基于相變材料的調(diào)溫瀝青路面應(yīng)用研究進展

林飛鵬，金 嬌，2，鄭健龍，2，史 斌，黃存波，任天锃

(1.長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南長沙410114)

(2.特殊環(huán)境道路工程湖南省重點實驗室，湖南長沙410114)

基于相變材料的調(diào)溫瀝青路面應(yīng)用研究進展

林飛鵬1，金 嬌1，2，鄭健龍1，2，史 斌1，黃存波1，任天锃1

(1.長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南長沙410114)

(2.特殊環(huán)境道路工程湖南省重點實驗室，湖南長沙410114)

金 嬌

相變材料(PCMs)由于其獨特的儲能特性，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、建筑等領(lǐng)域，是一種可以用于道路工程領(lǐng)域中的新型材料，具有良好的應(yīng)用前景。在總結(jié)近幾年國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，對相變儲能材料在調(diào)溫瀝青路面方面的應(yīng)用研究進行了概述。介紹了共晶系相變材料與定形相變材料的基本概念，進行了基于相變材料的路表溫度模型調(diào)溫機理分析，重點闡述相變材料摻入瀝青混合料的方式，對該研究領(lǐng)域的一些現(xiàn)存問題進行了探討。并提出了適用于瀝青路面的相變材料的性能要求與標準，展望了相變調(diào)溫瀝青路面的發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景。

相變材料；定形相變復合材料；相變溫度；調(diào)溫瀝青路面；路用性能

1 前 言

瀝青路面由于其舒適平整、維修方便、開放交通早等特性，廣泛應(yīng)用于城市道路和公路干線，成為目前我國鋪筑面積最多的一種高等級路面，我國現(xiàn)有13萬公里高速公路中，90%以上是瀝青路面。然而瀝青作為一種溫度敏感性材料，其夏季路表溫度高達70~80℃[1]，在行車荷載作用下極易形成車轍、擁包等病害，嚴重影響行車舒適性與安全性；城市瀝青路面由于吸收太陽輻射，影響周圍熱環(huán)境，還加劇城市“熱島效應(yīng)”[2]，致使城市中心氣溫普遍高于周邊郊區(qū)氣溫。

目前抵抗瀝青路面車轍的方法主要有兩種，一種是通過改性瀝青、改善級配等方法“被動”提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，另一種是通過反射涂層、熱阻材料、透水路面等方式“主動”降低路表溫度，形成“涼爽路面(cool pavements)”。截止2009年，日本“涼爽路面”已超過80萬m2，且每年以超過27萬m2的速率增加[3]。而前者工程實例證明無法徹底解決瀝青路面車轍問題，研究的重點則在于如何降低路表溫度和開發(fā)相應(yīng)的儲放熱技術(shù)[4]。最初提出“涼爽路面”是為了緩解城市“熱島效應(yīng)”，“涼爽路面”可以在現(xiàn)有的路面技術(shù)基礎(chǔ)上，通過材料改性、新穎設(shè)計、引進新材料等方式實現(xiàn)[5－7]。

相變儲能材料(Phase Change Materials，PCMs)是一種通過物態(tài)變化進行吸熱(放熱)的材料，相變儲能是基于相變材料的一種高新儲能技術(shù)，具有儲能密度大、輸出溫度和能量穩(wěn)定等優(yōu)點，可調(diào)節(jié)能量轉(zhuǎn)換利用在時間和空間上的矛盾[8]。近年來國內(nèi)外學者開始逐漸將相變材料應(yīng)用于瀝青路面，構(gòu)筑調(diào)溫瀝青路面，通過控制瀝青混凝土路面溫度場，減少瀝青路面病害。本文綜述了相變材料在調(diào)溫瀝青路面的應(yīng)用研究進展及現(xiàn)存問題，重點闡述相變材料摻入瀝青混合料的方式，并提出瀝青路面用相變材料的主要性能要求與標準。

2 相變材料概述

相變儲能作為熱能存儲的分支，又被稱為潛熱儲能。不同于利用材料固有熱容進行的顯熱儲能，是利用材料在物態(tài)變化時吸收(放出)大量潛熱而進行的儲能方式，在儲能領(lǐng)域中占據(jù)極其重要的地位。

2.1 相變材料分類

相變材料按其化學組成分為3類:無機類、有機類以及低共熔物，無機類相變儲能材料包括熔融鹽、結(jié)晶水合鹽、金屬合金等；常用的有機類相變材料有烷烴、石蠟、脂肪酸和醇類等[9]。幾乎所有的無機水合鹽類相變材料都存在明顯的過冷和相分離現(xiàn)象，而有機相變材料過冷度較低，對儲熱實際應(yīng)用影響不大，應(yīng)用較廣[10]。

2.2 相變材料熱學性質(zhì)與穩(wěn)定性

相變溫度和相變焓是評價相變材料熱物性質(zhì)的重要指標，差式掃描量熱法(DSC)通過保持系統(tǒng)溫度平衡，改變輸入能量使得測試相變過程的溫差變?yōu)闇y試能量差成為可能。熱效應(yīng)峰前半沿速率變化最大處切線與基線交點即為相變溫度，曲線與基線的積分所得面積即為相變焓(圖1)。鑒于大多數(shù)PCMs的低熱導率，延長了儲能周期，國內(nèi)外學者提出摻入高電導率的石墨顆?；蚶w維材料以增強PCMs的導熱性[11，12]。

熱學穩(wěn)定性是評價相變材料的另一項重要標準，通過其在重復相變后其熱物性變化差異表征。許多研究人員進行了熱循環(huán)試驗以檢查PCMs的穩(wěn)定性[13，14]，結(jié)果顯示有機PCMs往往比無機PCM具有更好的熱穩(wěn)定性。

圖1 相變材料的DSC曲線Fig.1 DSC curve of the PCMs

2.3 共晶系相變材料

PCMs的實際應(yīng)用中，其相變溫度是制約材料選擇的一個重要因素，國內(nèi)外學者依據(jù)熱力學理論，對二元共晶體系的相變焓及相變溫度進行分析。在單元相變材料A中加入B，其相變溫度逐漸下降，在C點處，兩相同時結(jié)晶(圖2)。最終以共晶點比例混合的共晶相變系與單元相變材料的相變性能一致，具有確定的單一相變溫度與相變焓[15]，這為制備具有合適相變溫度及相變焓的多元體系相變材料提供了理論基礎(chǔ)。

圖2 二元共晶系相圖Fig.2 Phase diagram of binary eutectic system

2.4 定形相變材料

相變材料雖有諸多優(yōu)點，但考慮到其在相變過程中的物態(tài)變化可能會出現(xiàn)液態(tài)，極容易泄露，目前建筑行業(yè)用相變材料多采用一定的封裝技術(shù)，形成定形相變材料，微觀呈現(xiàn)固—液相變形態(tài)，宏觀上呈現(xiàn)固—固相變，以保證復合材料的熱穩(wěn)定性和耐久性。定形相變材料一般由載體基質(zhì)和相變材料組成，載體基質(zhì)多為聚合物或無機多孔材料，其中高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、苯乙烯－丁二烯－苯乙烯共聚物等聚合物與石蠟、脂肪酸等有機相變材料在組成、性質(zhì)具有相似性，故而有著非常好的相容性，可形成形狀穩(wěn)定的復合相變材料[16－18]。而無機多孔材料則是利用表面張力來防止熔融的相變材料泄露[19－22]，其定形復合相變材料微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示[23]。

圖3 礦物基定形相變材料結(jié)構(gòu)示意圖[23]:(a)硅藻土多孔結(jié)構(gòu)；(b)相變材料填充孔結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure illustration of mineral-based form-stable phase change material[23]:(a)porous structure of diatomite；(b)pores filled with PCMs

3 路表溫度模型與降溫機理

許多學者對路表最高溫度進行模型研究[24，25]，認為其是空氣溫度、緯度、太陽輻射和其他經(jīng)驗系數(shù)的函數(shù)，但未考慮路面本身的熱學性質(zhì)。Qin[26]提出了路表最高溫度Tsmax的理論模型，如下式(1):

其中:?！c凈輻射中熱傳導所占的百分比相關(guān)的擬合

常數(shù)；

R—太陽輻射反射率；

I0—日中太陽輻射量；

ω—角頻率常數(shù)，2π/(24?3600)rad；

T0—回歸常數(shù)。

根據(jù)上述模型理論，通過改變材料的熱學性質(zhì)就成為路面調(diào)溫的一種途徑。Gui等[27]發(fā)現(xiàn)當熱容值從1.40×106J/m3?℃增大至2.80×106J/m3?℃，路表平均最高溫度降低約3℃。Karlessi等[28]在磚表面涂紅外反射顏料和納米相變材料，比較表面最高溫度，結(jié)果表明摻相變材料試件相比對照組試件溫度降低3~8℃。摻入PCMs的路面具有顯著高于傳統(tǒng)路面的熱容，因此具有更大的熱阻，白天以潛熱形式吸收路表能量，夜晚釋放熱量以降低路表溫度梯度。

4 基于相變材料的調(diào)溫瀝青路面

相變材料具有溫度控制功能，熱能以潛熱方式儲存，保持系統(tǒng)溫度恒定。Chen等[29]提出制備相變材料仿生瀝青混凝土，隨著吸收太陽能，路表溫度上升，達到相變溫度后基本保持不變，相比常規(guī)路面，其路表最高溫度較低(圖4)，繼而保證瀝青路面高溫穩(wěn)定性，對于城市熱島效應(yīng)也可起到緩解作用。

圖4 相變?yōu)r青路面降溫模型[29]Fig.4 Temperature cooling model of asphalt pavement with PCMs[29]

4.1 相變?yōu)r青

研究者將相變材料以剪切的形式直接摻入瀝青，探究相變改性瀝青的熱力學性能，探討相變調(diào)溫路面的可行性。曹長斌[30]與胡曙光[31，32]將不同質(zhì)量比例的聚乙二醇(PEG)摻入熔融基質(zhì)瀝青中，恒溫低速攪拌后制備相變?yōu)r青，相變?yōu)r青的溫度敏感性較基質(zhì)瀝青明顯減小，高溫穩(wěn)定性得到改善，但對延度等低溫性能不利。Bian等[33]將肉豆寇酸和棕櫚酸等相變材料直接摻入瀝青，也發(fā)現(xiàn)相變材料直接摻入對于瀝青的三大指標影響顯著。武漢理工大學萬路[34]研究了不同種類不同摻量的相變材料對瀝青膠漿流變性能的影響，相變材料的加入會降低瀝青的粘度。在相變溫度以前，相變材料的摻量越大，瀝青膠漿的復數(shù)模量也越大；當溫度高于相變溫度時，相變材料的摻量越大，瀝青膠漿的復數(shù)模量越小。摻相變材料的瀝青膠漿車轍因子在達到相變溫度后有小幅度的降低，說明相變材料在發(fā)生相變后會對瀝青的抗車轍性能有所影響。

考慮相變材料的直接摻入對瀝青的影響，包括兩個方面:相變材料本身對瀝青組分的影響以及溫度調(diào)控機制對瀝青流變性能的影響。相變材料(含多種飽和酸和不飽和酸)使瀝青飽和分含量增大，而飽和分含量的增加則會減小瀝青稠度，導致針入度增大、延度降低。軟化點測試中，由于相變材料吸熱后由固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)，內(nèi)部儲存了大量熱能，使瀝青在相同溫度下表現(xiàn)得更加柔軟，故而軟化點有所降低，抗變形能力降低。相變材料與瀝青的直接復合還同時破壞了瀝青的連續(xù)性，低摻量相變材料在低于相變溫度時在瀝青中呈“孤島分布”狀態(tài)[35]。

4.2 相變?yōu)r青混合料與相變路面

相變材料的直接摻入對瀝青性能影響顯著，如何將相變材料合理地摻入瀝青混合料就是研究的重點。定形相變復合材料微觀呈現(xiàn)固—液相變形態(tài)，宏觀上呈現(xiàn)固—固相變，采用封裝技術(shù)防止材料的泄漏，將其以等體積替代礦粉或細集料制備相變?yōu)r青混合料以求達到調(diào)溫效果的同時保證混合料的路用性能。目前瀝青路面用定形相變復合材料制備方法與性能評價列于表1。

表1 瀝青路面用定形相變復合材料制備方法與性能Table 1 Preparation technology and property of form-stable composite PCMs for temperature-adjusting asphalt mixtures

除制備相變改性瀝青和定形復合材料以用于瀝青路面外，萬路[34]制備出水泥瀝青復合式混凝土，該型結(jié)構(gòu)是通過將含相變材料的水泥膠漿以自流平灌注至大空隙瀝青混凝土中，結(jié)果表明其路表溫度與常規(guī)密級配瀝青混凝土相比可降低10℃左右，并保持良好的水穩(wěn)定性和強度。國外也曾將PCMs裝入鋼管后埋設(shè)于路面中，但由于瀝青路面導熱性較低，調(diào)溫效果僅限于局部，無法作用于整個結(jié)構(gòu)層，也未進行路面抗壓強度與耐磨性等路用性能測試[40]。

整體上看，上述研究對相變?yōu)r青路面進行了富有成效的探索，PCMs對于瀝青路面調(diào)溫具有顯著效果，但仍存在較多問題。對于瀝青路面用相變材料的選擇考慮不足，多側(cè)重于相變溫度，較少考慮高溫失效及熱循環(huán)穩(wěn)定性；材料選擇多為單元相變材料，極少采用多元共晶相變材料；對相變?yōu)r青混合料整體路用性能評價不足，并未建立調(diào)溫效果與路面病害衰減的相關(guān)關(guān)系。

4.3 路用PCMs的性能要求與標準

不同于建筑用相變材料的應(yīng)用，調(diào)溫瀝青路面的使用環(huán)境對相變材料的選擇提出了更高的要求和標準，瀝青路面用相變材料應(yīng)具備以下標準:①合適的相變溫度，所選相變材料的相變溫度需與對應(yīng)的瀝青軟化點和夏季路表最高溫度相匹配；②高潛熱值，相變材料的摻入對瀝青路面的路用性能影響顯著，摻入量越高，性能下降越大[34－36，38]，故采用高潛熱值的相變材料可在保證路用性能的前提下最大程度地提高降溫效果；③耐熱性，該條件是限制瀝青路面用相變材料的最主要因素，由于熱拌瀝青混合料要經(jīng)歷高溫拌合，應(yīng)保證選用的相變材料在經(jīng)過高溫拌合后熱失重率較低，且其物熱性能不發(fā)生較大變化；④熱穩(wěn)定性良好，夏季瀝青路面每天的升降溫均會導致相變材料的物態(tài)變化，材料在經(jīng)過重復性的相變后性能衰減應(yīng)較?。虎萘己玫膶嵝?，所選相變材料要有較大的密度、比熱容和導熱系數(shù)(如上式(1))，利于路面結(jié)構(gòu)中降溫、熱量傳遞與存儲。

4.4 材料選擇

根據(jù)上述性能要求，一些相變溫度合適的儲熱材料的物熱性數(shù)據(jù)列于表2[35]。

由表2可以看出PEG類相變材料失重起始溫度較低，但失重速率最大點溫度均大于150℃，并且其質(zhì)量變化率均在5%以下。脂肪酸類相變材料失重起始點雖然較高，均大于200℃，但質(zhì)量變化率均大于70%，說明經(jīng)過一個高溫循環(huán)后，PEG類相變材料質(zhì)量損失較小，而脂肪酸類質(zhì)量損失了大部分[35]。對于石蠟類相變材料，雖然具有合適的相變溫度，但考慮到瀝青中高含蠟量對路面的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性均有不利影響，不宜采用。綜合考慮質(zhì)量損失與路用性能兩個方面，PEG類相變材料更適合用于調(diào)溫瀝青路面。

表2 一些相變溫度合適的儲熱材料的物熱性[35]Table 2 The physicaland thermalproperties of some PCMs with suitable phase change temperature[35]

5 結(jié) 語

國內(nèi)外許多研究已論證了相變儲能材料在建筑行業(yè)的可行性，但基于相變材料的調(diào)溫瀝青路面在以下方面仍有較大研發(fā)空間，進而開發(fā)出成本低廉、性能優(yōu)異的環(huán)境友好型瀝青路面。

(1)瀝青路面的使用環(huán)境限制了相變材料的選擇，除直接采用已有的單元相變材料進行比對篩選外，可基于共晶相變理論探討多元體系相變材料的制備。

(2)基于相變材料的調(diào)溫瀝青混合料在瀝青路面面層結(jié)構(gòu)的布置形式及結(jié)構(gòu)組合方面有待探索。

(3)復合相變材料摻入瀝青混合料的方式有待進一步的實驗論證，采用定形相變材料替代細集料摻入時需要充分考慮替代粒徑、替代量、拌合溫度等，相變調(diào)溫瀝青路面的設(shè)計方法和評價標準也尚待研究。

(4)基于相變材料的調(diào)溫瀝青路面的耐久性、相容性、強度等路用性能等有待進一步驗證。

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(編輯 惠 瓊)

Review on Application and Research in Temperature-Adjusting Asphalt Pavements Based on Phase Change Materials

LIN Feipeng1，JIN Jiao1，2，ZHENG Jianlong1，2，SHI Bin1，HUANG Cunbo1，REN Tianzeng1
(1.School of Traffic and Transportation Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410114，China)
(2.Key Laboratory of Special Environment Road Engineering of Hunan Province，Changsha 410114，China)

Phase change materials(PCMs)has been widely used in industry，construction and other fields due to its unique energy storage performance，and has a good application prospect in road engineering.This paper summarized the application research development of phase change materials in temperature-adjusting asphalt pavements based on domestic and internationalreferences.The basic concepts ofeutectic PCMs and form-stable PCMs were introduced，the temperature-adjusting mechanism of pavements surface temperature model based on PCMs was analyzed，the methods of asphalt mix-tures mixing with PCMs were expounded emphatically，and some existing problems in this research fields were discussed. Then the performance requirements and standards of PCMs suitable for asphalt pavements field were proposed，also the future research direction and the prospective were pointed out.

phase change materials；form-stable composite PCMs；phase change temperature；temperature-adjusting asphalt pavements；pavement performance

U416.217

A

1674－3962(2017)06－0467－06

2017－01－12

湖南省教育廳科學研究項目－優(yōu)秀青年項目(16B007)

林飛鵬，男，1992年生，碩士研究生

金 嬌，女，1988年生，博士，講師，Email: jinjiao＠csust.edu.cn

10.7502/j.issn.1674－3962.2017.06.11