相變?yōu)r青混合料的研究及應(yīng)用進展

(長安大學(xué)公路學(xué)院 陜西 西安 710064)

相變?yōu)r青混合料的研究及應(yīng)用進展

王瑞

(長安大學(xué)公路學(xué)院陜西西安710064)

相變材料應(yīng)用于瀝青混合料，能夠主動調(diào)控瀝青路面溫度，從而大幅度減弱外界環(huán)境溫度對瀝青路面的不利影響。本文對常見道路相變材料及其制備方法進行介紹，對相變材料在瀝青混合料中的具體應(yīng)用進行了闡述，并提出了未來的研究重點。

相變材料；瀝青混合料；道路工程

一、引言

相變材料(Phase Change Materials)，簡稱PCM，指隨溫度變化而改變物理狀態(tài)并提供相變潛熱的物質(zhì)。相變材料在相變過程中能夠以潛熱的形式將熱量儲存或釋放，因而具有儲熱和調(diào)溫的性能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航天、服裝、建筑等領(lǐng)域[1]。

瀝青路面以其行車舒適、施工期短等優(yōu)點成為我國應(yīng)用最為廣泛的高等級路面結(jié)構(gòu)，但瀝青路面受環(huán)境溫度的影響較大，在高溫環(huán)境下易形成車轍、推移、擁包等病害，在低溫環(huán)境下易產(chǎn)生低溫裂縫等病害，從而極大程度上影響了瀝青路面的使用性能和服務(wù)水平[2]。近些年國內(nèi)外一些學(xué)者借鑒相變材料在其他領(lǐng)域的成功經(jīng)驗，將其應(yīng)用到瀝青混合料中，利用相變材料在升溫過程中貯存熱能,降溫過程中釋放熱能的性能,主動調(diào)控瀝青路面溫度，以期從根本上解決外界環(huán)境溫度對路面的影響[2]。因此相變材料在道路工程領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。

本文總結(jié)了常用道路相變材料、制備方法及應(yīng)用要求，并概述了相變材料在瀝青混合料中的研究進展，最后闡述了相變?yōu)r青混合料中的應(yīng)用前景及研究方向。

二、道路相變材料的技術(shù)要求

在物理性質(zhì)方面：1.良好的導(dǎo)熱性能；2.優(yōu)良的儲熱能力；3.相變過程中不存在過冷和降解現(xiàn)象；4.適宜的相變溫度；5.蒸汽壓低且體積變化小。

在化學(xué)性質(zhì)方面：1.優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性；2.與瀝青的相容性好；3.安全環(huán)保。

在施工方面：1.材料成本低且易獲取；2.生產(chǎn)工藝簡單，適宜于施工現(xiàn)場大規(guī)模生產(chǎn)。

三、常用道路相變材料

根據(jù)相變材料的組成成分，相變材料一般可分為有機相變材料、無機相變材料和混合相變材料3種。目前我國道路工程中應(yīng)用最廣的相變材料主要有三類[3]：

1.聚乙二醇類，聚乙二醇類材料具有合適的相變溫度，較好的導(dǎo)熱系數(shù)，熱穩(wěn)定性較好；2.烷烴類，烷烴類相變材料具有儲熱能力大，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，相變范圍穩(wěn)定，過冷度小，無腐蝕等優(yōu)點，滿足道路用相變材料的技術(shù)要求；3.石蠟類，價格低廉、材料易得，除了固-液相變還存在固-固相變，儲熱能力大，是最常用的一種相變材料，但對瀝青影響較大，故只適用于微膠囊技術(shù)。

四、相變?yōu)r青混合料的研究進展

根據(jù)瀝青混合料的特性,相變材料在瀝青混合料的應(yīng)用主要為以下兩方面:①相變材料作為改性劑；②相變材料替代部分細集料。

(一)相變材料作為改性劑

胡曙光等驗證了聚乙二醇(PEG)應(yīng)用于瀝青混合料的可行性，PEG被作為改性劑加入基質(zhì)瀝青，對瀝青和瀝青混合料的基本性能及溫度敏感性進行測定，結(jié)果表明隨聚乙二醇的摻入量增加，改性瀝青高溫穩(wěn)定性得到較大改善，但延度等低溫性能明顯降低[4]。萬路對相變材料對瀝青流變性能的影響進行了研究，采用“直接摻入”的方式制備相變改性瀝青，通過DSR測定流變性能，表明改性相變?yōu)r青不同相變材料均會對瀝青的抗車轍性產(chǎn)生不利影響，摻量越多，影響越大[5]。

(二)相變材料替代部分細集料

譚憶秋等選擇棕櫚酸、PEG4000和肉豆蔻為復(fù)合相變材料，分別采用“直接摻入”、“加熱導(dǎo)入”、“真空吸附”三種方法制備成相變改性瀝青、硅藻土粉末狀和陶砂粒狀復(fù)合相變材料，通過太陽光熱溫控箱來進行模擬外界環(huán)境試驗，結(jié)果表明“直接摻入”法對瀝青三大指標影響較大，“加熱導(dǎo)入”和“真空吸附”兩種方法對瀝青混合料性能影響較小且調(diào)溫效果更明顯，相變材料摻量為5%(質(zhì)量分數(shù))時的延緩溫升效果最明顯[6]。瑞典X.Cocu等進行了有關(guān)相變材料抑制瀝青路面結(jié)冰的效果分析，將相變材料與Si02復(fù)合以替代部分集料，制備成大孔隙率(空隙率大于20%)瀝青混凝土，結(jié)果顯示：該相變?yōu)r青混凝土結(jié)冰效果較好，但相變材料易于泄露以致對瀝青混凝土的性能產(chǎn)生較大影響，但為保證瀝青混凝土的基本性能，相變材料的摻入量控制在較低范圍，以致除冰雪效果欠佳[7]。暢玉皎根據(jù)不同溫度對路面的不同影響，提出了相變材料高溫序列調(diào)溫范圍為35℃～50℃，低溫序列為-5℃～5℃，并依據(jù)已有的相變微膠囊制備方法,通過室內(nèi)試驗，采用熱力學(xué)分析和數(shù)學(xué)分析的方法，得出各調(diào)溫序列在不同材料及不同比例的相變材料下的變化規(guī)律[8]。劉豐瑋根據(jù)摻加相變微膠囊的瀝青混合料建立了室外立方體模型并對模型溫度分布情況進行測試，提出了潛熱積溫值和潛熱調(diào)溫指數(shù)作為相變微膠囊調(diào)溫效果的評價指標[9]。

五、結(jié)語

相變?yōu)r青混合料作為道路工程領(lǐng)域中的一種新型材料，通過其儲能調(diào)溫機理能夠主動調(diào)控路面溫度，從而改善外界環(huán)境溫度對于道路的不利影響，具有良好的應(yīng)用前景。但相變?yōu)r青混合料應(yīng)用于實際工程中仍存在不少難點，因此以后的研究重點主要在以下幾方面：(1)對復(fù)合相變材料的制備工藝進行研究。防止相變材料泄漏及揮發(fā)，保證相變材料在瀝青混合料生產(chǎn)施工中的穩(wěn)定性；優(yōu)化工藝、降低成本，保證相變?yōu)r青混合料能夠大規(guī)模生產(chǎn)。(2)對相變?yōu)r青混合料的路用性能進行研究，分析相變材料在提升瀝青混合料溫度穩(wěn)定性的同時，對力學(xué)性能、耐久性等性能的影響。(3)對摻有相變材料的瀝青路面的施工工藝進行研究，從相變材料的制備方式、混合料的配合比設(shè)計及拌合、攤鋪碾壓、施工質(zhì)量控制等方面展開研究。(4)對相變材料解決路面低溫問題進行研究，分析相變材料應(yīng)用于自融雪路面，熱熔雪路面的可行性。

[1]徐祖耀，材料相變[M].北京：高等教育出版社，2013:1-2

[2]沈金安,瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社,2000:270-275

[3]馬骉，王曉曼，李超，等.相變材料在瀝青混凝土路面中的應(yīng)用前景分析[J].公路.2009,12:115-118

[4]胡曙光，李潛，黃紹龍，等.相變材料聚乙二醇應(yīng)用于瀝青混合料可行性的研究[J].公路.2009(7):291-295

[5]萬路.相變控溫瀝青混凝上的制備與性能研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2012

[6]譚憶秋，邊鑫，單麗巖，等.路面潛熱材料的制備與調(diào)溫性能研究[J].建筑材料學(xué)報，2013,16(2):354-359

[7]Cocu X,Nicaise D,Rachidi S.The Use of Phase Change Materials to Delay Pavement Freezing[J].Transport Research Arena,Brussels,2010

[8]暢玉皎.公路用微膠囊型相變調(diào)溫劑序列與中試研究[D].西安:長安大學(xué)，2013

[9]劉豐瑋.微膠囊相變調(diào)溫劑調(diào)溫指標與效果評價研究[D].西安:長安大學(xué)，2014

王瑞(1992-)，男，長安大學(xué)公路學(xué)院碩士研究生，道路與鐵道工程專業(yè)。