集热融冰用沥青混合料的组成设计与性能试验

付建红，冯学达，王金财，崔培强

（1.内蒙古自治区东部区高等级公路管理处，通辽 028000；2.乌里雅斯太边防公路机械化养护队，乌里雅斯太 026300；3.满都拉图养路工区，满都拉图 011300；4.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070）

随着我国现代化建设的快速发展，高速公路、城市高架桥和飞机场的大量兴建，汽车、飞机的数量和速度不断提高，改善道路的运行，提高交通安全是世界各国都十分重视的课题。其中，冬季大量的道路积雪已成为安全行车的重大隐患，尤其在高速公路上，积雪对交通的危害愈来愈突出。集热融冰用沥青混凝土可有效解决沥青路面夏季高温变形、冬季路面积雪结冰及路面低温开裂等一系列问题，导热沥青混凝土同时具有良好的导热性能和路用性能是实现沥青路面集热融冰技术的关键。通过研究石墨掺量对沥青混凝土导热性能与路用性能的影响规律，提出导热沥青混凝土的组成设计方法，从而为后续开展优化太阳能集热和融雪化冰的能量转换和传输，提高换热效率的研究奠定基础。

1 原材料

1）沥青 试验沥青为中油辽河90号道路石油沥青，其主要技术性能为：针入度（25℃、100g、5 s）（0.1mm）96，软化点（环球法）45.3℃，延度（5cm/min、15℃）大于120cm，闪点318℃。

2）粗集料 试验所用石料为大黑山橄榄玄武岩，主要技术性能为：表观密度2.934g/cm3，吸水率0.4%，压碎值9.4%，磨耗值8.1%，与沥青的粘附性等级4级，坚固性0.1%。

3）细集料 试验所用细集料（粒径≤2.36mm）全部采用优质石灰岩，主要技术性能为：表观密度2.705g/cm3，砂当量80.6%，棱角性42.5%，0.075mm筛孔通过率8.1%。

4）矿粉 矿粉采用优质石灰岩磨制石粉，主要技术性能为：表观密度2.708g/cm3，亲水系数0.85，0.075mm筛孔通过率92.7%。

5）导电相材料 选用河北邢台产鳞片状石墨作为导热相填料，其主要性能如表1所示。

表1 石墨的主要性质

2 实验设计

以材料复合理论为指导，通过引入导热相材料，对传统沥青混凝土的材料组成进行优化设计，制备出高集热效率、高耐久性能的导热型沥青混凝土，分析导热相填料对沥青混凝土性能的影响；结合导热沥青混凝土路用性能与热学参数，优选出最佳的导热相填料配比及掺量。

1）通过集料筛分结果初步确定级配，并通过做马歇尔试件测其空隙率、稳定度等指标进行级配调整，确定不掺导热相材料的优化级配以及其最佳油石比。

2）选取石墨掺量分别为0、4%、8%、12%、16%、20%、24%（石墨掺量指石墨体积占沥青的体积百分比），通过稳定度试验、冻融劈裂试验和疲劳试验研究石墨填料对沥青混凝土水稳性能和疲劳寿命的影响。

3）通过瞬态平板热源法，研究石墨填料对沥青混合料热学性能的影响。

2.1 集热融冰混合料的配合比优化设计与油石比优选

集热融冰沥青混合料试验级配优化与普通热拌沥青混合料设计方法差异不大，在规程规定的方法和基础上，结合SHRP高性能沥青混凝土配合比优化方法进行，并根据规程JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》、JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行原材料性能和混合料性能试验，并且根据JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求进行沥青混合料性能验证。

试验用混合料合成级配通过率见表2。

表2 AC－16合成级配通过率

2.2 最佳油石比

未掺热电相材料的AC－16混合料采用马歇尔试验进行级配的最佳油石比优选，采用4%、4.5%、5%、5.5%、6.0%5个油石比成型马歇尔试件。马歇尔试验结果如表3所示。

表3 马歇尔试验结果

击实密度最大a1＝5.5；稳定度最大a2＝5.5；设计空隙率4.5%时对应用量a3＝5.3；设计饱和度范围中值a4＝5.1；

满足技术指标要求的：设计饱和度下限65%时取得OACmin＝4.8；设计饱和度取上限75%时取得OACmax＝5.5；

计算得：最佳油石比为OAC＝（OAC1＋OAC2）＝5.25；换算成沥青用量为5.0%。

当加入石墨相填料之后，由于石墨的吸油效应，相应的沥青用量应有相应的增加，石墨掺量按公式（1）计算

其中：Mc为石墨掺入质量，g；ρ沥青为沥青密度，取值1.018g/cm3；A为石墨占沥青的体积百分数；B为石墨吸油率，取0.503 9；ρc为石墨密度，取值2.168g/cm3。

其中：M′粉为掺石墨后所加矿粉质量，g；M粉为空白试验所加矿粉质量，g；Mc为石墨掺入质量，g；ρc为石墨密度，g/cm3；ρ粉为矿粉的密度，g/cm3。

其中：为掺石墨后的沥青用量，g；B为石墨吸油率，取0.503 9；Mc为石墨掺入质量，g；M油为空白试验所加沥青质量，g。

3 试验结果与分析

3.1 石墨掺量对混合料性能的影响

1）水稳定性试验 按照《公路工程沥青和沥青混合料试验规程》T0709试验方法进行马歇尔试件和劈裂强度试件的制作，分别进行不同石墨掺量条件下的混合料浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，具体试验结果见图1和图2。

图1不同石墨掺量条件下混合料浸水马歇尔残留稳定度试验结果表明：随着石墨掺量的增加，沥青混合料的残留稳定度稍有下降，当石墨掺量由0%增加至24%时，残留稳定度由86.9%降至79.1%，满足不低于75%的规范技术要求。马歇尔稳定度和浸水马歇尔稳定度都随着石墨的掺入而迅速下降，当石墨掺量由0%增加至24%时，马歇尔稳定度和浸水马歇尔稳定度分别由12.56kN和10.91kN降至6.79kN和5.62kN，这表明石墨的掺入降低了沥青之间的内聚力，从而导致沥青混合料强度的下降。

图2不同石墨掺量条件下混合料冻融劈裂强度比试验结果表明：随着石墨掺量的增加，劈裂强度比逐渐下降，当石墨掺量由0%增加至24%时，劈裂强度比由85.2%降至79.2%，满足不低于75%的规范技术要求。

2）高温稳定性 按照《公路工程沥青和沥青混合料试验规程》T 0719试验规程进行混合料的车辙试验，不同石墨掺量条件下的车辙动稳定度以及试件车辙变形深度试验结果见图3和图4。

由图3和图4可知，沥青混合料的动稳定度随着石墨掺量的增加总体变化趋势是增加，当石墨掺量由0%增加至24%时，动稳定度由1 950次/mm增大至3 302次/mm。而车辙变形深度随着石墨掺量的增加变化趋势是先减小然后增加，车辙深度由3.49mm减小至2.38mm再增加至3.40mm。这表明石墨掺入沥青混合料后，混合料具有更强的抗高温变形能力，这与石墨掺量由0%增加至16%、动稳定度由1 950次/mm提高到3 251次/mm的变化趋势是相同的，当石墨掺量由16%增加到24%时，车辙动稳定度的增加幅度已经并不明显，但车辙变形深度却随着石墨掺量的增加而变大了，由2.38mm增大到3.40mm。说明此时再增加石墨掺量对提高抗高温变形能力已经没有意义，此时石墨掺量已经达到最佳值。通过分析可以得出集热融冰混合料石墨掺量最佳范围为16%～20%，推荐掺量18%。

3.2 石墨掺量对混合料疲劳性能的影响

为评价石墨掺量对混合料疲劳寿命的影响，采用UTM－25沥青混合料材料试验系统进行间接拉伸疲劳试验，试验采用了3组试样，石墨掺量分别为0%、18%、24%。试验温度为15℃，荷载采用半正弦波，荷载加载时间为0.15s，间歇时间为0.45s，在应力控制模式下以试样完全破坏为疲劳破坏的评定标准。导热相填料对沥青混凝土在不同应力水平下的疲劳寿命如图5所示。

从图5中3组混凝土的疲劳曲线可以看出，在相同的导热相填料掺量下，沥青混凝土的疲劳寿命均随着应力水平的提高而下降，未掺入导热相填料的原样沥青混凝土的直线具有最大的下降斜率，其它两条掺入导热相填料的沥青混凝土的直线具有相似的下降斜率，在相同的应力水平下，原样沥青混凝土的疲劳寿命比导热沥青混凝土的寿命小。

3.3 石墨掺量对混凝土导热系数影响

实验采用瑞典Hot Disk公司生产的TPS2500S热常数分析仪测量导热沥青混凝土的导热系数、比热热学参数，分析石墨掺量对导热沥青混凝土热学参数的影响规律，其结果如图6、图7所示。

由图6可以看出，当石墨掺量由0%增至24%时，沥青混凝土的导热系数由1.48W/（m·K）增大至2.19W/（m·K），增大了48.0%，在20%掺量时达到最大值2.24W/（m·K）。这说明沥青混凝土的导热系数随着石墨掺量的增加而增大。导热系数增大有利于热量在混凝土中的传递，需要指出的是，石墨掺量为16%和24%时，其导热系数分别为2.11W/（m·K）和2.19W/（m·K），后者比前者仅增加3.8%，说明过多的石墨不能进一步提高沥青混凝土的导热性能。

由图7可以看出，比热的变化出现了相反的情况，比热随着石墨掺量的增加而减小。当石墨掺量由0%增至24%时，对应的比热却从942.1J/（kg·K）降低至809.3J/（kg·K），减少了14.1%。比热的减小说明单位质量的物体升高一度所需要的热量减少。

4 结 论

通过石墨填料对沥青混合料水稳定性、高温稳定性能及导热性能的影响分析：

a.掺入石墨后，沥青混合料浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果表明：在0%～24%的掺量范围内，沥青混合料的残留稳定比和冻融劈裂强度比值均呈下降趋势，但仍满足规范要求。

b.混合料动稳定度在石墨掺量为20%时最大，而后随石墨掺量的增加，动稳定度略微下降，说明过大的石墨掺量对高温性能不但没有改善，而且还有削弱。

c.当石墨掺量由0%增加至24%时，沥青混凝土的导热系数最大增加了52.3%，比热减小了14.1%，说明石墨能大大加快热量及温度在沥青混凝土中的传递速率。

d.综合上述，集热融冰AC－16混合料石墨掺量最佳范围为16%～20%，推荐掺量18%。

［1］ JTG E20—2011.公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［2］ JTG F40—2004.公路沥青路面施工技术规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］ 李 波.导热沥青混凝土及其性能研究［D］.武汉：武汉理工大学，2008.

［4］ Wu S P，Mo L T，Shui Z H.Piezoresistivity of Graphite Modified Asphalt－based Composites［J］.Key Engineering Materials，2003，249：391－396.

［5］ Wu Shaopeng，Mo Liantong，Shui Zhonghe.Improvement of Electrical Properties of Asphalt Concrete［J］.J Wuhan Univ of Tech：Mater Sci Ed，2002，17（4）：69－72.