相变材料对温拌沥青混合料路用性能及微观机理的影响

宋云连， 张捷， 高盼

(内蒙古工业大学土木工程学院， 呼和浩特 010051)

沥青混合料在拌合及使用过程中会逐渐发生老化，继而直接影响沥青路面的耐久性能和使用寿命，而传统的热拌技术不仅会加速材料老化，浪费能源，而且过高的拌合温度会对相变材料造成质量损失、热物性减少。近年来，温拌沥青应用在道路中，不仅能够降低环境污染、减少能源的损耗，而且对沥青混合料的性能影响较小[1-3]。在北方冬季，温拌沥青路面也有融雪化冰问题需要解决，路面的积雪结冰使得路面附着能力大大降低，对车辆的驱动性及安全性极为不利[4]，据统计，冬季30%左右的交通事故与路面积雪有关，因此，融冰化雪引起了众多学者的关注；传统的除雪方式主要有人工机械除雪、铺撒融雪剂融雪、以及盐化物沥青混凝土路面[5-8]，传统方式不仅要耗费大量的人力、物力、财力，还腐蚀路面、破坏周边环境，从而降低使用年限。具有良好调温性能相变材料(phase change material, PCM)的出现，引起人们的高度重视。因为相变储能材料在保证材料基本属性的基础上，可以吸收和释放大量的热能，从而调控材料温度[9]。何丽红等[10]采用石蜡/膨胀石墨复合相变材料研究了对掺入复合相变材料的冷拌沥青混合料路面降温效果、高温稳定性、低温稳定性，得出了复合相变材料可以最高降低沥青混凝土路面表面温度5.2 ℃且沥青混合料的高温稳定性、水稳定性均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)要求。许子龙[11]通过不同合成工艺制备出两种适用于沥青路面储热降温的相变材料，研究分析相变颗粒掺加前后沥青混合料的路用性能，得出了相变沥青混合料的高温稳定性降低，低温抗裂性、水稳定性良好。高颖等[12]研究了玻璃纤维聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性，得出了玻璃纤维可以提高PEG沥青混合料的高温稳定性，玻璃纤维对PEG混合料低温性能、水稳定性有影响，但效果不明显。白捷等[13]通过自制相变微胶囊研究了微胶囊性能以及微胶囊沥青的性能，研究得出微胶囊可以将相变潜热降低至119J/g，且相变微胶囊封装效果良好，在沥青中不易破裂、漏液，对沥青的路用性能影响较小。王斌等[14]研究了融冰雪相变材料加入到沥青混合料后的路用性能，得出了掺入相变材料降低了沥青混合料的高温稳定性、水稳定性，而抗冻融循环强度衰减性能增强。武昊等[15]研究了相变材料对多孔沥青混合料路用性能及抗凝冰性能的影响，结果表明相变多孔沥青混合料抗飞散性能较好、高温稳定性较差，水稳定性没有明显差距且相变多孔沥青混合料具有良好的调温效果，且具备一定的融冰雪能力。

上述学者多数都集中在研究相变材料在沥青混合料中的路用新能及调温性能，但是目前将相变材料应用在温拌沥青混合料中的研究较少，且在相变沥青混合料经历老化后的性能研究少之又少，也少见从微观层面进行深入研究的报告。因此，探究温拌相变沥青混合料在经历老化后的路用性能的变化规律以及从微观层面解释宏观层面的变化，对后续的研究具有参考意义。

为此，研究掺入相变材料后的温拌沥青混合料路用性能及微观机理，通过马歇尔稳定度试验、劈裂试验、小梁弯曲试验研究沥青混合料高温、低温、水稳性能的变化规律，由电子显微镜试验和核磁共振试验获知沥青混合料在微观层面的变化，关联分析宏观性能变化的原因。

1 实验材料与方法

1.1 温拌沥青

试验所用沥青为90#基质沥青，选用Evotherm温拌剂进行试验研究，Evotherm是一种表面活性型温拌剂，在常温下为深褐色黏稠状液体，根据实验所得其最佳掺量为0.6%。参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)，其技术指标如表1所示。

表1 沥青基本性能指标Table 1 Basic performance index of asphalt

1.2 相变材料DTC

选用的相变材料DTC是由某公司生产，为白色颗粒状固体，其DSC曲线如图1所示。为了更好地研究DTC掺量对沥青混合料的影响，掺量设置为0、1‰、2‰、3‰、4‰、5‰。

图1 相变材料DTC的DSC曲线Fig.1 DSC curve of phase change material DTC

1.3 集料及混合料级配

试验采用AC-13混合料类型，粗、细集料均产自大青山玄武岩，性能均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)要求。AC-13矿料级配范围及合成级配如表2所示，通过马歇尔试验确定最佳油石比为5%。

表2 AC-13的级配组成Table 2 Gradation composition of AC-13 asphalt mixture

1.4 老化方法

所采用的老化方法为热氧老化，短期老化和长期老化均采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的老化方法。

2 实验及结果

2.1 DTC掺量对高温性能的影响

马歇尔稳定度指标常被用来评价沥青混合料的高温性能，在试验前将试件在60 ℃恒温浴箱中浸水30 min，加载速度为50 mm/min，试验结果如图2所示。

如图2所示，无论老化与否，马歇尔稳定度与DTC掺量符合线性关系，相关系数均在0.93以上，其中5‰掺量比0掺量最大降低了14.63%，一方面是由于DTC的主要成分是不饱和酸，掺入后使沥青变软，从而降低了沥青混合料的黏结性；另一方面是沥青混合料试件温度达到60 ℃时，掺DTC的试件以潜热形式吸收并存储了部分热量，总热量大于未掺DTC的马歇尔试件，分子运动加剧，导致性能有所降低；随着老化程度的增加，其马歇尔稳定度也在降低，与未老化相比，短期老化性能最大降幅为3.18%，长期老化性能最大降幅为4.01%，说明DTC掺量对沥青混合料高温性能的影响较大。

未老化用字母U来表示；短期老化用字母S； 长期老化用字母L表示图2 马歇尔稳定度与DTC掺量拟合图Fig.2 Fitted Chart of Marshall stability and DTC dosage

2.2 DTC掺量对低温性能的影响

制成尺寸为250 mm(长)×30 mm(宽)×35 mm(高)的长方体小梁，小梁试件强度的计算公式为

(1)

式(1)中：RB为试件破坏时的抗弯拉强度， MPa；b为跨中断面试件的宽度，mm；h为跨中断面试件的高度，mm；L为试件的跨径，mm；PB为试件破坏时的最大荷载，N。

图3 小梁抗弯拉强度值与DTC掺量拟合图Fig.3 Fitted Chart of flexural tensile strength value of trabecular against DTC dosage

图3为-20、-10、0 ℃下的小梁抗弯拉强度与DTC掺量关系拟合图。可以看出，小梁抗弯拉强度RB与掺量x符合线性关系，除0 ℃时未老化小梁抗弯拉强度拟合的相关系数较低外，其他拟合系数都在0.93以上。5‰掺量比0掺量的小梁抗弯拉强度最大降幅为25.48%，随着老化程度的加深，小梁抗弯拉强度在逐步下降，其短期老化最大降幅为10.97%，长期老化最大降幅为20.27%。

2.3 DTC掺量对水稳性能的影响

冻融劈裂试验将标准马歇尔试件随机分成两组，第一组室温保存备用，第二组按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)方法进行真空饱水，两组试件都进行冻融循环一次。然后采用50 mm/min的加载速率进行劈裂试验。实验结果如图4所示。冻融劈裂抗拉强度比计算公式为。

(2)

由图4可知，无论老化与否，随着DTC掺量的增大，两组试件劈裂抗拉强度都在减小，但劈裂抗拉强度比却无显著规律，从劈裂抗拉强度比的大小来看，0～3‰掺量的劈裂抗拉强度比都在90%以上，而4‰～5‰掺量数值偏小，其未老化、短期老化、长期老化5‰掺量的劈裂抗拉强度比0掺量分别减小了15.83%、17.73%、18.81%，而1‰～3‰掺量最大降幅分别为2.49%、2.81%、2.01%，与未老化相比，短期老化和长期老化的数值大小差别并不是很大。

为此，对劈裂抗拉强度比进行t检验统计分析和F检验统计分析。假设总体服从正态分布N(μ,σ2)，其中μ、σ2均为未知参数，(X1,X2,…,Xn)T为总体样本容量的n个样本，检验假设H0：u=u0和σ=σ0，其中，u=u0表示两总体均值相等，符合t检验中零假设，即H0；σ=σ0表示两总体方差相等，符合F检验中零假设，即H0，现将未老化抗拉强度比作为原样本，短期老化和长期老化作为检验样本，验证检验样本和原样本的均值和方差是否有显著差异，计算结果如表3所示。

图4 冻融劈裂试验结果Fig.4 Test results of freeze-thaw splitting

表3 统计检验计算Table 3 Statistical test calculation

对于均值检验，当显著水平α=0.05时，查表得t0.025(5)=2.570 6，由于短期老化的|t|=1.597t0.025(5)=2.570 6，故认为长期老化沥青混合料的劈裂抗拉强度比均值与未老化有显著差异。对于方差检验，当α=0.05时，查表F0.025(5,5)=7.17，F0.975(5,5)=0.139 5，由于F0.975(5,5)

2.4 DTC掺量与路用性能的关联度研究

灰色关联度理论是以因素之间的发展态势、几何对应关系为依据来衡量因素之间的关联程度，以DTC掺量作为参考数列，以马歇尔稳定度、抗弯拉强度(-10 ℃)、劈裂强度作为比较数列，比较数列和参考数列的关联系数见式(3)，灰色关联度见式(4)。

(3)

表4 DTC掺量灰色关联度结果Table 4 Results of grey correlation degree of DTC dosage

(4)

由表4可知，随着老化程度的加深，DTC掺量对马歇尔稳定度、抗弯拉强度、劈裂强度的影响甚微，其最大起伏仅为1.26%，但从均值角度出发，DTC掺量对沥青混合料的影响程度由大到小依次是马歇尔稳定度、抗弯拉强度、劈裂强度。

3 微观机理分析

3.1 电子显微镜结果与分析

为了从微观层面解释宏观结构的变化规律，制成10 mm(长)×10 mm(宽)×5 mm(高)的长方体试件，采用QUANTA FEG 650电子显微镜观测不同DTC掺量下的微观形貌图，相较于老化对沥青混合料的影响，DTC掺量对沥青混合料的影响更大。且老化对沥青混合料的微观研究较多，因此，主要研究DTC掺量在微观层面对宏观性能的影响，图5为不同DTC掺量的沥青混合料试件放大1 000倍的微观形貌图。

图5 不同DTC掺量沥青混合料的微观形貌Fig.5 Micromorphology of asphalt mixtures with different DTC dosage

从图5可以看出，随着掺量的增加，试件表面的孔隙越来越多，孔洞也越来越大，并且各集料间也出现了明显的缝隙，而宏观表现为高温性能、水稳性能、低温性能下降。

3.2 核磁共振结果与分析

制成20 mm×20 mm×20 mm的正方体试件，采用上海纽迈公司推出的Meso-MR-60S核磁共振仪进行试验，试件进行试验之前真空饱水30 min，之后将试件放入蒸馏水中浸泡24 h后取出擦干，试验结果如图6所示。

由图6可知，试件的孔径分布及其峰值主要集中在0.01～0.1 μm，虽然在1、20 μm附近出现峰值，但最大占比仅有0.005%，随着DTC掺量的增多，其孔径分布占比的峰值也越来越大，只有5‰掺量的峰值略小，与0掺量相比，1‰～5‰掺量的峰值分别增加了0.004 0%、0.013 1%、0.020 9%、0.021 7%、0.018 8%。为了能表征孔隙的整体变化，采用孔隙度指标，即试件中所有孔隙空间体积之和与该岩样体积的比值，其孔隙度变化如图7所示。

由图7可知，随着掺量的增大，孔隙度也在增大，但2‰掺量到3‰掺量的增幅要远远大于其他掺量的增幅，其增幅为0.210 8%，之后孔隙度的增幅较小，而宏观表现为马歇尔稳定度降低，冻融劈裂强度下降，小梁抗弯拉强度减小。为了量化表征宏观与微观之间的联系，引入相关性分析，计算公式见式(5)，结果如表5所示。

(5)

式(5)中：γ为相关性系数；xi、yi为相关变量；n为单个变量的个数。

选取孔隙度来量化表征沥青混合料微观结构特性，选取马歇尔稳定度、劈裂抗拉强度比、小梁抗弯拉强度(-10 ℃)来表征宏观尺度性能，建立沥青混合料微观特性与宏观尺度性能之间的联系。

由表5可知，表征微观结构特性的孔隙度与表征宏观性能的3个指标的相关系数γ绝对值0.77以上，有的甚至达到了0.95，其绝对值从大到小依次是马歇尔稳定度、小梁抗弯拉强度、劈裂抗拉强度比，这与灰色关联度分析的结果一致，说明相变材料DTC的掺入使沥青混合料的孔隙度增大从而体现为宏观性能的降低，且孔隙度的变化趋势与沥青混合料的宏观性能的3个指标变化趋势呈负相关，说明相变沥青混合料微观性能与宏观性能紧密关联。

4 结论

(1)基于试验获知马歇尔稳定度值、小梁抗弯拉强度值与相变材料DTC掺量符合线性关系，通过t检验和F检验可知短期老化对劈裂抗拉强度比的均值和方差无显著影响，长期老化对劈裂抗拉强度比的均值影响显著，对方差无显著影响。

图6 不同DTC掺量对应孔径分布Fig.6 Pore size distributionbased on different DTC dosage

图7 孔隙度曲线Fig.7 Porosity curve

表5 相关系数计算Table 5 Calculation of correlation coefficient

(2)通过灰色关联度分析获知老化对关联度的影响甚微，DTC掺量对马歇尔稳定度的影响最大，其次是小梁抗弯拉强度，最后是劈裂抗拉强度比。

(3)以电子显微镜和核磁共振的研究发现，随着DTC掺量的增多试件内的孔隙越来越多，同时孔隙度和孔洞也越来越大，但孔径分布及其峰值主要集中在0.01～1 μm，与0掺量相比，1‰～5‰掺量的孔径分布的峰值分别增加了0.04‰、0.131‰、0.209‰、0.217‰、0.188‰，说明DTC掺量越大是马歇尔稳定度值、劈裂抗拉强度值和小梁抗弯拉强度值下降越多的主要原因。

(4)表征微观结构特性的孔隙度与表征宏观性能的马歇尔稳定度、小梁抗弯拉强度、劈裂抗拉强度比的相关系数绝对值0.77以上，表明沥青混合料微观性能与宏观性能紧密关联。