热反射灌注式沥青路面设计及降温效果评价

刘爱峰

摘要 为探索热反射灌注式沥青路面設计要点及在南方高温多雨地区公路工程中的应用效果，文章以具体工程为例，对热反射水泥基灌浆材料的力学强度、黏结性能进行测试，并对热反射灌注式沥青路面薄层的抗滑性和抗磨耗性进行检测，在确定出钛白粉合理掺量后，依次进行室内照射试验和现场应用效果检测。结果表明，这种材料和普通灌浆料联合灌注后形成的热反射灌注式沥青路面薄层具备良好的降温效果，能较好地避免沥青路面高温车辙等病害的发生。

关键词 灌注式沥青路面；降温效果；热反射水泥基灌浆料

中图分类号 U416.2文献标识码 B文章编号 2096-8949（2024）06-0143-03

0 引言

灌注式沥青路面主要通过在水泥基灌浆料中填充大空隙沥青混合料而形成，此种水泥基灌浆料兼具水泥混凝土结构的刚度及沥青混凝土材料的柔韧性、兼容性较好，能负载多种形式的功能性材料，在增强路面结构抗车辙性能和路用性能的同时，具备其他方面的功能。按照此思路，借助灌注式沥青路面较好的负载功能，在路面结构中增设热学改性材料，可取得较好的路面热量传递及温度调控效果。当前已有的研究成果更加侧重此类水泥基灌浆料所负载材料的制备及性能，对具备热反射性能的水泥基灌浆料研究较少。基于此，该文依托公路工程实际，进行热反射水泥基灌浆材料性能检测以及热反射灌注式沥青路面设计，以期为工程应用提供参考。

1 工程概况

某新建公路段位于我国南方高温多雨地区，工程区地形复杂多变，山谷、丘陵交替分布。结合气象资料，工程区为典型的亚热带湿润性季风气候，因受到热带气旋和海洋气团的综合作用，夏季高温多雨，5—10月平均温度为29.8 ℃，夏季极端最高温度达到43.2 ℃，路表温度更是超出50 ℃；5—10月降雨量在1 200～2 600 mm之间，占全年降雨量的80%以上。此种运行环境对公路沥青路面材料的热稳定性有较高要求，路面运行期间发生高温车辙、水损等病害的可能性较大。经过项目组多方考察和反复论证，最终决定铺筑热反射灌注式沥青路面，在降低和延缓车辙病害的同时，也为该地区其余公路热反射灌注式沥青路面的建设提供相关经验。

2 热反射灌注式沥青路面设计

对热反射水泥基灌浆材料进行性能检测。按照预想，反射材料以填料的形式掺加进灌浆结构中，制备出的混合料经由路表灌注后形成灌注式沥青路面，该路面形式具有较好的反射率。

2.1 热反射水泥基灌浆材料性能测试

该研究中热反射灌注式沥青路面主要以磷酸铵镁水泥为基材，该基材经由磷酸二氢铵和氧化镁经过充分反应而得出[1]。在基材内按设计比例掺加钛白粉材料后使反射率进一步提高。此外，为确保热反射灌注式沥青材料具有良好的可施工性能，还必须掺加聚羧酸高效减水剂和硼砂，较好地改善基材的流动性和凝结性能。为对比基材和添加剂不同掺量下热反射灌注式沥青混合料性能，提出5种材料配比，在此5种配比下磷酸二氢铵用量均为20 g，氧化镁用量均为100 g，硼砂用量均为10 g，水用量依次为24.0 g、25.4 g、26.5 g、28.9 g、34.0 g，聚羧酸高效减水剂依次按0.735%、0.758%、0.794%、0.865%、1.100%的比例掺加，钛白粉依次按0%、5%、10%、25%、40%的比例掺加。

2.1.1 力学强度

根据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）中规定的具体方法进行热反射灌注式沥青混合料强度检测，测试结果见表1。

由表1可知，热反射灌注式沥青混合料的抗折强度和抗压强度均随钛白粉掺量的持续增大而减小；与掺量为0相比，掺加40%钛白粉的热反射灌注式沥青混合料7 d抗折强度和抗压强度分别降低了40.07%和35.23%。分析原因可知，钛白粉掺加后对基材内的磷酸二氢铵和氧化镁具有取代作用，如此经水化反应所生成的磷酸铵镁（一种黏结材料）也持续减少，这显然对热反射灌注式沥青混合料力学性能不利[2]。可见，必须严格控制此类混合料中钛白粉掺量。结合此处力学强度测试情况，应将钛白粉掺量控制在20%以内。按照这一标准，使持续养护7 d的热反射灌注式沥青混合料试件经历不同的环境作用，待其温度恢复至室温后进行强度的二次检测。结果见表2。

由表2可知，不同钛白粉掺量下热反射灌注式沥青混合料受到不同环境条件影响后抗压强度均呈降低趋势。高温多雨环境有助于促进混合料中磷酸盐的溶解，增大材料孔隙率，并使溶液内pH值下降，促使材料更加松散，抗压强度也随之降低。此外，低温环境下混合料中的水分会发生凝结，抗压强度也相应降低。总体而言，热反射灌注式沥青混合料在高低温环境下抗压强度均表现出降低趋势，但仍高于普通灌注式沥青混合料，在路面建设中较为适用[3]。

2.1.2 黏结性能

热反射水泥基灌浆材料主要涉及热反射灌浆料和普通灌浆料的黏结界面、热反射灌浆料和沥青混合料黏结界面。为进行两类界面黏结效果检测，将3 mm设计厚度的热反射水泥基灌浆材料均匀涂抹于棱柱形灌浆材料试件和沥青混合料试件表面；此后将两类试件放置于湿度为60%±5%、温度为20 ℃±2 ℃的环境下标准养护3 d。完成以上操作后借助钢锭检测黏结强度。测试结果见表3。

结合测试数据，热反射水泥基灌浆料和沥青混合料界面的黏结强度明显较低，在钛白粉掺量为0%、5%和10%的情况下，该界面黏结强度仅为热反射水泥基灌浆料和普通灌浆料界面黏结强度的41.04%、42.93%和46.15%。但界面黏结强度均超出规范中相应的最低限，说明此类灌浆料黏结效果优异，对于沥青路面施工完全适用。

2.2 热反射灌注式沥青路面薄层性能测试

结合规范首先制备孔隙率较大的混合料试块，同时拌制普通灌浆料，按照设计要求将其灌注于冷却至常温状态的混合料试块内，注意不得灌满，必须预留一定空间。随后，待试块内所灌进的普通灌浆料达到初凝状态，再将制备好的热反射水泥基灌浆材料灌进试块内剩余空间，借助相应工具刮除试块表面多余的浆液，以使表面构造处于外露状态。

2.2.1 抗滑性能

借助摆式摩擦仪展开以上试块抗滑性能检测，并比较试验前后试块摆值的变动趋势。测试结果见表4。

由表4可知，不同钛白粉掺量下热反射灌注式沥青路面薄层摆值结果较为接近，且灌注前因孔隙率较大的混合料试块外表粗糙、抗滑性能较好，摆值测值较大；灌注后空隙被填充，粗糙程度以及对应的摆值均有所降低。经过磨耗后的试块摆值发生下降，但仍大于规范中沥青路面抗滑值最低限，抗滑性能优异。

2.2.2 抗磨耗性能

通过车辙试验机展开车轮磨损过程模拟。根据模拟结果可知（见表5），随着磨损次数的增大，全部试件质量损失均呈增大趋势，但热反射灌注式沥青混合料试件表面的热反射水泥基灌浆材料磨损后试块表面平整程度提高，整体质量损失较少。这表明热反射灌注式沥青路面具备良好的抗磨耗性能，能提升路面结构的耐久性。

出于对工程效果及经济性的综合考虑，该公路工程试验段将热反射水泥基灌浆材料中钛白粉掺量控制在10%。

2.2.3 水稳性

对大孔隙混合料试块展开冻融劈裂试验。根据试验结果可知，普通沥青混合料试块冻融前后平均劈裂强度为0.833 MPa，热反射灌注式沥青混合料试件冻融前后平均劈裂强度达到0.968 MPa，比普通混合料试块强度提升16.21%。

此后，展开浸水马歇尔试验，根据试验结果，热反射灌注式沥青混合料试件浸水残留稳定度达到89.71%，与92%的基质沥青混合料浸水残留稳定度仍存在一定差距。表明此类沥青混合料浸水马歇尔稳定度有所降低，但仍符合设计要求。

综合以上冻融劈裂试验及浸水马歇尔试验结果，掺加钛白粉后热反射灌注式沥青混合料水稳性呈增强趋势，能较好阻隔水压力作用下沥青膜剥落；因钛白粉几乎无开口孔隙，还能有效避免水分浸入混合料内部。

3 热反射灌注式沥青路面降温效果评估

3.1 室内照射试验

为评价热反射灌注式沥青路面降温效果，首先進行了路面温度变动趋势模拟的室内照射试验。按照钛白粉掺量依次为0%、5%、10%制备热反射灌注式沥青路面薄层试块，并以普通沥青混合料试块为对照组。在试验环境中对称架设4台500 W碘钨灯模拟日光照射，以确保其与试块之间垂直距离为90 cm。同时在试块四周放置泡沫板，在试块底部安装温度传感器。试验开始后借助多路数据记录仪进行试块底面温度值的实时测取，上表面温度则由热红外成像仪监测。试验共进行240 min，并按5 min的时间间隔测试并记录。

根据测试结果可知，热反射灌注式沥青混合料试块上表面及底面的测试温度均比普通试块低，其在试验进行到最后时上表面和底面温度分别比普通试块低15.7 ℃和14.1 ℃。

在对试块磨损处理后再次展开以上测试，结果表明，磨损处理会在一定程度上减弱试块降温效果[4]，磨损后的热反射灌注式沥青混合料试块上表面和底面温度分别比磨损前降低14.8%和18.7%，此类材料磨损后仍具有较好的降温效果，能较好缓解路面高温及车辙病害。

3.2 现场应用效果

为比较热反射灌注式沥青路面降温效果，验证热反射灌注式沥青路面优异的阻热性能，选取桩号K33+220～K33+520和K33+520～K34+050两个试验段，分别展开普通路面和热反射灌注式沥青路面铺筑施工。施工完成并达到开放交通程度后，分别展开两个路段温度分布程度监测。监测结果见表6。

根据表6结果，两种路面层特征位置温度存在较大差异，特别是上面层增设热反射灌注式沥青混合料后，既能直接阻隔热量侵入路表结构，又能较好阻隔热量向下传递，并避免热量在路面结构层中的富集[5]。此种路面薄层设置后可使路表、路表以下4 cm处、路表以下10 cm处、路表以下18 cm处温度比普通路面结构下降15.1 ℃、12.9 ℃、9.2 ℃和6.5 ℃。有效降低中下面层温度，沥青路面的抗车辙性能也因此得到提升。

4 结束语

该文依托路面工程实际开展热反射水泥基灌浆料性能测试及热反射灌注式沥青路面设计，并对工程应用效果进行比较与评价。得出以下结论：按照10%的推荐掺量掺加钛白粉后，热反射水泥基灌浆料强度及黏结性能较好；这种类型的灌浆料能较好嵌入进而覆盖灌注式沥青混合料试块表面，发挥抗滑、抗磨耗作用。室内照射试验及现场应用效果均显示，热反射灌注式沥青混合料试块上表面和底面降温效果均较显著，验证了此类路面结构具备优异的降温潜力，同时能提升混合料高温抗车辙性能，对高温多雨地区的公路较为适用。

参考文献

[1]凌森林， 王永鑫， 金辉球， 等. 灌注式半柔性路面研究进展——半柔性混合料组成设计[J]. 石油沥青， 2021（5）： 50-59.

[2]马培建， 蒋青春， 徐陆军， 等. 灌注式半柔性复合路面研究现状综述[J]. 路基工程， 2018（3）： 11-15.

[3]申爱琴， 孔涛， 郭寅川， 等. 沥青路面水性丙烯酸热反射涂层优化设计与路用性能[J]. 硅酸盐通报， 2021（11）： 3829-3836.

[4]王敬元， 洪锦祥， 张宇， 等. 灌注式复合路面中的水泥浆-沥青界面黏附行为的作用机制[J]. 硅酸盐学报， 2023（7）： 1660-1669.

[5]舒永法， 韩占闯， 陈浙江， 等. 热反射涂层及其对沥青路面高温性能的影响[J]. 筑路机械与施工机械化， 2019（2）： 38-43.