定形PEG/SiO2相變材料對水泥瀝青混凝土性能的影響研究

張志鵬，韓暉

（1.內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 道路橋梁工程系，內(nèi)蒙古 赤峰 024005：2.交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088）

0 前言

相變材料是指在發(fā)生物相轉(zhuǎn)化過程中，與環(huán)境進(jìn)行能量交換，吸收或釋放相變熱，從而儲存或釋放能量和調(diào)節(jié)環(huán)境溫度的物質(zhì)[1-2]。將相變材料應(yīng)用于路面工程中，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生劇烈變化時利用相變材料的相變進(jìn)行熱能存儲和釋放，能夠減緩路面溫度的變化，預(yù)防路面的破壞，并能實現(xiàn)路面融冰雪等特殊功能[3-6]。同時由于瀝青路面具有良好的吸熱性能，夏季城市道路吸收的高熱量加劇了城市熱島效應(yīng)，為了緩解城市熱島效應(yīng)，道路工作者以大空隙率（20%～25%）瀝青混合料為基體，通過灌注一定比例的水泥砂漿，制備水泥瀝青混凝土[7-8]，并進(jìn)行城市道路的鋪筑，能從一定程度上降低路面溫度，改善城市熱島效應(yīng)[8～12]。然而僅靠水泥瀝青混凝土自身的屬性降低路面溫度，改善城市熱島效應(yīng)的效果有限。

本文利用相變材料的相變屬性，將定形PEG/SiO2相變材料加入到水泥瀝青混凝土中，研究了相變材料摻量對瀝青結(jié)合料和水泥瀝青混凝土路用性能和調(diào)溫性能的影響，對路面降溫和緩解城市熱島效應(yīng)提供理論參考。

1 試驗

1.1 原材料

聚乙二醇（PEG）：工業(yè)級，由廣州市仕賢化工有限公司生產(chǎn)，相變溫度為44.1℃，相變焓185.6 J/g。硅溶膠：河北潤木鑄造材料有限公司生產(chǎn)，SiO2含量為30.1%，粒徑為11.5 nm。瀝青：SK70#瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。粗細(xì)集料：玄武巖碎石，其性質(zhì)均符合相關(guān)要求，瀝青混合料最佳油石比為3.0%，其級配和主要技術(shù)參數(shù)分別如表2和表3所示。水泥：P·O42.5水泥；砂：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。其中相變材料摻量按占水泥質(zhì)量計。?

表1 基質(zhì)瀝青的基本技術(shù)指標(biāo)

表2 瀝青混合料的合成級配

表3 瀝青混合料的物理力學(xué)參數(shù)

表4 水泥砂漿的質(zhì)量配合比

1.2 定形PEG/SiO2相變材料的制備方法

稱取一定質(zhì)量的PEG并分散在硅溶膠中攪拌均勻，待完全溶解后，調(diào)節(jié)溫度使之膠凝化：將膠凝體在80℃烘箱中鼓風(fēng)干燥一定時間后，將所得固體研磨即可得到小顆粒的相變材料。相變材料中PEG含量為50%～80%。

1.3 瀝青膠漿及水泥瀝青混凝土的制備方法

稱取一定質(zhì)量的瀝青并加熱至120～130℃后，將一定質(zhì)量的相變材料緩慢加入瀝青中，并同步攪拌，攪拌器轉(zhuǎn)速由慢至快，待相變材料全部加入后，恒速攪拌0.5 h，使相變材料均勻分散在瀝青中。

按表2的配合比制備大孔隙瀝青混合料試件（相變材料隨礦粉一起加入），待其恒溫后將水泥砂漿逐漸灌入瀝青混合料的孔隙中，并在振動臺上不斷振動，灌注過程必須在0.5 h內(nèi)完成。將灌注好的試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)7 d后脫模。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合定形相變材料的儲熱性能

將定量的定形PEG/SiO2復(fù)合相變材料分別與定量的熔融瀝青和一定水膠比的水泥漿混合，并攪拌均勻，使相變材料在瀝青或水泥漿中均勻分布，其表面被瀝青膜和水泥膜均勻覆蓋。測試2種復(fù)合相變材料的TG-DSC曲線，并計算其相變溫度和相變焓，研究摻有相變材料的瀝青和水泥漿的儲熱性能，結(jié)果如圖1、圖2和表5所示。

圖1 瀝青復(fù)合定形相變材料TG-DSC分析

圖2 水泥復(fù)合定形相變材料TG-DSC分析

表5 復(fù)合定型相變材料熱性能指標(biāo)

從表5可以看出，瀝青和水泥復(fù)合定形相變材料的相變焓均低于純PEG的相變焓。其原因主要為，瀝青、水泥復(fù)合定

形相變材料中，瀝青、水泥和SiO2均不屬于相變物質(zhì)，當(dāng)PEG分布在其中時，PEG結(jié)晶微相區(qū)減小，無法完全相互凝聚形成結(jié)晶；另外PEG發(fā)生相變時SiO2的微孔結(jié)構(gòu)對其體積膨脹產(chǎn)生制約，使晶格無法整齊排列，使PEG的結(jié)晶度降低，相變焓減小。相同條件下，瀝青定形相變材料的相變焓大于水泥復(fù)合定形相變材料，這是因為，水泥水化會產(chǎn)生大量的鈣離子，鈣離子容易與SiO2表面的PEG分子鏈發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)形成絡(luò)合物，降低了PEG的結(jié)晶度，使其相變焓降低。

2.2 相變材料對瀝青流變性能的影響

水泥瀝青混凝土中，瀝青作為主要的粘結(jié)材料，對混凝土的路用性能有重要影響，且瀝青屬于典型的感溫性材料，其性能隨溫度的變化而呈現(xiàn)一定的流變性。為了研究相變材料對瀝青流變性能的影響，將不同摻量的PEG/SiO2復(fù)合相變材料加入熱瀝青中制備瀝青膠漿，瀝青DSR試驗測試不同溫度時瀝青膠漿的相位角δ、復(fù)數(shù)模量G*，并計算溫度高于40℃時的車轍因子G*/sinδ，以車轍因子評價瀝青膠漿的高溫性能，其中車轍因子越大表示高溫性能越好，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 相變材料摻量對瀝青高溫性能的影響

從圖3可以看出，當(dāng)相變材料摻量一定時，隨著溫度的升高相位角先增大后趨于穩(wěn)定，復(fù)數(shù)模量和車轍因子逐漸減小。這是因為隨著溫度的升高，瀝青逐漸軟化，彈性變形逐漸減小，黏性流動逐漸增強，瀝青抵抗荷載的變形能力逐漸減弱，因此相位角逐漸增大，復(fù)數(shù)模量和車轍因子逐漸減小，當(dāng)溫度高于70℃時，瀝青的黏流態(tài)性質(zhì)顯著，再增大溫度其黏度的降低幅度有限，因此相位角、復(fù)數(shù)模量和車轍因子都趨于穩(wěn)定。

相變材料摻量對瀝青膠漿流變性能的影響與溫度有關(guān)，當(dāng)溫度低于40℃時，隨著相變材料摻量的增多，相位角逐漸減小，復(fù)數(shù)模量逐漸增大：這是因為相變材料在瀝青中的相變溫度為43.5℃，當(dāng)溫度低于40℃時，相變材料未發(fā)生相變，在瀝青中以固態(tài)狀存在，對瀝青起到物理改性作用，隨著其摻量的增多，瀝青膠漿的黏度逐漸增大，黏流性質(zhì)逐漸減弱，因此相位角逐漸減小，復(fù)數(shù)模量逐漸增大。當(dāng)溫度在40～50℃時，相位角、復(fù)數(shù)模量和車轍因子隨溫度的變化出現(xiàn)突變，這是因為此溫度段內(nèi)，相變材料發(fā)生相變，由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，相變材料對瀝青高彈態(tài)的貢獻(xiàn)消失，相反增強了瀝青的黏流態(tài)，使瀝青性質(zhì)發(fā)生較快的轉(zhuǎn)變，對應(yīng)的流變學(xué)指標(biāo)出現(xiàn)突變。當(dāng)溫度高于50℃時，隨著相變材料摻量的增多，相位角逐漸增大，復(fù)數(shù)模量和車轍因子逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定，表明高溫時摻入過多的相變材料，會使瀝青的高溫性能降低，路面更容易出現(xiàn)車轍破壞，解釋其原因主要為，當(dāng)溫度高于50℃時，相變材料已完全發(fā)生相變，在瀝青膠漿中以液態(tài)存在，此時隨著相變材料摻量的增多，瀝青稠度逐漸降低，流動性增加，因此高溫性能逐漸減弱。

2.3 相變材料對水泥瀝青混凝土路用性能的影響

路用性能是水泥瀝青混凝土的最主要性能，相變控溫水泥瀝青混凝土不僅要滿足調(diào)溫的要求，更須滿足其基本的路用性能，保證其使用壽命，這樣才能更大限度地發(fā)揮特殊作用。分別利用60℃車轍試驗、-10℃小梁低溫彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，研究相變材料摻量對水泥瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性的影響，試驗結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 相變材料摻量對復(fù)合混凝土高低溫性能的影響

從圖4可以看出，隨著相變材料摻量的增多，水泥瀝青混凝土的動穩(wěn)定度以線性下降，而最大彎拉應(yīng)變逐漸增大，當(dāng)相變材料摻量大于5%時，最大彎拉應(yīng)變的變化幅度減小。表明相變材料的摻入使水泥瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性減弱，而低溫抗裂性得到增強，解釋其原因主要為，車轍試驗的溫度為60℃，此時相變材料已完全發(fā)生相變，由固態(tài)轉(zhuǎn)化成液態(tài)，隨其摻量的增多，對瀝青的黏流態(tài)貢獻(xiàn)越多，對應(yīng)的復(fù)合混凝土在荷載作用下的變形逐漸增大，因此高溫穩(wěn)定性逐漸降低。低溫抗裂性試驗溫度為-10℃，遠(yuǎn)沒有達(dá)到相變材料的相變溫度，此時相變材料在復(fù)合混凝土中以固態(tài)存在，在混凝土內(nèi)部起到物理填充作用，使混凝土內(nèi)部的缺陷減少，低溫彎曲時試件內(nèi)部的薄弱面減少，因此使低溫抗裂性得到改善。

圖5 相變材料摻量對復(fù)合混凝土水穩(wěn)定性的影響

從圖5可以看出，隨著相變材料摻量的增多，殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比均逐漸減小，水泥瀝青混凝土的水泥穩(wěn)定性逐漸變差，其中當(dāng)相變材料摻量大于5%時，再增大其摻量會使水穩(wěn)定性急劇降低。這是因為，水泥瀝青混凝土中水泥遇水水化產(chǎn)生的絮狀產(chǎn)物能很好地填充在混凝土的空隙中增強其密實性，從而改善混凝土的水穩(wěn)定性，而隨相變材料摻量的增多，水泥瀝青混凝土中水泥的相對含量逐漸減少，水化產(chǎn)物對空隙的填充作用逐漸減弱，因此水泥瀝青混凝土穩(wěn)定性逐漸變差。

2.4 相變材料對水泥瀝青混凝土調(diào)溫性能的影響

采用HAD-DRX-RW式導(dǎo)熱系數(shù)儀測試不同相變材料摻量時水泥瀝青混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)和體積比熱容，結(jié)果如圖6所示。并將溫度傳感器埋設(shè)在水泥瀝青混凝土試件內(nèi)部，并用2個功率為300 W的鹵鎢燈照射試件進(jìn)行加熱，測試不同相變材料摻量時試件的升溫曲線，結(jié)果如圖7所示。

圖6 相變材料摻量對復(fù)合混凝土導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容的影響

圖7 不同相變材料摻量時復(fù)合混凝土的升溫曲線

從圖6、圖7可以看出，相變材料的摻入使水泥瀝青混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)明顯增大，體積比熱容急劇減小，且摻量越大，對導(dǎo)熱系數(shù)和體積比熱容的影響越顯著。表明添加相變材料后，復(fù)合混凝土的導(dǎo)熱散熱加快，同時因體積比熱容小而儲存的熱量少，降低了升溫時路面的溫度。相變材料摻量為0和1%的試件，隨著升溫時間的延長溫度逐漸增高，升溫4 h后的溫度達(dá)到50℃。相變材料摻量為3%的試件，前40 min內(nèi)隨時間的延長溫度緩慢上升，之后溫度隨時間延長快速上升，直至達(dá)到相變材料的相變溫度后，試件溫度趨于穩(wěn)定。相變材料摻量為5%和7%的試件，前60 min內(nèi)溫度隨時間延長緩慢上升，之后溫度快速增長直至達(dá)到相變材料的相變溫度后，試件的升溫曲線出現(xiàn)平臺，升溫4 h后試件內(nèi)部的溫度分別為44.5℃和44℃，兩者相差不大，表明當(dāng)相變材料摻量大于5%時，再增加相變材料摻量，對溫度的調(diào)節(jié)效果較弱。摻加相變材料后，試件的升溫曲線出現(xiàn)平臺，是因為當(dāng)溫度達(dá)到相變溫度后，相變材料由固相變?yōu)橐合?，吸收并儲存能量，發(fā)揮潛熱作用，起到了良好的降溫效果。

3 結(jié)論

（1）將PEG/SiO2添加至瀝青和水泥中制得瀝青復(fù)合定形相變材料和水泥復(fù)合定形相變材料的相變焓都低于純PEG的相變焓；相同條件下瀝青復(fù)合定形相變材料的相變焓和相變溫度都高于水泥復(fù)合定形相變材料。

（2）相變材料摻量對瀝青膠漿流變性能的影響與溫度有關(guān)，當(dāng)溫度低于相變溫度時，隨著相變材料摻量的增多，相位角逐漸減小，復(fù)數(shù)模量逐漸增大；當(dāng)溫度達(dá)到相變溫度時，瀝青膠漿的流變性出現(xiàn)突變，隨著相變材料摻量的增多，相位角逐漸增大，復(fù)數(shù)模量和車轍因子逐漸減小，當(dāng)溫度超過70℃時趨于穩(wěn)定。

（3）水泥瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性都隨相變材料摻量的增多逐漸減弱，當(dāng)相變材料摻量為7%時，動穩(wěn)定度依然在8000次/mm以上，但水穩(wěn)定性極低；低溫抗裂性隨著相變材料摻量的增多逐漸增強，當(dāng)相變材料摻量大于5%時，再增大摻量，對低溫抗裂性的改善作用有限，從路用性能角度考慮，相變材料的合適摻量為5%。

（4）隨著相變材料摻量的增多，復(fù)合混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，體積比熱容逐漸減小。相變材料的摻入能明顯降低復(fù)合混凝土內(nèi)部的溫度，當(dāng)溫度達(dá)到相變溫度后，摻有相變材料的試件內(nèi)部溫度隨時間緩慢升高，升溫曲線出現(xiàn)平臺；當(dāng)相變材料摻量超過5%時，再增大相變材料摻量對調(diào)溫性能的影響較弱。