相變材料在調(diào)溫瀝青路面中的研究進(jìn)展

陸美榮（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司， 上海 201108）

隨著我國公路事業(yè)的迅速發(fā)展，瀝青路面以行車舒適、平穩(wěn)和噪聲低等水泥混凝土路面難以替代的優(yōu)點(diǎn)被廣泛運(yùn)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)有公路中瀝青路面約占 85%，已成為我國鋪裝道路中最主要的路面形式。隨著全球氣候變暖，我國夏季炎熱地區(qū)氣溫往往超過 35 ℃ 甚至在 40 ℃ 以上。由于瀝青是一種黑色吸熱的溫度敏感性材料，吸收陽光輻射后表面溫度會超過 60 ℃，導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生車轍、擁包、推擠等熱穩(wěn)性病害，嚴(yán)重影響了瀝青路面的路用性能。

為了緩解瀝青路面的高溫病害，研究人員從提高材料的熱穩(wěn)定性著手，研究了瀝青改性[1-3]、優(yōu)化礦料配比[4]、添加纖維材料等技術(shù)對瀝青膠漿性能的影響。其研究結(jié)果的運(yùn)用對瀝青路面的高溫病害有所緩解，但多年來瀝青路面病害情況仍然嚴(yán)峻。近年來，相變材料（Phase Change Material，PCMs）在道路溫度控制領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸引起了人們的關(guān)注。相變材料在相變過程中可以吸收或釋放大量的熱能，但溫度不變，是一種優(yōu)良的儲能材料。本文對相變材料及定形相變材料進(jìn)行概述，重點(diǎn)闡述了相變材料的摻入對瀝青膠漿及瀝青路面性能影響的研究進(jìn)展，總結(jié)了相變材料在當(dāng)前研究與應(yīng)用中存在的問題，并對未來發(fā)展前景提出展望。

1 相變材料的概述

按相變材料的成分劃分，相變材料可分為無機(jī)類、有機(jī)類和定形相變材料。無機(jī)類相變材料主要包括結(jié)晶水合鹽、熔融鹽和金屬及其合金[5-7]。無機(jī)類中應(yīng)用最為廣泛的結(jié)晶水合鹽，是通過在受熱時將結(jié)晶水脫去，實(shí)現(xiàn)對熱量的吸收儲存，而溫度降低時又會吸收水分，將儲存的熱量釋放出來，其相變溫度范圍較寬（0～130 ℃）。有機(jī)相變材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在相變過程中不會出現(xiàn)過冷現(xiàn)象，且具有良好的耐腐蝕性能[8-9]。常見的有機(jī)類相變材料有石蠟、多元醇類、糖醇類、酯酸類等。

一般情況下，PCMs 直接加入到瀝青混合料中會降低瀝青的抗車轍性能[10]，且會導(dǎo)致 PCMs 在相變過程中泄露，影響瀝青路面的延展性[11]。定形相變材料主要是指通過技術(shù)手段將相變材料以核殼結(jié)構(gòu)、多孔材料為載體的形式進(jìn)行封裝的復(fù)合相變材料[12]。定形相變材料可防止發(fā)生相變時材料的泄露，保持工作物質(zhì)的不流動性和材料的可加工性。目前，復(fù)合相變材料主要有微膠囊相變材料和多孔吸附載體復(fù)合材料。其主要制備方法有多孔吸附法、高分子聚合法、溶膠-凝膠法和微膠囊法等[13-14]。其中，物理吸附法由于制備工藝簡單，制備的復(fù)合相變材料潛熱高、成本低，因此該方法是制備形狀穩(wěn)定相變材料和封裝相變材料最廣泛使用的方法之一。

2 相變材料在調(diào)溫瀝青路面的應(yīng)用研究

2.1 調(diào)溫瀝青路面用相變材料優(yōu)選

與建筑用相變材料相比，調(diào)溫瀝青路面用相變材料應(yīng)具備更嚴(yán)苛的技術(shù)指標(biāo)和要求。① 合適的相變溫度區(qū)間。相變材料的相變溫度區(qū)間應(yīng)與瀝青軟化點(diǎn)以及室外環(huán)境溫度適應(yīng)。② 具有高潛熱值。相變材料能夠在達(dá)到相變溫度時吸收或釋放一部分能量，使得瀝青路面溫度得到改善。③ 熱穩(wěn)定性良好。相變材料應(yīng)具有較大的密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，利于路面結(jié)構(gòu)中降溫、熱量傳遞與存儲[15]。

2.2 相變材料對瀝青膠漿性能的影響

瀝青膠漿在瀝青混合料中占比較小，但其作為膠結(jié)料在瀝青混凝土的路用性能中起著重要的作用。許多科研人員基于此開展了一系列相變材料對瀝青膠漿性能影響的研究工作，如武漢理工大學(xué)萬路[16]關(guān)注相變材料用于瀝青路面降溫，研究了相變材料的種類、摻量對瀝青膠漿性能的影響。其研究結(jié)果表明：摻入相變材料會使瀝青的黏度降低，且隨著摻量的增加，瀝青的黏度越低。在未達(dá)到相變溫度時，隨著相變材料摻量的增加，瀝青膠漿的復(fù)數(shù)模量越大；當(dāng)溫度達(dá)到或高于相變溫度時，隨著相變材料摻量的增加，瀝青膠漿的復(fù)數(shù)模量越小。CHEN M Z 等[17-19]在利用相變材料制備相變?yōu)r青膠漿的同時，研究了相變材料對對瀝青溫度敏感性的影響。研究結(jié)果表明：摻入相變材料能夠提高瀝青溫度敏感性，而改性后的相變材料可改善這一現(xiàn)象；制備得到的月桂酸/有機(jī)改性蒙脫土復(fù)合相變材料能夠使瀝青膠漿變硬，具有溫度滯后效應(yīng)。

2.3 相變材料用于調(diào)溫瀝青路面

道路工作者們嘗試將相變儲熱材料用于公路工程，開發(fā)相變調(diào)溫瀝青路面材料，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)瀝青路面的主動調(diào)溫功能，緩解瀝青路面因高溫導(dǎo)致的路面病害。此類相變材料在瀝青路面中的應(yīng)用研究大部分仍均處于室內(nèi)初期探索階段。

胡曙光等[20]驗(yàn)證了相變材料聚乙二醇（PEG）在瀝青混合料中應(yīng)用的可行性。通過對聚乙二醇改性瀝青和瀝青混合料基本性能的影響研究，發(fā)現(xiàn)隨著聚乙二醇摻量的增加，改性瀝青稠度越大，但延度和軟化點(diǎn)都有所下降，室外試驗(yàn)表明在 39 ℃ 的日照條件下用相變改性瀝青拌和的瀝青混凝土路面路表溫度能夠降低 9 K。

張圓圓等[21]采用原位聚合法制備了以月桂酸-肉豆蔻酸-棕櫚酸-硬脂酸（LA-MA-PA-SA）四元低共熔脂肪酸為芯材，以三聚氰胺改性酚醛樹脂為壁材的復(fù)合相變微膠囊。制備得到的微膠囊表面光滑、粒徑分布均勻、包裹率較高，且芯材和壁材僅以物理嵌合使其具有良好的儲熱性能和熱穩(wěn)定性。

WEI K 等[22]用鎳鈦合金相變儲能顆粒（NiTi APCEP）部分替代瀝青細(xì)集料，制備了鎳鈦合金相變儲能瀝青混合料（NiTi APCHAM）。其研究表明：隨著溫度的升高，鎳鈦 APCHAM 的比熱容會先升高后降低，主要是由于鎳鈦APCEP 的蓄熱作用。隨著取代率的增加，鎳鈦 APCHAM的導(dǎo)熱系數(shù)呈線性增加趨勢。在瀝青混合料中加入 NiTi APCEP 可以降低日最高溫度。在瀝青混合料中增加鎳鈦APCEP 的摻量，有利于提高瀝青混合料的相變蓄熱調(diào)溫能力。其中摻量為 6 % 時，鎳鈦 APCEP 的潛熱溫度調(diào)節(jié)效率達(dá)到最大值。隨著鎳鈦 APCEP 含量的增加，瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定性（馬歇爾試件在規(guī)定的溫度和速度等條件下受壓，測定瀝青混合料的穩(wěn)定度和流值等指標(biāo)，是反映瀝青混合料路用性能重要的評價之一）逐漸增強(qiáng)，低溫彎拉應(yīng)變逐漸減小。相反，鎳鈦 APCEP 的加入對瀝青混合料的水穩(wěn)定性沒有影響。

長安大學(xué)馬骉等[23]認(rèn)為相變材料用于主動調(diào)控瀝青混凝土路面與混合料的使用溫度是可行的，并研究了復(fù)合形狀穩(wěn)定相變材料（CS-PCM）在瀝青路面中的作用。研究結(jié)果表明：CS-PCM 的加入可以改善瀝青路面的低溫抗裂性，但是隨著 CS-PCM 劑量的增加，馬歇爾穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性降低。MA B 等[24]的進(jìn)一步研究表明 CS-PCM 有效地降低了加熱過程中的最高路面溫度，并提高了冷卻過程中的最低路面溫度。摻和未摻 CS-PCM 的試件幾乎同時達(dá)到溫度峰值時，研究結(jié)果表明：添加 CS-PCM 不會影響瀝青的峰值溫度出現(xiàn)的時間。

CHEN M Z等[18]將相變材料添加到瀝青中，研究 PCMs的添加對瀝青路面車轍性能的影響，結(jié)果表明：PCMs 的摻入可以顯著提高瀝青的抗車轍性能。在抗車轍性能測試中發(fā)現(xiàn)，對比基礎(chǔ)瀝青的動態(tài)穩(wěn)定度為 48～52 ℃ 時發(fā)生驟降，而添加 PCMs 的瀝青車轍板在 55～60 ℃ 時發(fā)生驟降，出現(xiàn)驟降的原因是溫度達(dá)到瀝青軟化點(diǎn)以上。因此，研究建議將峰值相變溫度低于瀝青軟化點(diǎn) 3～5 K。

3 結(jié) 語

隨著新能源開發(fā)儲能技術(shù)的快速發(fā)展，節(jié)能儲熱技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。相變材料作為一種儲熱型功能材料，在道路工程應(yīng)用方面具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來，相變材料在瀝青混凝土路面應(yīng)用領(lǐng)域，研究人員就相變儲熱材料的篩選、制備及應(yīng)用等方面開展了一系列的研究工作，并取得了一定的研究成果，但仍然存在諸如相變材料與瀝青的相容性、相變材料用于瀝青路面的耐久性能等問題。試驗(yàn)研究由于試驗(yàn)條件、測試方法及相變材料的選擇相對簡單或單一，與實(shí)際需求還有一定的差距。在復(fù)合相變材料的制備工藝及相變材料的泄露損失、環(huán)境污染等方面，仍然存在較大的技術(shù)困難，需要進(jìn)一步深入研究，以期早日將相變材料廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中。