定形PEG/SiO2復(fù)合相變材料制備及在半柔性路面中的應(yīng)用

沙莎??

摘 要：為了緩解城市熱島效應(yīng)，通過(guò)試驗(yàn)制備定形PEG/SiO2復(fù)合相變材料并將其應(yīng)用于半柔性路面，研究相變材料對(duì)半柔性路面路用性能和調(diào)溫性能的影響。結(jié)果表明，相變材料對(duì)半柔性瀝青路面的低溫抗裂性有改善作用，但會(huì)降低高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性；當(dāng)摻量較小時(shí)，相變材料對(duì)半柔性路面的調(diào)溫性能改善較弱，而摻量較大時(shí)，對(duì)調(diào)溫性能的改善效果顯著。

關(guān)鍵詞：半柔性路面；相變材料；路用性能；調(diào)溫性能

中圖分類號(hào)：U414.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Study on Preparation and Application of PEG/SiO2 Compound Phase Change Materials for Semi- flexible Pavement

SHA Sha

（School of Civil Engineering， Sanjiang University， Nanjing 210012， Jiangsu， China）

Abstract： In order to alleviate the urban heat island effect， the PEG/SiO2 compound phase change materials were prepared by experiments and applied to semi- flexible pavement. The effect of phase change materials on road performance and temperature control performance of semi- flexible pavement was studied. The results show that the phase change materials improve the anti- cracking performance of semi- flexible asphalt pavement at low temperature， while reducing the high temperature stability and water stability. And the effect of phase change materials on temperature control performance of semi- flexible pavement is related to the mixing amount.

Key words： semi- flexible pavement； phase change material； pavement performance； temperature control performance

0 引 言

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的日益加快，城市熱島效應(yīng)日趨明顯，對(duì)大氣環(huán)境、區(qū)域氣候和生態(tài)以及人體健康都造成了一定的不良影響[1- 2]。而城市里大量鋪筑的瀝青路面進(jìn)一步加劇了城市的熱島效應(yīng)[3- 4]。半柔性路面是指以大空隙率（20%～25%）瀝青混合料為基體，通過(guò)灌注一定比例的水泥砂漿，最終硬化形成的一種高性能路面[5- 6]。與普通路面相比，半柔性路面不僅具有良好的路用性能，而且是一種低吸熱路面，能在一定程度上能降低路面溫度，改善城市熱島效應(yīng)[7]。但目前的半柔性路面技術(shù)對(duì)于降低路面溫度，進(jìn)而減緩城市熱島效應(yīng)的效果遠(yuǎn)低于預(yù)期。因此，開發(fā)新的半柔性路面降溫技術(shù)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

由于相變材料在溫度升高時(shí)將發(fā)生相變而吸收能量，且在相變后能保持溫度恒定，因此將其應(yīng)用于半柔性路面降低路面和環(huán)境溫度具有廣闊的前景[8]。基于此，本文通過(guò)試驗(yàn)，得到相變溫度符合半柔性路面服役溫度范圍的相變材料，并研究其對(duì)瀝青混合料路用和調(diào)溫性能的影響，為緩解城市熱島效應(yīng)提供新的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料準(zhǔn)備

1.1 原材料

制備PEG/SiO2復(fù)合相變材料所用的聚乙二醇（PEG）、正硅酸乙酯（TEOS）、無(wú)水乙醇（CH3CH2OH）、異辛烷（（CH3）CHCH2（CH3））、氫氧化鈉（NaOH）和濃鹽酸均為天津市津東天正精細(xì)化學(xué)試劑廠生產(chǎn)。瀝青選用AS70#瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示；粗細(xì)集料均選用玄武巖碎石，其性質(zhì)均符合相關(guān)要求；混合級(jí)配組成和主要參數(shù)分別如表2、3所示；水泥采用普通硅酸鹽水泥，水泥砂漿用細(xì)砂為普通河砂，減水劑為聚羧酸系減水劑，水泥砂漿的配合比如表4所示。其中相變材料的加入量以相變材料占水泥的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)記。

以TEOS為前驅(qū)體，PEG為相變材料，乙醇為溶劑，鹽酸為催化劑，利用溶膠- 凝膠法制備復(fù)合相變材料[9- 10]。試驗(yàn)時(shí)先稱取一定量的PEG加入適量的乙醇中，并加熱使其溶融；然后加入適量的TEOS并攪拌均勻；之后再加入鹽酸并調(diào)節(jié)溶液的PH值到1；最后將復(fù)合溶液在室溫條件下攪拌5 h，靜置形成凝膠；最后在80 ℃條件下將凝膠干燥3d得到PEG/SiO2復(fù)合相變材料。

2 相變材料分析

2.1 PEG分子量和含量對(duì)膠凝時(shí)間的影響

測(cè)定不同的PEG分子量（1 500、2 000、4 000、6 000和10 000）和含量（30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%）的復(fù)合相變材料的膠凝時(shí)間，優(yōu)選合適的PEG含量，結(jié)果如圖1所示。

圖1 膠凝時(shí)間隨PEG含量的變化

從圖1可以看出，隨著PEG含量的增多，相變材料發(fā)生膠凝所需的時(shí)間逐漸增加，其中當(dāng)PEG含量小于70%時(shí)，膠凝時(shí)間隨PEG含量的變化幅度較小；當(dāng)PEG含量超過(guò)70%時(shí)，隨著PEG含量的增多，膠凝時(shí)間大幅延長(zhǎng)；當(dāng)PEG含量超過(guò)80%時(shí)，除PEG1 500/SiO2外，其他復(fù)合相變材料均不能發(fā)生膠凝。其原因?yàn)椋瑥?fù)合相變材料發(fā)生膠凝與TEOS發(fā)生水解反應(yīng)生成的Si（OH）4的縮合作用有關(guān)[11]。當(dāng)PEG含量小于70%時(shí)，隨著PEG含量的增加，TEOS相對(duì)含量降低，生成的Si（OH）4濃度降低，不利于縮合形成凝膠，因此膠凝時(shí)間逐漸增加；同時(shí)，PEG分子鏈嵌入SiO2的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，并形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從一定程度上阻礙了縮合反應(yīng)的發(fā)生，而此時(shí)Si（OH）4濃度對(duì)凝膠的影響遠(yuǎn)大于PEG分子鏈對(duì)凝膠的影響，因此膠凝時(shí)間變化不大。而當(dāng)PGE含量超過(guò)70%時(shí)，PGE分子鏈對(duì)Si（OH）4縮合反應(yīng)的阻礙作用增加，難以形成凝膠，因此膠凝時(shí)間大幅延長(zhǎng)。當(dāng)PEG含量超過(guò)80%時(shí)，PGE分子鏈嚴(yán)重阻礙了Si（OH）4縮合反應(yīng)的進(jìn)行，相變材料已不能發(fā)生膠凝。因此，建議PEG最大含量不應(yīng)超過(guò)80%。

2.2 PEG分子量對(duì)相變焓和相變溫度的影響

將相變材料用于半柔性路面中，要求相變材料具有足夠的調(diào)溫能力和合適的相變溫度。其中相變材料的調(diào)溫能力主要與其相變焓密切相關(guān)，相變焓越大表明相變材料的調(diào)溫能力越強(qiáng)[12]。選擇PEG含量為80%，測(cè)定不同PGE分子量復(fù)合相變材料的相變焓和初始相變溫度Ton、相變溫度Tm，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖2、3所示。

圖2 相變焓隨PEG分子量的變化

圖3 相變溫度隨PEG分子量的變化

從圖2可以看出，不同PEG分子量的復(fù)合相變材料的相變焓位于75.6～116.3 J·g-1之間。隨著PEG分子量的增大，相變焓逐漸增大，當(dāng)PEG分子量大于4 000時(shí)，相變焓趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)?，?dāng)PEG分子量小于4 000時(shí)，PEG分子鏈的節(jié)數(shù)較少，而端點(diǎn)數(shù)較多，實(shí)際參與結(jié)晶的鏈節(jié)比例較低，且結(jié)晶體中存在較多的缺陷，因此結(jié)晶度較低；此時(shí)增大PEG分子鏈，能增大參與結(jié)晶的PEG鏈節(jié)比例，使結(jié)晶度提高，因此相變焓逐漸增大。而當(dāng)PEG分子量超過(guò)4 000時(shí)，雖然較大的PEG鏈節(jié)比例能促進(jìn)結(jié)晶的發(fā)生，然而此時(shí)PEG長(zhǎng)分子鏈之間容易發(fā)生相互纏結(jié)，阻礙形成完整的結(jié)晶體，從一定程度上削弱了相變焓的進(jìn)一步增長(zhǎng)，因此相變焓趨于穩(wěn)定[13]。

從圖3可以看出，隨著PEG分子量的增大，復(fù)合相變材料的初始相變溫度Ton和相變溫度Tm都逐漸增大。這主要是因?yàn)殡S著PEG分子量的增大，在形成的三維網(wǎng)路結(jié)構(gòu)中，SiO2對(duì)PEG分子鏈的約束作用逐漸增大，對(duì)結(jié)晶的阻礙程度增加，因此相變溫度逐漸提高[14]。對(duì)應(yīng)到半柔性路面中相變材料的相變溫度應(yīng)在40 ℃～50 ℃之間，因此PEG的分子量不應(yīng)大于6 000，綜合相變焓和相變溫度考慮，選取PEG的最佳分子量為4 000。

3 相變材料對(duì)瀝青混合料路用性能的影響[KH*2]

相變材料的加入會(huì)引起半柔性路面混合料材料組成的改變，進(jìn)而引起瀝青混合料路用性能的變化，相變材料雖然具有良好的調(diào)溫能力，但必須在保證路用性能的前提下才能將其應(yīng)用于半柔性路面。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定不同相變材料摻量時(shí)混合料的動(dòng)穩(wěn)定度、彎拉強(qiáng)度、低溫彎曲應(yīng)變、殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比，研究相變材料摻量對(duì)混合料路用性能的影響，結(jié)果如表5所示。

從表5可以看出，隨著相變材料摻量的增多，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度逐漸降低，高溫穩(wěn)定性逐漸變差。彎拉強(qiáng)度隨著相變材料摻量的增多逐漸降低，而低溫彎曲應(yīng)變隨相變材料摻量的增多逐漸增大。低溫彎曲應(yīng)變表征了瀝青混合料在低溫下的變形協(xié)調(diào)能力，是瀝青混合料低溫抗裂性的最主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，表明相變材料的加入能明顯改善半柔性路面瀝青混合料的低溫抗裂性，且摻量越大改善效果越好。殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比都隨相變材料摻量的增多呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，表明相變材料摻量越多，瀝青混合料水穩(wěn)定性越差。在半柔性路面中，相變材料是替代砂漿中的部分水泥而摻入的，相變材料摻量越多，水泥含量越小，混合料整體的強(qiáng)度和剛度越小，因此高溫荷載作用時(shí)越容易發(fā)生變形，高溫穩(wěn)定性越差；水泥含量的減少使水泥水化產(chǎn)物數(shù)量減少，對(duì)混合料空隙的填充作用減弱，因此混合料水穩(wěn)定性降低[15]；相變材料之所以能起到改善混合料低溫抗裂性的作用，是由于水泥砂漿為脆性材料，隨著相變材料摻量的增多，水泥砂漿中水泥比例減少，砂漿脆性降低，低溫荷載作用時(shí)瀝青混合料整體的變形能力增強(qiáng)，因此低溫抗裂性得到改善。即使當(dāng)相變材料摻量達(dá)到最大時(shí)，瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能指標(biāo)均能滿足要求。

4 半柔性路面調(diào)溫性能

測(cè)定半柔性路面溫度隨時(shí)間的變化曲線，研究相變材料摻量對(duì)半柔性路面調(diào)溫性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同相變材料摻量時(shí)半柔性路面的升溫曲線

從圖4可以看出，60 min之前，半柔性路面內(nèi)部溫度緩慢增長(zhǎng)，60 min之后隨著時(shí)間的延長(zhǎng)路面內(nèi)部溫度大幅升高。當(dāng)時(shí)間相同時(shí)，相變材料摻量越多，路面內(nèi)部溫度越低，其中相變材料摻量為0和1%時(shí)的路面升溫曲線極為接近，表明低摻量的相變材料對(duì)半柔性路面的調(diào)溫性能改善不顯著。當(dāng)相變材料摻量大于2%時(shí)，相變材料的加入對(duì)路面調(diào)溫性能的改善效果顯著，吸熱60 min和240 min后，摻加5%相變材料的路面相比未摻加相變材料的路面，其溫度分別降低14. 2 ℃和11. 5 ℃。高溫時(shí)，半柔性路面中的相變材料發(fā)生相變，由固相變?yōu)橐合啵詹?chǔ)存能量，發(fā)揮了潛熱作用，起到了良好的降溫效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1） 隨著PEG摻量的增多，復(fù)合相變材料的膠凝時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，其中當(dāng)PEG摻量超過(guò)70%時(shí)，膠凝時(shí)間急劇增大，直至摻量大于80%后，相變材料已無(wú)法發(fā)生膠凝，因此PEG最大含量不應(yīng)超過(guò)80%。

（2） 隨著PEG分子鏈的增大，復(fù)合相變材料的相變焓和相變溫度逐漸增大，材料微觀表面裂縫逐漸減少，連續(xù)相逐漸增多，材料粒徑逐漸變?。划?dāng)PEG分子量大于4 000時(shí)，相變焓趨于穩(wěn)定，相變溫度接近甚至超過(guò)60 ℃，綜合考慮最佳PEG分子量為4 000。

（3） 隨著相變材料摻量的增多，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性逐漸降低，而低溫抗裂性得到改善，且摻量越多，改善效果越好；綜合來(lái)看，即使相變材料摻量為5%時(shí)，瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能指標(biāo)也均能滿足要求。

（4） 相變材料能從一定程度上改善半柔性路面的調(diào)溫性能，當(dāng)相變摻量較小時(shí)，改善效果不明顯；而當(dāng)摻量大于2%時(shí)，改善效果顯著。摻加5%的相變材料會(huì)使半柔性路面在吸熱4 h后的溫度降低11.5 ℃。

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[責(zé)任編輯：杜敏浩]