CN114108415B - 一种双层相变调温的沥青路面结构 - Google Patents

一种双层相变调温的沥青路面结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双层相变调温的沥青路面结构，由普通沥青混凝土下面层、调温沥青混凝土中面层和调温沥青混凝土上面层组成；所述调温沥青混凝土中面层具体为掺入了正十八烷/泡沫铝相变集料的调温沥青混凝土结构层；所述调温沥青混凝土上面层具体为掺入了聚乙二醇2000/泡沫铝相变集料的调温沥青混凝土结构层；通过在不同面层掺入与夏季路面结构不同位置处的温度相匹配的相变材料，在降低沥青路面温度方面效果更为显著；采用泡沫铝作为载体制备的相变集料，能够保证替换集料后沥青路面的路用性能不会下降；在减水剂的作用下包裹在相变集料外部的导热型水泥浆能够有效提高相变集料的热导率，最大程度地发挥相变材料的储热功能。

Description

一种双层相变调温的沥青路面结构
技术领域
本发明属于道路工程技术领域，具体涉及一种双层相变调温的沥青路面结构。
背景技术
沥青路面因其良好的驾驶体验及易修补性成为我国高等级公路的主要铺面形式。沥青路面对太阳辐射反射率较低，易吸收热量，夏季沥青路面表面温度最高能达到60～70℃，中面层最高温度能达到40～50℃，在车辆荷载的反复作用下易形成车辙病害，同时积累在沥青路面的热量会加剧城市岛效应。
将相变材料掺入沥青路面中，通过相变吸收热量，能够在一定程度上达到降低沥青路面温度的效果。目前，路用相变材料方面的研究方兴未艾，一种抗车辙的沥青路面降温结构及其各层材料组成(中国,CN110499687A[P].2019-11-26)在4cm处最高温度降低3.7℃， 10cm处最高温度降低5.9℃；文献(Phase Change Heat-induced Structure ofAsphalt Pavement for Reducing the Pavement TemPerature[J],Iranian Journal ofScience and Technology, Transactions of Civil Engineering,2021.)在4cm处最高温度降低2.8℃，10cm处最高温度降低2.5℃，文献(相变沥青与相变集料的制备及路用性能研究[D].长沙:长沙理工大学,2020.) 在单层车辙板下表面(5cm)最高温度降低5.18℃。然而，现有研究均是在路面单层结构中掺入相变控温材料，无法调控整个路面结构层中的温度，导致降温效果有限，且往往因相变材料泄露降低路面高温性能和耐久性，亟需从路面整体结构出发，开发调温性能优异、对路面高温性能影响小的沥青路面结构。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，基于路面结构中不同深度处存在温度梯度且车辙易发生在中上面层的问题，提供了一种双层相变调温的沥青路面结构，该结构中上面层分别掺入与其温度相匹配的复合定型相变集料，利用相变材料吸收进入路面结构内部的热量，达到降低路面整体温度的效果，以提高沥青路面的抗车辙能力，同时缓解因路面温度过高而造成的城市热岛效应；本发明的另一目的在于提供分别适用于中上面层沥青路面的相变集料，其强度高、对沥青路面路用性能影响小，同时还具有较高热导率能够最大程度地发挥相变材料的储热能力。
为达到上述目的，采用技术方案如下：
一种双层相变调温的沥青路面结构，由普通沥青混凝土下面层、调温沥青混凝土中面层和调温沥青混凝土上面层组成；
所述调温沥青混凝土中面层具体为掺入了正十八烷/泡沫铝相变集料的调温沥青混凝土结构层；
所述调温沥青混凝土上面层具体为掺入了聚乙二醇2000/泡沫铝相变集料的调温沥青混凝土结构层。
按上述方案，所述调温沥青混凝土中面层厚度为5～8cm，所述调温沥青混凝土上面层厚度为3～5cm。
按上述方案，所述正十八烷/泡沫铝相变集料的制备方法包括以下步骤：
将孔隙率60％～80％、孔径2～3mm、厚度60mm板状泡沫铝使用破碎机破碎，并对破碎后的泡沫铝进行筛分，筛选出4.75mm～9.5mm档泡沫铝颗粒；
将1000份正十八烷加热融化后加入500～1000份4.75mm～9.5mm档的泡沫铝，保持温度浸泡，降温至正十八烷凝结成胶状后取出；
冷却后与导热型水泥浆混合搅拌，将所得混合物逐粒分撒开静置于孔径2mm的滤网上，待多余水泥浆通过滤网后，将制得的相变集料在水泥标准养护室中养护48h。
按上述方案，所述聚乙二醇2000/泡沫铝相变集料的制备方法包括以下步骤：
将孔隙率60％～80％、孔径2～3mm、厚度60mm板状泡沫铝使用破碎机破碎，并对破碎后的泡沫铝进行筛分，筛选出4.75mm～9.5mm档泡沫铝颗粒；
将1000份聚乙二醇2000加热融化后加入500～1000份4.75mm～9.5mm档泡沫铝，保持温度浸泡，后将温度降至聚乙二醇2000凝结成胶状后取出；
冷却后与导热型水泥浆混合搅拌，将所得混合物逐粒分撒开静置于孔径2mm的滤网上，待多余水泥浆通过滤网后，将制得的相变集料在水泥标准养护室中养护48h。
按上述方案，所述导热型水泥浆由硅酸盐水泥、水、减水剂、100目石墨粉搅拌均匀制得，其质量份数组成：100份水泥、35份水、2份聚羧酸减水剂、10～20份100目石墨粉。
按上述方案，所述调温沥青混凝土中面层的制备方法包括以下步骤：
设计AC-20型沥青混合料；
按等体积取代法，利用正十八烷/泡沫铝相变集料取代沥青混合料中4.75mm～9.5mm档的集料，取代比例为50％～75％；
按常规拌合、压实方法成型调温沥青混凝土中面层。
按上述方案，所述调温沥青混凝土上面层的制备方法包括以下步骤：
设计AC-13或AC-16型沥青混合料；
按等体积取代法，利用聚乙二醇2000/泡沫铝相变集料取代沥青混合料中4.75mm～9.5mm档的集料，取代比例为25％～50％；
按常规拌合、压实方法在调温沥青混凝土中面层上方成型调温沥青混凝土上面层。
相对于现有技术，本发明有益效果如下：
沥青路面上面层最高温度可达60～70℃，本发明在上面层选用相变区间与之相匹配的聚乙二醇2000/泡沫铝相变集料(相变区间：39.6～65.4℃)，沥青路面中面层最高温度可达 40～50℃，本发明在中面层选用相变区间与之相匹配的正十八烷/泡沫铝相变集料(相变区间：27.0～32.1℃)，利用相变材料吸收进入路面结构内部的热量，达到降低路面整体温度的效果，以提高沥青路面的抗车辙能力，同时缓解因路面温度过高而造成的城市热岛效应。
通过在不同面层掺入与夏季路面结构不同位置处的温度相匹配的相变材料，在降低沥青路面温度方面效果更为显著；采用泡沫铝作为载体制备的相变集料，能够保证替换集料后沥青路面的路用性能不会下降；在减水剂的作用下(提高水泥浆硬化后的密实性和导热性)，包裹在相变集料外部的导热型水泥浆能够有效提高相变集料的热导率，最大程度地发挥相变材料的储热功能。
具体实施方式
以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
具体实施例中正十八烷/泡沫铝相变集料按以下方式制备而来：
将孔隙率60％～80％、孔径2～3mm、厚度60mm板状泡沫铝使用破碎机破碎，并对破碎后的泡沫铝进行筛分，筛选出4.75mm～9.5mm档泡沫铝颗粒；将1000份正十八烷在50℃水浴中加热0.5h后加入500～1000份4.75mm～9.5mm档的泡沫铝，保持温度浸泡1h，后将温度降至30℃，待正十八烷凝结至胶状后取出，待24h冷却后与1000份导热型水泥浆混合搅拌30P并将混合物逐粒分撒开静置孔径2mm的滤网上，待多余水泥浆通过滤网后，将制得的相变集料在水泥标准养护室中养护48h。
聚乙二醇2000/泡沫铝相变集料按以下方式制备而来：
将孔隙率60％～80％、孔径2～3mm、厚度60mm板状泡沫铝使用破碎机破碎，并对破碎后的泡沫铝进行筛分，筛选出4.75mm～9.5mm档泡沫铝颗粒；将1000份聚乙二醇2000在100℃水浴中加热0.5h后加入500～1000份4.75mm～9.5mm档的泡沫铝，保持温度浸泡1h，后将温度降至60℃，待聚乙二醇2000凝结至胶状后取出，待24h冷却后与1000份导热型水泥浆混合搅拌30P并将混合物逐粒分撒开静置孔径2mm的滤网上，待多余水泥浆通过滤网后，将制得的相变集料在水泥标准养护室中养护48h。
其中所用导热型水泥浆由硅酸盐水泥、水、减水剂、100目石墨粉搅拌均匀制得，其质量份数组成：100份水泥、35份水、2份聚羧酸减水剂、10～20份100目石墨粉。
本发明具体实施方式调温沥青混凝土中面层按以下方式制备：
设计AC-20型沥青混合料；按等体积取代法，利用正十八烷/泡沫铝相变集料取代沥青混合料中4.75mm～9.5mm档的集料，取代比例为50％～75％；按常规拌合、压实方法成型调温沥青混凝土中面层。
本发明具体实施方式调温沥青混凝上中面层按以下方式制备：
设计AC-13或AC-16型沥青混合料；按等体积取代法，利用聚乙二醇2000/泡沫铝相变集料取代沥青混合料中4.75mm～9.5mm档的集料，取代比例为25％～50％；按常规拌合、压实方法在调温沥青混凝土中面层上方成型调温沥青混凝土上面层。
具体实施方式制备的双层相变调温的沥青路面结构，由普通沥青混凝土下面层、调温沥青混凝土中面层和调温沥青混凝土上面层组成；所述调温沥青混凝土中面层厚度为4～8cm，具体为掺入了正十八烷/泡沫铝相变集料的调温沥青混凝土结构层；所述调温沥青混凝土上面层厚度为3～5cm，具体为掺入了聚乙二醇2000/泡沫铝相变集料的调温沥青混凝土结构层。
实施例1
设计中面层用AC-20型沥青混合料和上面层用AC-13型沥青混合料，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E-20-2011)制备中面层(6cm)+上面层(4cm)结构的普通车辙板试件。
按等体积取代法，利用正十八烷/泡沫铝相变集料取代上述AC-20型沥青混合料中4.75mm～9.5mm档的集料，取代比例为50％，利用聚乙二醇2000/泡沫铝相变集料取代上述AC-13型沥青混合料中4.75mm～9.5mm档的集料，取代比例为25％。确定上述各层的材料后，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E-20-2011)制备上述调温中面层(6cm)+调温上面层(4cm)的调温结构车辙板试件。
对上述普通车辙板试件和调温结构车辙板试件同时进行室内照射试验。具体在试件4cm 和10cm处放置温度传感器，连接温度记录仪；在试件四周及底部包裹保温材料，并在试件上方60cm处安置两盏275w白炽灯控制试件表面温度为60℃，分别测试试件4cm处和10cm 处的最高温度。
与普通车辙板试件相比，采用本发明调温结构车辙板试件4cm处的最高温度降低3.2℃， 10cm处最高温度降低5.5℃。
实施例2
设计中面层用AC-20型沥青混合料和上面层用AC-16型沥青混合料，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E-20-2011)制备中面层(5cm)+上面层(5cm)结构的普通车辙板试件。
按等体积取代法，利用正十八烷/泡沫铝相变集料取代上述AC-20型沥青混合料中4.75mm～9.5mm档的集料，取代比例为75％，利用聚乙二醇2000/泡沫铝相变集料取代上述AC-13型沥青混合料中4.75mm～9.5mm档的集料，取代比例为50％。确定上述各层的材料后，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E-20-2011)制备上述调温中面层(5cm)+调温上面层(5cm)的调温结构车辙板试件。
对上述普通车辙板试件和调温结构车辙板试件同时进行室内照射试验。具体在试件4cm 和10cm处放置温度传感器，连接温度记录仪；在试件四周及底部包裹保温材料，并在试件上方60cm处安置两盏275w白炽灯控制试件表面温度为60℃，分别测试试件4cm处和10cm 处的最高温度。
与普通车辙板试件相比，采用本发明调温结构车辙板试件4cm处的最高温度降低5.7℃， 10cm处最高温度降低7.6℃。
实施例3
设计中面层用AC-20型沥青混合料和上面层用AC-13型沥青混合料，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E-20-2011)制备上面层(3cm)+中面层(8cm)结构的车辙板试件。
按等体积取代法，利用正十八烷/泡沫铝相变集料取代上述AC-20型沥青混合料中4.75mm～9.5mm档的集料，取代比例为62.5％，利用聚乙二醇2000/泡沫铝相变集料取代上述AC-16型沥青混合料中4.75mm～9.5mm档的集料，取代比例为37.5％。确定上述各层的材料后，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E-20-2011)制备上述调温上面层(3cm)+调温中面层(8cm)结构的车辙板试件。
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E-20-2011)，对上述普通车辙板试件和调温结构车辙板试件进行车辙试验，计算动稳定度(60℃，0.7MPP，次/mm)，普通车辙板试件为1060，调温结构车辙板试件为1203。采用本发明所述的相变集料能有效提高沥青混合料的动稳定度，保证了沥青路面结构的高温性能。
实施例4
设计中面层用AC-20型沥青混合料和上面层用AC-13型沥青混合料，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E-20-2011)成型两种沥青混合料的马歇尔试件。
按等体积取代法，利用正十八烷/泡沫铝相变集料取代上述AC-20型沥青混合料中4.75mm～9.5mm档的集料，取代比例为50％，利用聚乙二醇2000/泡沫铝相变集料取代上述AC-16型沥青混合料中4.75mm～9.5mm档的集料，取代比例为50％。确定上述各层的材料后，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E-20-2011)成型上述两种相变调温上沥青混合料的马歇尔试件。
表1沥青混合料劈裂强度
Figure BDA0003398970060000061
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E-20-2011)，对上述四种马歇尔试件进行劈裂试验，结果如表1所示，说明本发明所述的相变集料强度高，能有效提高沥青混合料的劈裂强度和抗裂性能。

Claims (4)

1.一种双层相变调温的沥青路面结构，其特征在于由普通沥青混凝土下面层、调温沥青混凝土中面层和调温沥青混凝土上面层组成；
所述调温沥青混凝土中面层具体为掺入了正十八烷/泡沫铝相变集料的调温沥青混凝土结构层；
所述调温沥青混凝土上面层具体为掺入了聚乙二醇2000/泡沫铝相变集料的调温沥青混凝土结构层；
所述调温沥青混凝土中面层厚度为5～8cm，所述调温沥青混凝土上面层厚度为3～5cm；
所述正十八烷/泡沫铝相变集料的制备方法包括以下步骤：
将孔隙率60％～80％、孔径2～3mm、厚度60mm板状泡沫铝使用破碎机破碎，并对破碎后的泡沫铝进行筛分，筛选出4.75mm～9.5mm档泡沫铝颗粒；
将1000份正十八烷加热融化后加入500～1000份4.75mm～9.5mm档的泡沫铝，保持温度浸泡，降温至正十八烷凝结成胶状后取出；
冷却后与导热型水泥浆混合搅拌，将所得混合物逐粒分撒开静置于孔径2mm的滤网上，待多余水泥浆通过滤网后，将制得的相变集料在水泥标准养护室中养护48h；
所述聚乙二醇2000/泡沫铝相变集料的制备方法包括以下步骤：
将孔隙率60％～80％、孔径2～3mm、厚度60mm板状泡沫铝使用破碎机破碎，并对破碎后的泡沫铝进行筛分，筛选出4.75mm～9.5mm档泡沫铝颗粒；
将1000份聚乙二醇2000加热融化后加入500～1000份4.75mm～9.5mm档泡沫铝，保持温度浸泡，后将温度降至聚乙二醇2000凝结成胶状后取出；
冷却后与导热型水泥浆混合搅拌，将所得混合物逐粒分撒开静置于孔径2mm的滤网上，待多余水泥浆通过滤网后，将制得的相变集料在水泥标准养护室中养护48h。
2.如权利要求1所述双层相变调温的沥青路面结构，其特征在于所述导热型水泥浆由硅酸盐水泥、水、减水剂、100目石墨粉搅拌均匀制得，其质量份数组成：100份水泥、35份水、2份聚羧酸减水剂、10～20份100目石墨粉。
3.如权利要求1所述双层相变调温的沥青路面结构，其特征在于所述调温沥青混凝土中面层的制备方法包括以下步骤：
设计AC-20型沥青混合料；
按等体积取代法，利用正十八烷/泡沫铝相变集料取代沥青混合料中4.75mm～9.5mm档的集料，取代比例为50％～75％；
按常规拌合、压实方法成型调温沥青混凝土中面层。
4.如权利要求1所述双层相变调温的沥青路面结构，其特征在于所述调温沥青混凝土上面层的制备方法包括以下步骤：
设计AC-13或AC-16型沥青混合料；
按等体积取代法，利用聚乙二醇2000/泡沫铝相变集料取代沥青混合料中4.75mm～9.5mm档的集料，取代比例为25％～50％；
按常规拌合、压实方法在调温沥青混凝土中面层上方成型调温沥青混凝土上面层。
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