP/AH-70改性沥青的FTIR图。可以看出,最大的吸收峰出现在2 850～2 960 cm-1,对应的官能团为C—H键。PHDP/AH-70改性沥青的吸收峰是PHDP、AH-70沥青吸收峰的组合,没有出现新特征峰,说明PHDP有较好的兼容性,AH-70沥青和PHDP融合主要为物理反应,没有发生化学反应。因此,PHPD直接掺入沥青混合料中不会发生化学反应。

图5 PHDP、基质沥青与相变改性沥青的FTIR图对比Fig.5 Comparison of FTIR diagram of PHDP, base asphalt and phase change modified asphalt

道路相变材料(DTC)、AH-70沥青与DTC/AH-70改性沥青的FT-IR对比图如图6所示。可以看出,DTC加入AH-70沥青中,没有改变沥青的性质,没有产生新的特征峰,特征峰的强度没有发生较大的变化。DTC/AH-70改性沥青的特征峰为DTC与AH-70沥青特征峰的叠加,DTC与AH-70沥青之间无化学反应产生,仅为物理反应,表明DTC具有较好的兼容性,DTC直接掺入沥青混合料中不会发生化学反应。

图6 DTC、基质沥青与相变改性沥青FTIR图对比Fig.6 Comparison of FTIR diagram of DTC, base asphalt and phase change modified asphalt

2.2 高温性能分析

沥青混合料车辙试验用来测定沥青混合料的高温抗车辙能力,是一种模拟高温条件下轮胎在路面反复滚动作用下形成车辙的试验方法,试验方法比较直观,与车辙的深度的相关性较好。图7为不同骨料级配对相变沥青混合料动稳定度的影响。可以发现,掺加0.35%复合定型相变材料(CPCM)与未掺加CPCM的沥青混合料的动稳定度均大于规范要求(≥800次/mm)。相比未掺加CPCM的沥青混合料,掺加CPCM会导致沥青混合料动稳定度下降,但是不同骨料级配对动稳定度影响不同。级配变粗后对不同相变沥青混合料动稳定度的影响如图7所示,相比级配类型为AC-16的相变沥青混合料,未掺加CPCM的AC-20型沥青混合料的动稳定度提高了8.4%;掺加PHDP的AC-20型沥青混合料动稳定度提高了4.9%;掺加DTC的AC-20型沥青混合料动稳定度仅提高了2.5%。表明AC-20型沥青混合料的动稳定度要大于AC-16型沥青混合料,是因为AC-20沥青混合料的最大公称粒径为20 mm而AC-16最大公称粒径为16 mm,AC-20的粗集料用量多于AC-16沥青混合料,粗集料形成的骨架作用能很好地支撑路面结构,降低车辙深度,对高温性能有一定改善效果。根据动稳定度的变化幅度大小,级配变粗对相变沥青混合料的高温性能改善效果排序为:未掺加CPCM>掺加PHDP>掺加DTC。因此,级配变粗对含DTC的相变沥青混合料改善高温性能效果不大,而对含PHDP的相变沥青混合料的高温稳定性有较好改善效果。

图7 级配类型对相变沥青混合料动稳定度的影响Fig.7 Influence of aggregate grading type on dynamic stability of phase change asphalt mixture

2.3 低温性能分析

低温性能是路用性能的重要性能之一,CPCMs对不同级配沥青混合料的低温性能影响如表3所示。采用AC-16与AC-20两种级配类型的沥青混合料,当掺加CPCMs后,两种级配的相变沥青混合料的劈裂抗拉强度(RT)与破坏劲度模量(εT)降低,破坏拉伸应变(ST)增加,表明掺加CPCMs对沥青混合料低温性能有不利影响,但是可以满足规范要求。级配变粗对不同相变沥青混合料低温性能指标的影响如图8所示。相比AC-16级配的相变沥青的低温性能指标,除了掺加DTC后破坏劲度模量略微降低,采用AC-20级配相变混合料的低温性能指标均有提高。根据级配变粗后低温性能指标增加幅度大小,级配变粗对ST影响排序为:掺加PHDP>未掺加CPCM>掺加DTC;级配变粗对相变沥青混合料的εT影响大小排序为:未掺加CPCM>掺加DTC>掺加PHDP;级配变粗对相变沥青混合料的RT改善效果排序为:掺加PHDP>未掺加CPCM>掺加DTC,表明级配变粗对含PHDP的相变沥青混合料的低温性能显著提高,可达21.1%。对含DTC的相变改性沥青的低温性能改善最小,仅为3.1%。

图8 级配变粗后对相变沥青混合料低温劈裂试验结果的影响Fig.8 Influence of improvement grade types on asphalt splitting tests result

表3 不同级配类型对相变沥青混合料对低温性能影响Table 3 Effect of different grading types on the dynamic stability of phase change asphalt mixes

2.4 水稳定性能分析

沥青混合料的抗水损害能力不仅与外界水环境以及交通荷载有关系,也与沥青混合料组成矿料的性质、沥青混合料的空隙率等指标有关。CPCMs对不同级配沥青混合料的水稳定性能影响如表4所示。采用AC-16与AC-20两种级配类型的沥青混合料,相比未掺加CPCM的沥青混合料,当掺加CPCMs后,未冻融劈裂抗拉强度(RT1)与冻融劈裂抗拉强度(RT2)均降低,因此,冻融劈裂试验强度比(TSR)也降低,表明掺加CPCMs对沥青混合料水稳定性能有不利影响,但是可以满足规范要求(≥75%)。级配变粗后相变沥青混合料对水稳定性能的影响如图9所示。相比AC-16级配的相变沥青的水稳定性能指标,采用AC-20级配相变混合料的TSR均降低,主要由于空隙率增加导致。根据级配变粗后对相变沥青混合料的水稳定性能指标影响,级配变粗对RT1不利影响排序为:掺加PHDP>未掺加CPCM>掺加DTC,表明冻融前级配变粗对掺加PHDP的相变改性沥青不利影响最大,对含DTC的相变改性沥青影响不大;级配变粗对RT2不利影响排序为:掺加PHDP>掺加DTC>未掺加CPCM,表明级配变粗对掺加PHDP的相变改性沥青不利影响最大,并且显著高于冻融前。同时,冻融后对含DTC的相变改性沥青不利影响增加;级配变粗对TSR不利影响排序为:掺加DTC>掺加PHDP>未掺加CPCM。表明级配变粗对含DTC的相变改性沥青混合料水稳定性的不利影响最大,而含PHDP相变改性沥青混合料的TSR降低幅度不足10%,对水稳定性能不利影响较小。

图9 级配变粗后对相变沥青混合料冻融循环试验结果的影响Fig.9 Effect of freeze-thaw cycle test results on improvement grade types phase change asphalt mixtures

表4 相变沥青混合料冻融劈裂试验结果Table 4 Results of freeze-thaw splitting test of phase change asphalt mixture

2.5 室内温度调节分析

图10为室内调温试验结果的曲线图,可以得出,随着时间的推移,沥青混合料的温度逐渐升高,在大约3 h的升温过程后,沥青混合料的温度基本稳定,不在大幅度上升或下降。可以发现在温度上升阶段,在相同级配时,相变沥青混合料相比未掺加CPCMs的沥青混合料的升温速率低,其中含PHDP的相变沥青混合料的升温速率最低,主要是由于PHDP具有较高的相变焓,在升温过程中吸收大量热量。当不同级配时,级配为AC-20的沥青混合料的升温速率要高于AC-16,但是掺加PHDP的AC-20相变沥青混合料要低于AC-20。这是由于AC-20导热系数大于AC-16,物质结合得越紧密,其中的固体分子的振动传播的越容易,导热系数就越大[17]。因此,AC-20中的PHDP先于AC-16发生相变储热使升温速率降低。当相变沥青混合料温度基本稳定时,相变沥青混合料的温度排序为:AC-16-未掺加>AC-16-DTC>AC-20-未掺加>AC-20-DTC>AC-20-PHDP>AC-16-PHDP。可以发现,无论混合料级配为AC-16或AC-20,掺加PHDP的升温速率均低于未掺加与掺加DTC。

图10 相变沥青混合料室内升温曲线Fig.10 Indoor temperature rise curve of phase change asphalt mixture

相变沥青混合料与未掺CPCMs的沥青混合料的温度差为调温效果,温差随时间的变化如图11所示。在上升阶段,含DTC的AC-16相变沥青混合料最大调温效果为0.9 ℃,而级配为AC-20时最大调温效果为0.7 ℃。含PHDP的AC-16相变沥青混合料最大调温效果为1.4 ℃,而级配为AC-20时最大调温效果为2.5 ℃。在温度稳定阶段,相变沥青混合料调温效果排序为:AC-16-DTC

图11 调温试验过程中温差-时间曲线Fig.11 Temperature difference-time curve during the temperature regulation test

图12为相比AC-16型相变沥青混合料,AC-20型的沥青混合料在整个调温试验过程中温度降低幅度。可以发现,对应温度上升阶段时,级配变粗对含PHDP的相变沥青混合料温度降低幅度影响最小,而对未掺加CPCM的影响最大。当温度稳定阶段时,提高级配对含PHDP的相变沥青混合料温度降低幅度影响最大,但是对含DTC的相变沥青混合料影响最小。图13为级配变粗对相变沥青混合料温差的影响,可以发现,在温度上升阶段,级配变粗对含DTC的相变沥青混合料调温效果影响最小,对含PHDP的相变沥青混合料调温效果有利影响最大。相反,在温度稳定阶段,级配变粗对含PHDP的相变沥青混合料调温效果不利影响最大。

图12 级配变粗后对调温试验结果影响Fig.12 Influence of aggregate grading on temperature regulation test results

图13 级配变粗后对温差的影响Fig.13 Influence of aggregate grading on temperature differences

2.6 综合分析

相比AC-16型,AC-20型相变沥青混合料各项性能指标均有不同变化幅度。表5为级配变粗后对各个指标增加幅度的影响,可以发现,级配变粗对含有PDHP的相变沥青混合料的高温性能,低温性能以及最大调温效果均有不同程度的增加,对于水稳定性虽然降低,但是降低幅度不大,这是可能是由于PHDP中含有石蜡成分,在高温制备过程中出现部分泄漏,导致对沥青与骨料之间的黏结性能下降,因此级配变粗对其路用性能的改善明显。相反,级配变粗对含有DTC的相变沥青混合料的高温性能、低温性能以及最大调温效果均有增加,但是增长幅度较小,而使水稳定性大幅度降低。因此,建议通过增大级配粒径提高含PHDP的相变沥青混合料的性能,但是不建议通过增大级配粒径提高含DTC的相变沥青混合料的性能。

表5 骨料级配变粗对各项性能指标的影响Table 5 Influence of aggregate grading coarsening on various performance indexes

3 结论

(1)基于FTIR定性分析了不同CPCMs与AH-70沥青之间的关系,发现两种CPCMs与AH-70沥青之间为物理作用,未发生化学反应。

(2)通过路用性能测试结果发现,两种CPCMs对沥青混合料的路用性能存在一定不利影响。相比级配为AC-16的混合料,级配为AC-20的相变沥青混合料的高温性能、低温性能有所改善,但是对稳定性能有不利影响。

(3)基于室内调温试验发现,添加CPCM可以降低升温速率,降低沥青混合料温度。级配变粗后的相变沥青混合料可以提高混合料降温效果。

(4)通过各项路用性能指标与调温效果综合分析的结果,说明含PHDP的相变沥青混合料通过级配变粗可以显著改善路用性能与调温性能,但是对于含DTC的相变沥青混合料并未产生较显著效果。

室内调温实验与实际路面情况有一定差异。实际道路上的应用效果,尚需开展进一步的验证实验。