沙莎??

摘 要：為了緩解城市熱島效應，通過試驗制備定形PEG/SiO2復合相變材料并將其應用于半柔性路面，研究相變材料對半柔性路面路用性能和調溫性能的影響。結果表明，相變材料對半柔性瀝青路面的低溫抗裂性有改善作用，但會降低高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性；當摻量較小時，相變材料對半柔性路面的調溫性能改善較弱，而摻量較大時，對調溫性能的改善效果顯著。

關鍵詞：半柔性路面；相變材料；路用性能；調溫性能

中圖分類號：U414.1 文獻標志碼：B

Study on Preparation and Application of PEG/SiO2 Compound Phase Change Materials for Semi- flexible Pavement

SHA Sha

（School of Civil Engineering， Sanjiang University， Nanjing 210012， Jiangsu， China）

Abstract： In order to alleviate the urban heat island effect， the PEG/SiO2 compound phase change materials were prepared by experiments and applied to semi- flexible pavement. The effect of phase change materials on road performance and temperature control performance of semi- flexible pavement was studied. The results show that the phase change materials improve the anti- cracking performance of semi- flexible asphalt pavement at low temperature， while reducing the high temperature stability and water stability. And the effect of phase change materials on temperature control performance of semi- flexible pavement is related to the mixing amount.

Key words： semi- flexible pavement； phase change material； pavement performance； temperature control performance

0 引 言

隨著中國城市化進程的日益加快，城市熱島效應日趨明顯，對大氣環(huán)境、區(qū)域氣候和生態(tài)以及人體健康都造成了一定的不良影響[1- 2]。而城市里大量鋪筑的瀝青路面進一步加劇了城市的熱島效應[3- 4]。半柔性路面是指以大空隙率（20%～25%）瀝青混合料為基體，通過灌注一定比例的水泥砂漿，最終硬化形成的一種高性能路面[5- 6]。與普通路面相比，半柔性路面不僅具有良好的路用性能，而且是一種低吸熱路面，能在一定程度上能降低路面溫度，改善城市熱島效應[7]。但目前的半柔性路面技術對于降低路面溫度，進而減緩城市熱島效應的效果遠低于預期。因此，開發(fā)新的半柔性路面降溫技術具有十分重要的現(xiàn)實意義。

由于相變材料在溫度升高時將發(fā)生相變而吸收能量，且在相變后能保持溫度恒定，因此將其應用于半柔性路面降低路面和環(huán)境溫度具有廣闊的前景[8]?；诖耍疚耐ㄟ^試驗，得到相變溫度符合半柔性路面服役溫度范圍的相變材料，并研究其對瀝青混合料路用和調溫性能的影響，為緩解城市熱島效應提供新的理論依據(jù)。

1 試驗材料準備

1.1 原材料

制備PEG/SiO2復合相變材料所用的聚乙二醇（PEG）、正硅酸乙酯（TEOS）、無水乙醇（CH3CH2OH）、異辛烷（（CH3）CHCH2（CH3））、氫氧化鈉（NaOH）和濃鹽酸均為天津市津東天正精細化學試劑廠生產。瀝青選用AS70#瀝青，其主要技術指標如表1所示；粗細集料均選用玄武巖碎石，其性質均符合相關要求；混合級配組成和主要參數(shù)分別如表2、3所示；水泥采用普通硅酸鹽水泥，水泥砂漿用細砂為普通河砂，減水劑為聚羧酸系減水劑，水泥砂漿的配合比如表4所示。其中相變材料的加入量以相變材料占水泥的質量百分數(shù)記。

以TEOS為前驅體，PEG為相變材料，乙醇為溶劑，鹽酸為催化劑，利用溶膠- 凝膠法制備復合相變材料[9- 10]。試驗時先稱取一定量的PEG加入適量的乙醇中，并加熱使其溶融；然后加入適量的TEOS并攪拌均勻；之后再加入鹽酸并調節(jié)溶液的PH值到1；最后將復合溶液在室溫條件下攪拌5 h，靜置形成凝膠；最后在80 ℃條件下將凝膠干燥3d得到PEG/SiO2復合相變材料。

2 相變材料分析

2.1 PEG分子量和含量對膠凝時間的影響

測定不同的PEG分子量（1 500、2 000、4 000、6 000和10 000）和含量（30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%）的復合相變材料的膠凝時間，優(yōu)選合適的PEG含量，結果如圖1所示。

圖1 膠凝時間隨PEG含量的變化

從圖1可以看出，隨著PEG含量的增多，相變材料發(fā)生膠凝所需的時間逐漸增加，其中當PEG含量小于70%時，膠凝時間隨PEG含量的變化幅度較??；當PEG含量超過70%時，隨著PEG含量的增多，膠凝時間大幅延長；當PEG含量超過80%時，除PEG1 500/SiO2外，其他復合相變材料均不能發(fā)生膠凝。其原因為，復合相變材料發(fā)生膠凝與TEOS發(fā)生水解反應生成的Si（OH）4的縮合作用有關[11]。當PEG含量小于70%時，隨著PEG含量的增加，TEOS相對含量降低，生成的Si（OH）4濃度降低，不利于縮合形成凝膠，因此膠凝時間逐漸增加；同時，PEG分子鏈嵌入SiO2的三維網(wǎng)絡結構中，并形成互穿網(wǎng)絡結構，從一定程度上阻礙了縮合反應的發(fā)生，而此時Si（OH）4濃度對凝膠的影響遠大于PEG分子鏈對凝膠的影響，因此膠凝時間變化不大。而當PGE含量超過70%時，PGE分子鏈對Si（OH）4縮合反應的阻礙作用增加，難以形成凝膠，因此膠凝時間大幅延長。當PEG含量超過80%時，PGE分子鏈嚴重阻礙了Si（OH）4縮合反應的進行，相變材料已不能發(fā)生膠凝。因此，建議PEG最大含量不應超過80%。

2.2 PEG分子量對相變焓和相變溫度的影響

將相變材料用于半柔性路面中，要求相變材料具有足夠的調溫能力和合適的相變溫度。其中相變材料的調溫能力主要與其相變焓密切相關，相變焓越大表明相變材料的調溫能力越強[12]。選擇PEG含量為80%，測定不同PGE分子量復合相變材料的相變焓和初始相變溫度Ton、相變溫度Tm，試驗結果分別如圖2、3所示。

圖2 相變焓隨PEG分子量的變化

圖3 相變溫度隨PEG分子量的變化

從圖2可以看出，不同PEG分子量的復合相變材料的相變焓位于75.6～116.3 J·g-1之間。隨著PEG分子量的增大，相變焓逐漸增大，當PEG分子量大于4 000時，相變焓趨于穩(wěn)定。這是因為，當PEG分子量小于4 000時，PEG分子鏈的節(jié)數(shù)較少，而端點數(shù)較多，實際參與結晶的鏈節(jié)比例較低，且結晶體中存在較多的缺陷，因此結晶度較低；此時增大PEG分子鏈，能增大參與結晶的PEG鏈節(jié)比例，使結晶度提高，因此相變焓逐漸增大。而當PEG分子量超過4 000時，雖然較大的PEG鏈節(jié)比例能促進結晶的發(fā)生，然而此時PEG長分子鏈之間容易發(fā)生相互纏結，阻礙形成完整的結晶體，從一定程度上削弱了相變焓的進一步增長，因此相變焓趨于穩(wěn)定[13]。

從圖3可以看出，隨著PEG分子量的增大，復合相變材料的初始相變溫度Ton和相變溫度Tm都逐漸增大。這主要是因為隨著PEG分子量的增大，在形成的三維網(wǎng)路結構中，SiO2對PEG分子鏈的約束作用逐漸增大，對結晶的阻礙程度增加，因此相變溫度逐漸提高[14]。對應到半柔性路面中相變材料的相變溫度應在40 ℃～50 ℃之間，因此PEG的分子量不應大于6 000，綜合相變焓和相變溫度考慮，選取PEG的最佳分子量為4 000。

3 相變材料對瀝青混合料路用性能的影響[KH*2]

相變材料的加入會引起半柔性路面混合料材料組成的改變，進而引起瀝青混合料路用性能的變化，相變材料雖然具有良好的調溫能力，但必須在保證路用性能的前提下才能將其應用于半柔性路面。通過試驗測定不同相變材料摻量時混合料的動穩(wěn)定度、彎拉強度、低溫彎曲應變、殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比，研究相變材料摻量對混合料路用性能的影響，結果如表5所示。

從表5可以看出，隨著相變材料摻量的增多，瀝青混合料的動穩(wěn)定度逐漸降低，高溫穩(wěn)定性逐漸變差。彎拉強度隨著相變材料摻量的增多逐漸降低，而低溫彎曲應變隨相變材料摻量的增多逐漸增大。低溫彎曲應變表征了瀝青混合料在低溫下的變形協(xié)調能力，是瀝青混合料低溫抗裂性的最主要評價指標，表明相變材料的加入能明顯改善半柔性路面瀝青混合料的低溫抗裂性，且摻量越大改善效果越好。殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比都隨相變材料摻量的增多呈現(xiàn)減小趨勢，表明相變材料摻量越多，瀝青混合料水穩(wěn)定性越差。在半柔性路面中，相變材料是替代砂漿中的部分水泥而摻入的，相變材料摻量越多，水泥含量越小，混合料整體的強度和剛度越小，因此高溫荷載作用時越容易發(fā)生變形，高溫穩(wěn)定性越差；水泥含量的減少使水泥水化產物數(shù)量減少，對混合料空隙的填充作用減弱，因此混合料水穩(wěn)定性降低[15]；相變材料之所以能起到改善混合料低溫抗裂性的作用，是由于水泥砂漿為脆性材料，隨著相變材料摻量的增多，水泥砂漿中水泥比例減少，砂漿脆性降低，低溫荷載作用時瀝青混合料整體的變形能力增強，因此低溫抗裂性得到改善。即使當相變材料摻量達到最大時，瀝青混合料的各項路用性能指標均能滿足要求。

4 半柔性路面調溫性能

測定半柔性路面溫度隨時間的變化曲線，研究相變材料摻量對半柔性路面調溫性能的影響，試驗結果如圖4所示。

圖4 不同相變材料摻量時半柔性路面的升溫曲線

從圖4可以看出，60 min之前，半柔性路面內部溫度緩慢增長，60 min之后隨著時間的延長路面內部溫度大幅升高。當時間相同時，相變材料摻量越多，路面內部溫度越低，其中相變材料摻量為0和1%時的路面升溫曲線極為接近，表明低摻量的相變材料對半柔性路面的調溫性能改善不顯著。當相變材料摻量大于2%時，相變材料的加入對路面調溫性能的改善效果顯著，吸熱60 min和240 min后，摻加5%相變材料的路面相比未摻加相變材料的路面，其溫度分別降低14. 2 ℃和11. 5 ℃。高溫時，半柔性路面中的相變材料發(fā)生相變，由固相變?yōu)橐合?，吸收并儲存能量，發(fā)揮了潛熱作用，起到了良好的降溫效果。

5 結 語

（1） 隨著PEG摻量的增多，復合相變材料的膠凝時間逐漸延長，其中當PEG摻量超過70%時，膠凝時間急劇增大，直至摻量大于80%后，相變材料已無法發(fā)生膠凝，因此PEG最大含量不應超過80%。

（2） 隨著PEG分子鏈的增大，復合相變材料的相變焓和相變溫度逐漸增大，材料微觀表面裂縫逐漸減少，連續(xù)相逐漸增多，材料粒徑逐漸變??；當PEG分子量大于4 000時，相變焓趨于穩(wěn)定，相變溫度接近甚至超過60 ℃，綜合考慮最佳PEG分子量為4 000。

（3） 隨著相變材料摻量的增多，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性逐漸降低，而低溫抗裂性得到改善，且摻量越多，改善效果越好；綜合來看，即使相變材料摻量為5%時，瀝青混合料的各項路用性能指標也均能滿足要求。

（4） 相變材料能從一定程度上改善半柔性路面的調溫性能，當相變摻量較小時，改善效果不明顯；而當摻量大于2%時，改善效果顯著。摻加5%的相變材料會使半柔性路面在吸熱4 h后的溫度降低11.5 ℃。

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[責任編輯：杜敏浩]