路面沥青混凝土试验配合比优化设计

路面沥青混凝土试验配合比优化设计

郑雪梅

杭州市交通工程集团有限公司浙江杭州310000

摘要：沥青混凝土作为我国各级公路的一种常见道路结构面层，不仅承受着各种行车荷载和自然环境的作用，还由于沥青路面呈现出的黑色而具有很强的吸收太阳能的能力。一方面，这种吸收太阳能的能力会使沥青混凝土路面的温度过高，导致出现各种病害，但另一方面，可以利用沥青混凝土路面吸收太阳能，使其成为一项能源利用技术。本文将从路面沥青混凝土的原材料组成设计、集热融雪传热机理的分析以及融雪化冰模型的建立三方面对路面沥青混凝土的试验优化设计进行讨论。

关键词：路面结构、沥青混凝土、集热融雪

随着我国道路工程的飞速发展，沥青混凝土作为一种主要的路面材料得到了广泛的应用，虽然为我国的交通发展作出了巨大贡献。但是黑色的沥青混凝土路面吸收的大量太阳能提高了路面温度，不仅使城市热岛效应越发严重，高温还会对路面造成推移、泛油等等病害。为了解决这一问题，国内外专家对传导沥青混凝土作出了细致的性能研究。当然，传导沥青混凝土由换热管道、蓄热体和热泵三部分组成，而从其配合比进行优化设计，能够使路面沥青混凝土的性能得到改善。

1路面沥青混凝土的原材料组成设计

沥青混凝土作为一种常见的路面材料，在对其进行集热融雪优化设计时，除了需要制备普通的沥青混凝土以外，还需要制备传导沥青混凝土和隔热层，其主要成分包括沥青、集料及矿粉、导热相填料和防水卷材四种。

沥青是一种主要用来黏附矿物集料的材料，能够使沥青混凝土拥有初始的强度，是沥青混凝土路面的基础材料，对其路用性能有着很大的影响。而沥青材料的种类有很多，包括石油沥青、煤沥青、改性乳化沥青和天然沥青等等种类。一般来说，AH-90号A级道路石油沥青和改性乳化沥青的基本指标和性能制备是能够满足集热融雪路面沥青混凝土的设计需求的。

矿物集料是沥青混凝土的骨架结构，对路用性能起着决定性的作用。由于矿物集料是由岩石经过不同级别的破碎所形成的碎石，所以根据直径的大小可以分为粗集料和细集料两种。粗集料是指直径介于9.5~16mm之间的碎石，细集料则是直径在0~2.36mm的碎石。矿物集料还对沥青混凝土的热物性有着影响，石灰岩、辉绿岩、花岗岩和建筑废弃物等都可以很好的满足沥青混凝土的相关规范需求，但页岩陶粒这种应用也比较广泛的矿物集料不符合公路沥青的性能需求。

导热相填料是一种能够改善沥青混凝土导热性能的材料，目前来说可以分为金属类和非金属类两种。而由于金属填料容易受到雨水等自然条件的影响而产生腐蚀，所以对于防腐性能要求较高的道路，一般采用的是非金属填料，而其中应用最多的就是石墨。石墨不仅拥有这良好的耐腐蚀性能，能够在沥青混凝土中均匀的分散，而且石墨的片状结构使石墨颗粒能够更容易的连接起来，形成导热网络，更大程度的提升材料的导热系数。而且石墨的性质比较稳定，在沥青混凝土的制备过程中不会受到拌和、高温等因素的影响而产生性能上的改变，所以是一种非常理想的导热相填材料。

2路面沥青混凝土的集热融雪传热机理

路面沥青混凝土之所以能够达到集热融雪的理想目标，主要是由于铺设在沥青面层内的换热装置、储热器、循环泵等等关键部件，组成了沥青路面太阳能集热及融雪系统。由于这套系统不在本文的讨论范围中，下文就主要对该系统的沥青混凝土在整个集热融雪过程中所起的作用及相关施工要点作出讨论。

在夏季，沥青路面主要是进行集热过程，通过太阳能的光热效应，使黑色沥青混凝土的温度大幅上升，将沥青混凝土路面变成一个吸热板。再通过土壤热泵装置将冷的介质水输送到路面吸收光热效应所产生的热能，然后使携带大量热能的水回到地下的储热器，使热能被储存起来。这就实现了夏季的路面沥青混凝土集热全过程，不仅带来了能源供应，而且降低的路面温度，一定程度上避免了路面因为温度应力所产生永久变形。

这种发生在路面上的热能交换仍然遵循三种热能传递方式：热传导、热对流和热辐射。想要尽量增大沥青混凝土材料的热物性，导热系数就是衡量物质导热能力的一个重要指标。而沥青混凝土中的沥青材料导热性能较差，所以其导热性能主要是与组成的骨料材料有关的，如果要提高导热性能，就要在沥青材料中刚加入一些高导热相的材料，如石墨、钢渣等等材料，使太阳能的转换效率达到一种比较理想的状态。除此之外，油石比和含水率对沥青混凝土的导热系数有着一定影响。

据试验表明，石灰岩沥青混凝土随着油石比的增加会逐渐的减少。沥青的导热系数小于石灰岩集料的导热系数，但沥青导热系数比空气导热系数高近7倍，但是在沥青混凝土的密实度进一步上升时，就降低了接触热阻，可能导致测试数据偏差变大。

含水率则是受大气环境的影响更大，特别是在降雨降水气候发生后，会使沥青混凝土的含水率明显增加。而水的导热系数大于空气和沥青，所以在含水率上升的时候，会使得混凝土的导热系数上升。因此，在对沥青混凝土进行相关测试时，要以干燥时的导热系数为主，保证路面的导热系数最低值达到标准。

而由于这种能量的转换方式存在不可避免的局限性，所以转换效率始终处于一种比较低下的状态，不过由于我国的沥青混凝土地面应用范围真的较广，所以可以利用数量的优势弥补效率上的不足，为我国的能源提供稳定的供应。

3路面沥青混凝土的融雪化冰模型建立

路面沥青混凝土的融雪化冰模型在理想状态下是在沥青铺装层中埋入换热管道，从而在冬季时融化路面的冰雪。但是这种方案在实际操作中有着很大的局限性，比如换热管道的埋管深度和沥青路面的热传导系数很难达到理想标准，所以这种路面的沥青混凝土料的配比需要经过非常周密的计算，结合精准的施工实践，才能够建造出基本符合理想状态的传导沥青混凝土路面。

由于路面化冰的效果主要体现在沥青路表为温度的大小，所以目前常用的方式是对数值进行模拟分析，在误差允许的范围内获得最佳融雪效果。首先，以狭长结构的带状物为单元体，假定沥青混凝土路面的隔层都是均匀的连续体，且结合紧密，不存在层间间隙，以及间隙所带来的热阻、温度以及连续热流；假设冰层为均质和各项同性的连续体，考虑冰层从固态转为液态的温度变化，但由于冰层融化的温度与时间的关系是一个非稳态，很多时候都是一个瞬态导热的过程，而且管道长度的管间距的比值很大，使得管长度方向的导热很小，可以忽略，所以在计算传热单元的温度分布和融雪化冰的时间时，要以轴线方向的中见面为该传热单元的代表面。

最后，在考虑季候环境因素时，为了保证在最差的条件下，沥青混凝土的热导率也能够达到要求，就必须考虑最不利的气候条件，即无太阳辐射且有对流时，路面的化冰情况。以此建立方程，求解该沥青混凝土路面所需要的导热系数，结合最常用的换热管道，即高密度聚乙烯管的热学参数，再对所需要的骨料比例进行配比，得到最优设计方案。

结束语

我国的路面沥青混凝土有着非常广泛的发展基础，而我国如果想要从交通大国转变为交通强国，就必须对路面施工进行改进，而建设传导沥青路面，利用其融雪化冰性能对太阳能进行能量转换，得到一定的能源，就是一个非常好的发展方向。当然，这种沥青混凝土的建设大多采用的是埋管法，不仅在施工工艺上难度比较大，而且对于沥青混凝土本身的热传导性提出了更大的要求，这就使得设计部门在对路面沥青混凝土进行试验配合比时，要尽量做到最优化，使其集热化冰效果达到最好，不仅能够对沥青混凝土的路面质量进行大幅度的提高，更能为能源开发出一份力。

参考文献：

[1]王虹.传导沥青混凝土性能研究[M].北京：知识产权出版社，2015.

[2]孙雅珍等.沥青混凝土黏弹性损伤与防裂控制[M].北京：中国电力出版社，2016.