相变自调温材料在沥青路面中的应用

张瑜

（甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃 兰州 730030）

0 前言

沥青混合料有明显的温度敏感性，大量研究表明，环境影响因素尤其是温度对沥青路面的工作性能有显著影响[1]。为减轻因温度产生的沥青路面病害，本研究从沥青混凝土内部出发，以主动形式探索改变路面抵抗温度适应性能力[2]，抑制路面热胀冷缩产生的车辙、开裂等现象，为减少冬季或寒冷区域路面结冰而引发交通事故率、保障交通运输效率和运营效益探究新的研究方向。

基于相变材料的材料特性，在一定的相变转换温度下会发生热量的吸收或释放[3]，经广泛验证，添加相变材料可主动控制沥青混合料的路面温度[4-6]。由于材料的多样性，相变自调温路面还需进一步研究。本文将理论分析和室内试验相结合，研究不同比例的相变材料对沥青混合料性能的影响，结合实际工程应用，通过红外热成像仪所得已铺筑DTC自调温相变技术路面的温度，系统研究混合料配合比设计和实际调温效果的对应关系。

1 温度调节机理及技术优势

在一定的温度环境下，加入相变材料，沥青和相变材料发生化学键的断裂与重组，具有沥青改性作用，能进一步提高沥青的性能指标，测试表明，其能够提高沥青在高温下软化点，降低低温脆点。当环境温度发生急剧变化时，路面会产生黑色冰层，而利用太阳能蓄热，添加相变材料的沥青混合料在一定温度下可释放热量，进行主动式调控沥青路面与环境的温差，预防路面黑冰的产生。路面相变材料通过能量的储存和释放实现主动式智能化的调节路面温度，从而提高沥青混合料的使用性能，提高其环境适应性，有效避免温度敏感性对沥青混合料的影响，降低环境温度变化的影响，延长沥青路面的使用寿命，降低全生命周期沥青路面的综合养护成本。

此外，添加相变材料的沥青混合料施工技术操作简单，基本不影响原有沥青混合料的制备流程。在沥青喷洒后10-12s，从混凝土拌合站的观察口将相变材料一次性放入搅拌装置中即可，且不影响搅拌时间。该过程不需要复杂的流程工艺，也不需要添加额外的改装拌合站生产设备，对外界环境无污染。

2 沥青混合料的配合比设计

以甘肃省内G30连霍高速公路的某试验路段为测试路段。该路段地处河西走廊，冬季寒冷漫长，路面冰雪严重，且部分路段处于连续下坡路段，更加剧了路面冰雪的危险性，严重影响行车安全。

2.1 维修方案

调查发现，路面病害主要表现为纵向裂缝及大面积的横向裂缝，初步分析路面病害的原因是该公路服役时间较长，原路面面层沥青老化严重，基层强度衰减，导致基层裂缝反射至路面。路面维修方案如下：先铣刨5cm原有面层，对裂缝、沉陷等病害进行处置和清扫，再加铺1cm的应力吸收层，然后铺筑4cm细粒式沥青混凝土Sup-13，面层沥青混合料中掺加0.35%相变材料[7]。

2.2 原材料

2.2.1 沥青

工程使用的沥青为兰州天琛物资有限公司生产的SBS-I-C聚合物改性沥青，其指标满足规范要求。试验结果见表1。

表1 沥青试验结果汇总

2.2.2 矿粉

矿粉源自甘肃永昌玉辉工程有限公司，由石灰岩扎制的石料研磨得到，检测指标符合规范要求。试验结果见表2。

表2 矿粉试验结果汇总

2.2.3 集料

所用集料源自山丹东乐碎石场，分为四种规格，集料检测结果符合规范要求。试验结果见表3。

表3 集料筛分及密度试验结果汇总

2.2.4 相变材料

使用市场上广泛应用的一种稳定型固固相变DTC材料，该相变材料的潜热值达到70kJ/kg，每平方米相变材料沥青混合料潜热值可达22.9kJ/kg，焓值衰减率小于5.0%。

2.3 混合料配合比设计

道路调温相变材料的掺加量应根据项目所在区域的气候环境综合考虑和验证，掺加量不得大于0.45%或小于0.30%，混合使用比例按0.05%的梯度进行调整。掺入道路调温相变材料对沥青混合料的常规配合比设计不产生影响。

2.4 加入相变材料混合料的性能验证

为深入研究相变材料的不同掺量和配比对沥青混合料性能的影响，对自调温沥青混合料进行了劈裂强度、冻融劈裂、稳定性和低温抗裂性测试。结果表明，道路自调温沥青混合料在合理掺量下各项指标均满足规范要求，各项性能均在控制范围内。该混合料的冻融劈裂试验结果见表4。试验表明，随着自调温相变材料掺量在一定范围内的增加，该沥青混合料的冻融劈裂强度呈现先增大后减小的趋势，符合相关规范要求。

表4 自调温沥青混合料冻融劈裂测试

2.5 验证试验结果

依据目标配合比，最佳油石比5.1%，按比例配料，进行室内马歇尔、车辙板等试验验证。经检测，各项指标均满足要求。

3 工程应用效果评价

3.1 夏季应用效果

采用红外热像仪对普通路段和添加相变材料试验段的温度进行监测。结果表明，添加了道路调温相变材料的路面温度比普通路面低7℃左右。试验结果见图1和图2，实际温度数据见表5和表6。

图1 夏季普通路面红外热成像

图2 夏季相变材料路面红外热成像

表5 夏季相变材料路段路面温度

表6 夏季普通路面温度

3.2 冬季应用效果

采用红外热像仪对冬季试验道路和普通道路的温度数据进行监测。结果表明，添加相变材料的路面温度比普通路面高4.5℃。测试结果见图3和图4，实际温度数据见表7和表8。

表7 冬季相变材料路段路面温度

表8 冬季普通路面温度

图3 冬季普通路面红外热成像

图4 冬季相变材料路面红外热成像

利用红外热像仪对冬季相变材料路面温度与普通路段进行对比，可直接反映两条道路的温差(红色为添加相变材料的路段，蓝色为普通路段)。结果如图5所示。

图5 冬季路面整体温度对比

本试验将试验路段与普通沥青路面进行了全时对比。结果表明，在相同环境下，采用相变材料的路段温度比未采用相变材料的路段高2.5～7.2℃，特别是当普通路面的温度小于-10℃时，相变材料路面的温度在-5℃以内，提高了沥青路面对极低温和大温差环境的适应性，温度调节效果明显。路面温度随时间变化曲线如图6所示。

图6 全时段路面温度监测

添加道路相变调温材料路面可吸收太阳光能量，在低温环境下释放热量，降低温度变化引起的路面病害，有效消除公路黑冰层。现场观测发现，普通路段路面结冰亮滑，而添加相变材料路段没有出现路面结冰现象，提高了行车安全性。

4 结论

基于道路用相变材料研究，结合实际工程应用，系统研究混合料配合比设计和实际调温效果，并对沥青混合料试验段的自调节效果进行跟踪监测。结果表明，添加相变材料能自行调节和环境温度场能量交换的供应需求关系，有效避免沥青混合料的温度敏感性，减小因环境温度变化引起的性能影响，延长沥青路面寿命，降低路面养护管理成本。