路面用潜热材料的制备与调温性能研究

谭忆秋，边 鑫，单丽岩，曲乐永，吕建福

（1.哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090；2.北京市市政工程设计研究总院，北京 100000）

沥青混凝土路面的高温车辙一直是困扰人们的难题，寻求科学有效的方法解决此问题已成为研究重点.沥青混合料是一种黏弹性材料，影响其力学性能的主要因素有荷载和温度，在外界荷载条件一定的情况下，温度成为引发车辙的主导因素.长期以来，国内外主要从提高沥青及沥青混合料的温度稳定性方面开展研究，提出了沥青改性、添加纤维、优化级配组成等措施[1－2]，来被动应对沥青混凝土路面使用过程中面临的温度环境变化，解决了一定时期、不同区域、不同条件下的一些具体工程技术问题，但是沥青混凝土路面与温度相关的病害仍然十分严重.因此，本文从主动改善沥青混凝土路面温度状况出发，开展了路面用潜热材料的制备与调温性能研究工作，将有机相变材料导入到无机多孔介质材料中制备来复合相变材料，并通过不同掺入途径制备了潜热沥青混合料，利用复合相变材料适宜的相变温度、高相变潜热不断吸收路面的热量，使其表现出良好的自调温效果.

1 潜热沥青混合料的制备

1.1 相变材料选择

相变材料是随温度变化而改变相态并能提供潜热的物质.相变材料分为固－固、固－液、固－气和液－气4大类[3－4].将相变材料应用于沥青混凝土路面，需要其具有明显的自调温效果、良好的耐久性等，因此，所选相变材料应具备以下特点：（1）相变潜热高，在相变过程中单位质量能贮藏或释放较多的热量；（2）相变可逆性好、膨胀收缩性小、过冷或过热现象少；（3）适宜的相变温度，与需要调控物质的特定温度相匹配；（4）导热系数大、密度大、比热容大；（5）无毒、无腐蚀性、成本低、制造方便.

有机类相变储能材料比较常用的有石蜡、烷烃、脂肪酸及盐类、醇类等.按照路面用抗车辙潜热材料的相变温度要求在45～65℃、相变潜热尽量大、导热系数尽量大、相变前后体积变化率尽量小、挥发温度应大于180℃的要求，初步选择棕榈酸、PEG4 000和肉豆蔻酸为试验用相变材料，其热物性参数见表1.

表1 有机相变材料热物性参数Table1 Thermal parameters of organic phase change materials

1.2 复合相变材料的制备及性能分析

1.2.1 相变改性沥青

选用辽河90＃沥青，加热至140℃控温，保持1h，将棕榈酸、PEG 4000和肉豆蔻酸分别加热至100℃，待完全融化为液态后，将沥青分别倒入其中，同时应用高速剪切乳化机剪切30min，使其充分混合，制得相变材料质量分数分别为10%，20%，30%的相变改性沥青.

为了探究有机相变材料的“直接掺入”对沥青3大指标（针入度、软化点和延度）的影响，分别就10%，20%，30%这3个掺量（质量分数）的不同种类相变改性沥青进行了测定，结果如图1～3所示.

由图1～3可知，棕榈酸、PEG 4000和肉豆蔻酸的直接掺入对基质沥青的3大指标均有一定影响，其中对延度影响最大.棕榈酸和肉豆蔻酸掺量为20%，30%时，相变改性沥青延度降低很大.PEG 4000掺量为20%时对基质沥青3大指标影响虽然较小，但是PEG 4000的相变温度为51～54℃，当达到此温度时，其瞬间转变为液态，此时基质沥青为黏稠状，因此二者在温度高于54℃时物理性能不匹配.

1.2.2 硅藻土粉末状复合相变材料

将棕榈酸、PEG 4000和肉豆蔻酸分别加热到100℃，待其充分熔化，同时将硅藻土在马弗炉中加热到200℃，然后将硅藻土分次加入到熔化的棕榈酸、PEG 4000和肉豆蔻酸中，充分搅拌，最后将产物干燥至恒重，粉碎研磨，过0.075mm集料标准方孔筛，即得硅藻土粉末状复合相变材料.

“加热导入”制得的硅藻土粉末状复合相变材料的均匀性及相变调温效果经差示扫描量热仪DSC测定，结果如图4所示.由图4可知，粉末状硅藻土复合相变材料相变潜热随有机相变材料导入量（体积分数，下同）的增加呈线性增长，材料均匀性良好；当棕榈酸的导入量达到临界值60%时，高温条件下棕榈酸恰不泄漏，此时其相变潜热为97.74J／g，相变调温效果较好.

图4 粉末状复合相变材料相变潜热与相变材料导入量的关系Fig.4 Relationship between phase change latent heat and import volume fraction of powder composite phase change materials

1.2.3 陶砂粒状复合相变材料

对3～5mm档陶砂进行人工碾压，筛分得到1.18mm和0.6mm两档，水洗至水澄清，150℃烘2h，使其微细孔全部裸露.将棕榈酸、PEG 4000和肉豆蔻酸分别与上述两档陶砂按质量比3∶7混合，用玻璃棒搅拌5min以混合均匀，放入真空干燥箱抽真空0.09MPa，150℃下保持2h，待相变材料充分导入陶砂后取出，加入体积分数为5%的矿粉并拌和均匀，放入100℃的烘箱中保持0.5h，对陶砂表面微孔进行填充.最后冷却筛分，即得陶砂粒状复合相变材料.“抽真空导入并封装”制备的陶砂粒状复合相变材料的均匀性及相变调温效果经DSC测定后的结果如图5所示.由图5可知，陶砂粒状复合相变材料的相变潜热随有机相变材料导入量的增加呈线性增长，材料均匀性良好；当棕榈酸的导入量达到临界值30%时，高温条件下棕榈酸恰不泄漏，其相变潜热为50.93J／g，相变调温效果较好.

图5 粒状复合相变材料相变潜热与相变材料导入量的关系Fig.5 Relationship between phase change latent heat and import volume fraction of granular composite phase change materials

综上所述，有机相变材料的“直接掺入”使得相变改性沥青的3大指标变化较大，尽管PEG 4000掺量为20%时的相变改性沥青的3大指标变化还可以接受，但相比较而言，将有机相变材料导入粉末状硅藻土和粒状陶砂，其导入模式简单，并且无机多孔材料在一定程度上屏蔽了有机相变材料，减弱了其泄漏对沥青性能的影响，进而减弱了对沥青混合料路用性能的影响，并且从DSC分析结果可以预测其具有较好的相变调温效果.因此，本文选用粉末状硅藻土棕榈酸和粒状陶砂棕榈酸这2种复合相变材料，并将其等体积替代矿粉和细集料掺入沥青混合料中来制备潜热沥青混合料，进一步研究其调温效果.

1.3 潜热沥青混合料的制备

本试验选用上面层常用的AC－16级配，如表2所示.其中1.18，0.6mm档细集料和矿粉被相应粒径陶砂棕榈酸复合相变材料和粉末状硅藻土棕榈酸复合相变材料等体积替代.

表2 AC－16型沥青混合料矿料级配Table2 Gradation of composed aggregate of AC－16asphalt mixture

就多层路面而言，车辙等高温病害一般是中下面层发生变形所致[1].由于上面层直接接受太阳光照射并与空气接触，因此上面层应用潜热沥青混合料可有效保护中下面层，使其保持在潜热沥青混合料相变温度（易出现车辙温度）以下，从而能有效抑制高温车辙.

2 潜热沥青混合料调温效果研究

2.1 太阳光热温控箱的研制

沥青混凝土路面的热能传递方式为传导、对流和辐射.当路面面层结构与大气存在温度差异，在接触面上会发生由传导和对流引起的热交换[5－7].进行潜热材料室内模拟试验，需要自制太阳光热温控箱来模拟沥青路面所受的光热环境.选用100W镝灯，镝灯属于高强度气体放电灯，具有高光效和高显色性，其光谱十分接近太阳光谱[8].将太阳光热温控箱设计成对称分布，同时制作车辙板凹槽，用来保证车辙试件所处的光热环境相同.将太阳光热温控箱设计为功率可调，从而可以有效模拟不同天气情况以及每天不同时间段路面所受的光热情况.采用挤塑苯板制作密封箱体，接缝处用发泡胶粘接，保证数据采集不受外界干扰.装置示意图见图6.

图6 太阳光热温控箱示意图Fig.6 Schematic diagram of solar photo－thermostat

2.2 室内外温度测量方法

车辙试件于室温下放置24h，脱模并放入太阳光热温控箱，下铺20mm厚大地土，周围空隙用大地土填充并捣实，待传感器显示二者温度基本相同时，打开镝灯，测试并记录试件温度随时间变化情况，试验装置见图7（a）.

将沥青混合料车辙试件放置于楼顶，使其直接暴露在阳光下，传感器使用和处理情况同室内，测试并记录试件温度变化情况，试验装置见图7（b）.

图7 室内外温度采集装置Fig.7 Indoor and outdoor temperature acquisition

2.3 室内调温效果评价

对掺5%（质量分数）有机相变材料的潜热沥青混合料进行室内试验，结果如图8所示.

图8 室内调温效果试验结果Fig.8 Results of indoor temperature－controlling experiment

由图8（a）可以看出，随着时间的延长，基质沥青混合料车辙试件和潜热沥青混合料车辙试件的温度都在升高，并且前者的温度始终高于后者；由图8（b）可以看出，随着时间的延长，两车辙试件的温差不断增大，第460min时潜热沥青混合料车辙试件整体相变温度达到59.1℃，此时二者温差达到最大值7.6℃，这说明此时潜热沥青混合料车辙试件中的复合相变材料已经完全相变，其充分吸收热量并达到了饱和状态。此后二者温差逐渐减小；由图8（c）可知，潜热沥青混合料车辙试件的温升速率明显小于基质沥青混合料车辙试件，待其整体温度达到相变温度之后，潜热沥青混合料车辙试件的温升速率瞬间突变，大于基质沥青混合料车辙试件，此后二者逐渐接近，最后趋于相等.这是由于潜热沥青混合料车辙试件从表面至中心的复合相变材料是依次达到相变温度的，而每达到此温度，对应的复合相变材料都会瞬间吸收大量热量，抑制了温升，宏观表现为潜热沥青混合料车辙试件的温升速率明显小于基质沥青混合料；当潜热沥青混合料车辙试件中的复合相变材料全部相变时，由于潜热沥青混合料车辙试件整体温度与气温相差较大，故瞬时表现为其温升速率大于基质沥青混合料车辙试件，而后随着潜热沥青混合料同空气温差与基质沥青混合料同空气温差的减小，二者温升速率逐渐接近，最后趋于相等.

2.4 室外调温效果评价

对掺5%（质量分数）有机相变材料的潜热沥青混合料进行室外试验，结果见图9.由图9（a）可以看出，随着时间的延长，基质沥青混合料车辙试件和潜热沥青混合料车辙试件的温度都是先升后降，且前者的温度始终高于后者，但曲线波动较大，这主要是由于风速、太阳辐射强度的不断变化引起的；由图9（b）可以看出，随着时间的延长，基质沥青混合料车辙试件和潜热沥青混合料车辙试件的温差不断增大，第160min时二者温差达到最大值3.4℃，延缓温升效果不理想.这主要是由于潜热沥青混合料没有达到整体相变温度（根据室内试验为58.5～60.5℃），车辙试件内部大部分复合相变材料的相变吸热潜能尚未得到有效发挥，因此延缓温升效果不明显.

图9 室外调温效果试验结果Fig.9 Results of outdoor temperature－controlling experiment

3 结论

（1）有机相变材料的“直接掺入”，对相变改性沥青混合料的3大指标影响较大.

（2）利用“加热导入法”及“抽真空导入封装法”分别将有机相变材料导入无机多孔介质材料，制备出粉末状和粒状复合相变材料，这两种掺入方法由于无机材料的屏蔽作用，减弱了对混合料性能影响，并且掺入量大，较“直接掺入法”调温效果明显.

（3）室内模拟试验结果表明，当有机相变材料掺量为5%（质量分数）时，潜热沥青混合料与基质沥青混合料的最大温差为7.6℃，此时对应的整体相变温度为59.1℃，表现出优异的延缓温升效果.

（4）室外试验结果表明，当有机相变材料掺量为5%（质量分数）时，潜热沥青混合料与基质沥青混合料的最大温差为3.4℃.

强度更高和孔隙率更大骨料的开发和有机相变材料的导入和封装工艺是笔者进一步要解决的问题；复合相变材料长期的稳定性也是需要考虑的问题之一；同时，有机相变材料的掺入对潜热沥青混合料路用性能的影响以及为减小影响而需要提高的技术手段都是今后需要解决的问题.

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