譚棟杰,劉榮華

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海 200092)

0 引言

瀝青路面因?yàn)樾熊?chē)舒適性好、經(jīng)濟(jì)性高、施工簡(jiǎn)單,維修成本低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用到高速公路中。但瀝青是一種典型的溫度敏感性材料,在夏季高溫氣候下,瀝青路面會(huì)吸收大量的熱量而引起路面溫度迅速上升,進(jìn)而影響瀝青路面的技術(shù)性能,在車(chē)輛荷載的作用下,造成瀝青路面出現(xiàn)車(chē)轍、泛油、麻面及坑槽等病害,這不僅會(huì)對(duì)交通造成嚴(yán)重的影響,也增大了瀝青路面的后期養(yǎng)護(hù)成本,因此有必要尋找一種能夠解決瀝青路面在夏季高溫氣候條件下而引起病害的方法。

1 相變材料

潛熱儲(chǔ)能技術(shù)是近些年來(lái)在節(jié)能領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一種熱能儲(chǔ)存方式,而相變材料(Phase Change Materials, PCMs)是最有效的蓄能密度高的潛熱儲(chǔ)能材料,能在幾乎等溫條件下實(shí)現(xiàn)緊湊的儲(chǔ)能功能,蓄熱和放熱之間的溫差小[1]。它是基于材料在相變過(guò)程中,材料自身吸收或釋放熱量而保持自身溫度不變,從而改變環(huán)境溫度或者儲(chǔ)存能量。相變材料從宏觀上可分為固-液類(lèi)、固-氣類(lèi)、氣-液等幾種類(lèi)型,其中固-液類(lèi)相變材料因其儲(chǔ)能密度高、過(guò)冷度小、體積變化下,導(dǎo)熱率高等特點(diǎn)而被廣泛采用。在常用的固-液類(lèi)相變材料中,有機(jī)類(lèi)材料,如聚乙二醇、脂肪酸、石蠟等相變材料因環(huán)保、價(jià)格低廉、相變溫度可調(diào)節(jié)、穩(wěn)定性良好等特點(diǎn)而受到建筑與公路節(jié)能領(lǐng)域的關(guān)注。

2 復(fù)合相變材料

雖然有機(jī)類(lèi)相變材料具有諸多優(yōu)點(diǎn),但在使用的過(guò)程中卻存在一個(gè)不可避免的難題,即在相變過(guò)程中,材料會(huì)從常溫下的固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃?dòng)液態(tài),不僅會(huì)造成相變材料的泄露,也會(huì)破壞周?chē)h(huán)境,這無(wú)疑不利于其進(jìn)一步應(yīng)用。因此,眾多學(xué)者針對(duì)有機(jī)類(lèi)相變材料這一缺點(diǎn)做出了大量的研究工作。目前最為普遍的方法就是借助核-殼結(jié)構(gòu)的原理,將有機(jī)相變材料通過(guò)特定的方法將其封裝到定形載體的結(jié)構(gòu)中,常用的定形載體材料有多孔二氧化硅、膨脹石墨、納米硅藻土、石墨烯氣凝膠等。這些載體大多具有豐富的三維多孔結(jié)構(gòu),可在分子間作用力、范德華力、氫鍵等形式的作用力下,將相變材料牢牢地吸附在其孔狀結(jié)構(gòu)中,使其在相變過(guò)程中,宏觀上不會(huì)產(chǎn)生泄露,進(jìn)而起到定形效果。

3 相變材料在瀝青工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

近些年,為解決瀝青路面的高溫病害問(wèn)題,一些公路研究人員進(jìn)行了相關(guān)研究,將復(fù)合定形相變材料通過(guò)物理共混法添加至瀝青或者瀝青混合料中,探究其對(duì)瀝青路面溫度的影響。用相變材料建成的瀝青路面,憑借其吸熱儲(chǔ)能的特點(diǎn),可延緩或阻礙路面溫度的溫度峰值,避免其在高溫條件下溫度過(guò)高,從而避免其產(chǎn)生溫度病害。

何麗紅等人[2]對(duì)相變材料在瀝青工程中的應(yīng)用做出了深入的探究。通過(guò)一系列篩選條件與應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn),優(yōu)選出相變儲(chǔ)能密度高、價(jià)格低廉及相變溫度適宜的有機(jī)類(lèi)固-液相變材料PEG2000,并將其與硅溶膠復(fù)合制備出復(fù)合定形相變材料PEG/SiO2。DSC、TG及FT-IR等試驗(yàn)表明,PEG/SiO2的相變焓達(dá)到118J/g,相變溫度介于42.8～60.1℃范圍內(nèi),并且該種新型復(fù)合相變材料的熱穩(wěn)定性良好,能保持在200℃的溫度范圍內(nèi)不分解,即保證了其在熱拌瀝青混合料中應(yīng)用的可行性。最后將PEG/SiO2摻入到瀝青混合料中,通過(guò)室外與室內(nèi)溫度模擬試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)相變材料能夠在瀝青混合料中發(fā)揮儲(chǔ)熱降溫的作用,當(dāng)PEG/SiO2的摻量為5%時(shí),瀝青混合料的試件溫度下降高達(dá)5.8°C；馬骉等人[3]對(duì)有機(jī)固液PCMs與瀝青混合料的混合進(jìn)行了大量研究,根據(jù)他們的研究成果,有機(jī)類(lèi)相變材料雖然對(duì)于降低瀝青路面的溫度有著良好的效果,但是卻會(huì)對(duì)瀝青路面的路用技術(shù)性能造成一定程度的不利影響。研究結(jié)果還表明,在瀝青混合料的拌合過(guò)程中,有機(jī)類(lèi)PCMs能夠軟化瀝青粘結(jié)劑,盡管二氧化硅作為定形支撐材料可在一定程度上防止PCMs的溶解,但是當(dāng)瀝青混合料的拌合溫度超過(guò)140℃時(shí),固態(tài)的PCMs在吸收過(guò)多的熱量后會(huì)變軟,并且部分還會(huì)從二氧化硅的多孔結(jié)構(gòu)中滲漏出來(lái),這種現(xiàn)象對(duì)瀝青混合料的儲(chǔ)熱能力有較大影響,并且還會(huì)削弱瀝青路面的使用性能。汪莎莎等人[4]采用物理吸附法,制備出一種相變焓約為81J/g的新型復(fù)合相變材料,再將其作為一種改性劑摻加至瀝青混合料中,試驗(yàn)結(jié)果表明,相變?yōu)r青混合料在相同升溫條件下的升溫速率有所降低,能夠起到儲(chǔ)熱降溫的作用,但與此同時(shí),瀝青混合料的高溫抗車(chē)轍性能、低溫抗開(kāi)裂性能以及抗水損害性能均出現(xiàn)不同程度的下降。

4 相變材料在瀝青工程中的應(yīng)用展望

總上所述,利用相變材料蓄能儲(chǔ)熱的特性可將其應(yīng)用到瀝青混合料中,達(dá)到調(diào)溫儲(chǔ)熱的作用,可有效改善夏季高溫氣候下瀝青路面因高溫而產(chǎn)生的病害問(wèn)題及緩解城市熱島效應(yīng)。但若將其直接應(yīng)用到瀝青工程中,必須解決其相變過(guò)程中易泄露的問(wèn)題,而當(dāng)前的方法雖然可以在一定程度上封裝PCM,但是在瀝青熱拌合的過(guò)程中,因溫度過(guò)高,相變材料往往會(huì)吸收過(guò)多的熱量而出現(xiàn)泄露。但瀝青路面在長(zhǎng)期服役的過(guò)程中,往往要經(jīng)受行車(chē)荷載反復(fù)作用、冰雨雪天氣等惡劣條件,因而這對(duì)復(fù)合相變材料的應(yīng)用環(huán)境無(wú)疑提出更大的挑戰(zhàn)。若是將相變材料的摻量提高,雖然有利于調(diào)節(jié)瀝青混合料的溫度變化,但卻對(duì)瀝青混合料的路用性能會(huì)造成不利影響；若是將相變材料的摻量控制在較低的范圍,其蓄熱控溫的功能又會(huì)大打折扣,這無(wú)疑是眾多瀝青公路研究者不得不考慮的問(wèn)題。