(長安大學(xué)公路學(xué)院 陜西 西安 710064)

相變?yōu)r青混合料的研究及應(yīng)用進(jìn)展

王瑞

(長安大學(xué)公路學(xué)院陜西西安710064)

相變材料應(yīng)用于瀝青混合料，能夠主動(dòng)調(diào)控瀝青路面溫度，從而大幅度減弱外界環(huán)境溫度對(duì)瀝青路面的不利影響。本文對(duì)常見道路相變材料及其制備方法進(jìn)行介紹，對(duì)相變材料在瀝青混合料中的具體應(yīng)用進(jìn)行了闡述，并提出了未來的研究重點(diǎn)。

相變材料；瀝青混合料；道路工程

一、引言

相變材料(Phase Change Materials)，簡稱PCM，指隨溫度變化而改變物理狀態(tài)并提供相變潛熱的物質(zhì)。相變材料在相變過程中能夠以潛熱的形式將熱量儲(chǔ)存或釋放，因而具有儲(chǔ)熱和調(diào)溫的性能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航天、服裝、建筑等領(lǐng)域[1]。

瀝青路面以其行車舒適、施工期短等優(yōu)點(diǎn)成為我國應(yīng)用最為廣泛的高等級(jí)路面結(jié)構(gòu)，但瀝青路面受環(huán)境溫度的影響較大，在高溫環(huán)境下易形成車轍、推移、擁包等病害，在低溫環(huán)境下易產(chǎn)生低溫裂縫等病害，從而極大程度上影響了瀝青路面的使用性能和服務(wù)水平[2]。近些年國內(nèi)外一些學(xué)者借鑒相變材料在其他領(lǐng)域的成功經(jīng)驗(yàn)，將其應(yīng)用到瀝青混合料中，利用相變材料在升溫過程中貯存熱能,降溫過程中釋放熱能的性能,主動(dòng)調(diào)控瀝青路面溫度，以期從根本上解決外界環(huán)境溫度對(duì)路面的影響[2]。因此相變材料在道路工程領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。

本文總結(jié)了常用道路相變材料、制備方法及應(yīng)用要求，并概述了相變材料在瀝青混合料中的研究進(jìn)展，最后闡述了相變?yōu)r青混合料中的應(yīng)用前景及研究方向。

二、道路相變材料的技術(shù)要求

在物理性質(zhì)方面：1.良好的導(dǎo)熱性能；2.優(yōu)良的儲(chǔ)熱能力；3.相變過程中不存在過冷和降解現(xiàn)象；4.適宜的相變溫度；5.蒸汽壓低且體積變化小。

在化學(xué)性質(zhì)方面：1.優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性；2.與瀝青的相容性好；3.安全環(huán)保。

在施工方面：1.材料成本低且易獲?。?.生產(chǎn)工藝簡單，適宜于施工現(xiàn)場大規(guī)模生產(chǎn)。

三、常用道路相變材料

根據(jù)相變材料的組成成分，相變材料一般可分為有機(jī)相變材料、無機(jī)相變材料和混合相變材料3種。目前我國道路工程中應(yīng)用最廣的相變材料主要有三類[3]：

1.聚乙二醇類，聚乙二醇類材料具有合適的相變溫度，較好的導(dǎo)熱系數(shù)，熱穩(wěn)定性較好；2.烷烴類，烷烴類相變材料具有儲(chǔ)熱能力大，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，相變范圍穩(wěn)定，過冷度小，無腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，滿足道路用相變材料的技術(shù)要求；3.石蠟類，價(jià)格低廉、材料易得，除了固-液相變還存在固-固相變，儲(chǔ)熱能力大，是最常用的一種相變材料，但對(duì)瀝青影響較大，故只適用于微膠囊技術(shù)。

四、相變?yōu)r青混合料的研究進(jìn)展

根據(jù)瀝青混合料的特性,相變材料在瀝青混合料的應(yīng)用主要為以下兩方面:①相變材料作為改性劑；②相變材料替代部分細(xì)集料。

(一)相變材料作為改性劑

胡曙光等驗(yàn)證了聚乙二醇(PEG)應(yīng)用于瀝青混合料的可行性，PEG被作為改性劑加入基質(zhì)瀝青，對(duì)瀝青和瀝青混合料的基本性能及溫度敏感性進(jìn)行測定，結(jié)果表明隨聚乙二醇的摻入量增加，改性瀝青高溫穩(wěn)定性得到較大改善，但延度等低溫性能明顯降低[4]。萬路對(duì)相變材料對(duì)瀝青流變性能的影響進(jìn)行了研究，采用“直接摻入”的方式制備相變改性瀝青，通過DSR測定流變性能，表明改性相變?yōu)r青不同相變材料均會(huì)對(duì)瀝青的抗車轍性產(chǎn)生不利影響，摻量越多，影響越大[5]。

(二)相變材料替代部分細(xì)集料

譚憶秋等選擇棕櫚酸、PEG4000和肉豆蔻為復(fù)合相變材料，分別采用“直接摻入”、“加熱導(dǎo)入”、“真空吸附”三種方法制備成相變改性瀝青、硅藻土粉末狀和陶砂粒狀復(fù)合相變材料，通過太陽光熱溫控箱來進(jìn)行模擬外界環(huán)境試驗(yàn)，結(jié)果表明“直接摻入”法對(duì)瀝青三大指標(biāo)影響較大，“加熱導(dǎo)入”和“真空吸附”兩種方法對(duì)瀝青混合料性能影響較小且調(diào)溫效果更明顯，相變材料摻量為5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)的延緩溫升效果最明顯[6]。瑞典X.Cocu等進(jìn)行了有關(guān)相變材料抑制瀝青路面結(jié)冰的效果分析，將相變材料與Si02復(fù)合以替代部分集料，制備成大孔隙率(空隙率大于20%)瀝青混凝土，結(jié)果顯示：該相變?yōu)r青混凝土結(jié)冰效果較好，但相變材料易于泄露以致對(duì)瀝青混凝土的性能產(chǎn)生較大影響，但為保證瀝青混凝土的基本性能，相變材料的摻入量控制在較低范圍，以致除冰雪效果欠佳[7]。暢玉皎根據(jù)不同溫度對(duì)路面的不同影響，提出了相變材料高溫序列調(diào)溫范圍為35℃～50℃，低溫序列為-5℃～5℃，并依據(jù)已有的相變微膠囊制備方法,通過室內(nèi)試驗(yàn)，采用熱力學(xué)分析和數(shù)學(xué)分析的方法，得出各調(diào)溫序列在不同材料及不同比例的相變材料下的變化規(guī)律[8]。劉豐瑋根據(jù)摻加相變微膠囊的瀝青混合料建立了室外立方體模型并對(duì)模型溫度分布情況進(jìn)行測試，提出了潛熱積溫值和潛熱調(diào)溫指數(shù)作為相變微膠囊調(diào)溫效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)[9]。

五、結(jié)語

相變?yōu)r青混合料作為道路工程領(lǐng)域中的一種新型材料，通過其儲(chǔ)能調(diào)溫機(jī)理能夠主動(dòng)調(diào)控路面溫度，從而改善外界環(huán)境溫度對(duì)于道路的不利影響，具有良好的應(yīng)用前景。但相變?yōu)r青混合料應(yīng)用于實(shí)際工程中仍存在不少難點(diǎn)，因此以后的研究重點(diǎn)主要在以下幾方面：(1)對(duì)復(fù)合相變材料的制備工藝進(jìn)行研究。防止相變材料泄漏及揮發(fā)，保證相變材料在瀝青混合料生產(chǎn)施工中的穩(wěn)定性；優(yōu)化工藝、降低成本，保證相變?yōu)r青混合料能夠大規(guī)模生產(chǎn)。(2)對(duì)相變?yōu)r青混合料的路用性能進(jìn)行研究，分析相變材料在提升瀝青混合料溫度穩(wěn)定性的同時(shí)，對(duì)力學(xué)性能、耐久性等性能的影響。(3)對(duì)摻有相變材料的瀝青路面的施工工藝進(jìn)行研究，從相變材料的制備方式、混合料的配合比設(shè)計(jì)及拌合、攤鋪碾壓、施工質(zhì)量控制等方面展開研究。(4)對(duì)相變材料解決路面低溫問題進(jìn)行研究，分析相變材料應(yīng)用于自融雪路面，熱熔雪路面的可行性。

[1]徐祖耀，材料相變[M].北京：高等教育出版社，2013:1-2

[2]沈金安,瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社,2000:270-275

[3]馬骉，王曉曼，李超，等.相變材料在瀝青混凝土路面中的應(yīng)用前景分析[J].公路.2009,12:115-118

[4]胡曙光，李潛，黃紹龍，等.相變材料聚乙二醇應(yīng)用于瀝青混合料可行性的研究[J].公路.2009(7):291-295

[5]萬路.相變控溫瀝青混凝上的制備與性能研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2012

[6]譚憶秋，邊鑫，單麗巖，等.路面潛熱材料的制備與調(diào)溫性能研究[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2013,16(2):354-359

[7]Cocu X,Nicaise D,Rachidi S.The Use of Phase Change Materials to Delay Pavement Freezing[J].Transport Research Arena,Brussels,2010

[8]暢玉皎.公路用微膠囊型相變調(diào)溫劑序列與中試研究[D].西安:長安大學(xué)，2013

[9]劉豐瑋.微膠囊相變調(diào)溫劑調(diào)溫指標(biāo)與效果評(píng)價(jià)研究[D].西安:長安大學(xué)，2014

王瑞(1992-)，男，長安大學(xué)公路學(xué)院碩士研究生，道路與鐵道工程專業(yè)。