瀝青路面相變儲能材料篩選研究

楊建新，劉林林，盧 健

(蘇交科集團股份有限公司，南京 210019)

近年來，瀝青路面在我國公路建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，瀝青膠結(jié)料屬于黑色吸熱材料，在光照下易吸收、儲存熱量，會使路面溫度超過其正常使用溫度，引發(fā)高溫病害[1-3]。

在此背景下，亟須探索新材料、新技術(shù)以改變?yōu)r青路面溫度場，使瀝青路面溫度處于正常使用溫度范圍。相變儲能材料具有釋放、吸收熱量的潛熱特性，將其應(yīng)用于公路瀝青路面有助于解決上述問題。相變儲能材料種類繁多，有必要根據(jù)瀝青路面使用特點，對相變儲能材料進行性能測試，以優(yōu)選適合瀝青路面的相變儲能材料[4]。

本文選取多種相變儲能材料，采用差示掃描量熱(DSC)試驗、熱重分析(TG)試驗和傅里葉紅外光譜(FT-IR)試驗對其進行性能測試，篩選適合瀝青路面的相變儲能材料，以期為相變儲能材料在瀝青路面的應(yīng)用和推廣提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗方案

1.1 主要設(shè)備和儀器

本試驗采用的主要設(shè)備和儀器包括：Netzsch-STA449C同步熱分析儀，制造商為德國耐馳儀器制造有限公司；PE Spectrum紅外光譜儀，制造商為珀金埃爾默企業(yè)管理(上海)有限公司。

1.2 主要原材料

試驗采用的主要原材料如表1所示。

表1 試驗采用的主要原材料

1.3 性能測試

采用差示掃描量熱試驗測定相變儲能材料的熱性能參數(shù)，試驗升溫速率為2 ℃/min，保護氣和吹掃氣均為高純氮，流量為20 mL/min。

采用熱重分析試驗測定相變儲能材料的熱穩(wěn)定性，試驗升溫速率為10 ℃/min，保護氣和吹掃氣均為高純氮，流量為20 mL/min。

采用傅里葉紅外光譜試驗測定相變儲能材料的化學穩(wěn)定性和化學兼容性。

2 技術(shù)要求

應(yīng)用于瀝青路面的相變儲能材料，需滿足相關(guān)技術(shù)要求[5]。

2.1 相變區(qū)間

我國瀝青路面常用的瀝青膠結(jié)料軟化點為50 ℃～80 ℃，在夏季，瀝青路面溫度可達60 ℃～70 ℃，在冬季，瀝青路面溫度低至-10 ℃。因此，為保證瀝青膠結(jié)料溫度低于軟化點溫度，且保證瀝青路面溫度不低于0 ℃或減少瀝青路面低溫暴露時間，相變儲能材料的相變區(qū)間宜為-50 ℃～-1 ℃，相變起始溫度宜為35 ℃～50 ℃[6-9]。

2.2 相變潛熱

在夏季，瀝青路面高溫作用時間較長，通常至少達到4 h。長時間的高溫或低溫條件下，瀝青路面易出現(xiàn)裂縫；氣溫達到冰點時，瀝青路面易結(jié)霜凝冰，這就需要相變儲能材料的單位體積或者單位質(zhì)量具有較高的相變潛熱，以吸收、儲存和釋放更多的熱量[10]。

2.3 相變循環(huán)穩(wěn)定性

瀝青路面在設(shè)計使用壽命內(nèi)需持續(xù)承受環(huán)境高溫和低溫的循環(huán)作用，這就要求瀝青路面所使用的相變儲能材料可以反復完成相變過程，并且在相變潛熱過程中無熱量損失[11-12]。

2.4 熱穩(wěn)定性

我國絕大多數(shù)瀝青路面采用熱拌瀝青混合料，一般在高溫下進行施工，這就要求相變儲能材料在高溫施工過程中仍能保持原有性質(zhì)，不發(fā)生熱分解等化學反應(yīng)，儲熱性能無損失，即在超過200 ℃的高溫條件下仍保持穩(wěn)定狀態(tài)[13-14]。

2.5 化學兼容性

相變儲能材料的作用是改變?yōu)r青混合料溫度場，因此應(yīng)在瀝青混合料中以穩(wěn)定狀態(tài)存在，不應(yīng)與瀝青混合料中的組分發(fā)生化學反應(yīng)。相變儲能材料不應(yīng)減弱瀝青混合料的路用性能，且應(yīng)與瀝青混合料有良好的化學兼容性。

3 結(jié)果與討論

3.1 熱性能參數(shù)

對無機鹽水合物、有機物等多種相變儲能材料進行DSC試驗，分析相變儲能材料的熱性能參數(shù)[15-16]。相變儲能材料的熱性能參數(shù)如表2所示。

表2 相變儲能材料的熱性能參數(shù)

由表2可知，不同種類和組成結(jié)構(gòu)的相變儲能材料的熔點和相變焓均存在差異。僅從溫度匹配角度判斷，滿足瀝青路面相變儲能材料要求的較多。

3.2 相變循環(huán)穩(wěn)定性

3.2.1 過冷度

對多種相變儲能材料進行DSC測試，研究相變儲能材料的過冷度，相變儲能材料的過冷度如表3所示。

表3 相變儲能材料的過冷度 (℃)

由表3可知，結(jié)晶水合鹽相變儲能材料和有機相變儲能材料的過冷度相差較大，有機相變儲能材料的過冷度較小。如過冷度過大，會導致材料不能及時發(fā)生相變，影響熱量的釋放和利用。因此，應(yīng)選擇過冷度較小的相變儲能材料應(yīng)用于瀝青路面。

3.2.2 相分離現(xiàn)象

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)的結(jié)晶水合鹽都會出現(xiàn)相分離現(xiàn)象，有機相變儲能材料不易發(fā)生相分離[17-18]。

因此，在選擇瀝青路面相變儲能材料時，建議采用過冷度小且無相分離的有機相變儲能材料，不建議采用結(jié)晶水合鹽相變儲能材料。

3.3 熱穩(wěn)定性分析

相變儲能材料熱重曲線如圖1所示。

由圖1可知，52#石蠟和58#石蠟在150 ℃條件下開始失重，但失重程度不明顯；在200 ℃時，52#石蠟和58#石蠟的失重率分別為2.37%和2.85%。月桂酸和硬脂酸在160 ℃左右開始失重，但失重程度不明顯；在200 ℃時，月桂酸的失重率高達33.76%，硬脂酸失重率僅為4.27%。十四醇在170 ℃左右開始失重；在200 ℃時，十四醇的失重率達6.66%。新戊二醇在100 ℃開始失重；在200 ℃時，新戊二醇的失重率為99.9%。PEG2000和PEG4000在80 ℃開始失重，但質(zhì)量損失較小，并且隨著溫度升高，失重率增速變緩；在200 ℃時，PEG2000和PEG4000的失重率分別為2.92%和1.53%。由此可知，脂肪酸、多元醇和脂肪醇均不能承受200 ℃的高溫，石蠟和PEG能夠承受200 ℃的高溫而不分解。

(a)石蠟

綜上所述，相變儲能材料在200 ℃條件下的失重率排序為：新戊二醇>月桂酸>十四醇>硬脂酸>PEG2000>58#石蠟>52#石蠟>PEG4000。新戊二醇、月桂酸、十四醇、硬脂酸在200 ℃時會分解，石蠟會影響瀝青路面的路用性能。因此，瀝青路面相變儲能材料建議選擇能夠承受200 ℃高溫而不分解的PEG。

3.4 化學穩(wěn)定性

選取高溫(200 ℃)和常溫(20 ℃)兩種溫度水平，采用FT-IR試驗測定PEG相變儲能材料的化學穩(wěn)定性，高溫處理時間為1 h。不同溫度條件下PEG2000的紅外光譜如圖2所示。

圖2 不同溫度條件下PEG2000的紅外光譜

與高溫PEG2000相比，常溫PEG2000特征吸收峰的位置未發(fā)生變化，說明PEG2000經(jīng)過200 ℃高溫處理后不會發(fā)生化學變化，化學性質(zhì)較穩(wěn)定。

3.5 化學兼容性

以PEG2000-SBS改性瀝青和SBS改性瀝青的混合物為試驗組，SBS改性瀝青為對照組，對其化學兼容性進行測定，PEG2000-SBS改性瀝青和SBS改性瀝青的紅外光譜如圖3所示。

圖3 PEG2000-SBS改性瀝青和SBS改性瀝青的紅外光譜

由圖3可知，與SBS改性瀝青相比，PEG2000與SBS改性瀝青的混合物紅外光譜中未產(chǎn)生新的特征吸收峰，原有特征吸收峰也未消失。結(jié)果表明，PEG2000與SBS改性瀝青之間未發(fā)生化學反應(yīng)。

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)瀝青混合料的生產(chǎn)、使用特點，提出了相變儲能材料在瀝青路面中的適用條件。

(2) 新戊二醇、月桂酸、十四醇、硬脂酸在200 ℃ 高溫下易分解，PEG在高溫下不易分解，其滿足熱拌瀝青混合料的施工溫度要求。

(3) PEG經(jīng)高溫處理后不發(fā)生化學變化。PEG2000與SBS改性瀝青混合后未發(fā)生化學反應(yīng)，將其應(yīng)用于瀝青中將不會影響自身儲熱性能。

(4) 瀝青路面相變儲能材料建議采用過冷度小、無相分離的PEG有機相變儲能材料，不建議直接采用結(jié)晶水合鹽、石蠟、脂肪酸、脂肪醇、多元醇相變儲能材料。