李夢琪

（遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司，沈陽 110166）

近年來，許多瀝青混凝土路面出現(xiàn)了早期損壞，這不僅影響行車的舒適性和安全性，而且造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。究其原因，這些早期損壞大多與溫度有關(guān)。由于瀝青是一種溫度敏感性的粘彈性材料，因此瀝青混合料會在冬天變硬，在夏天變軟，在車輛荷載與環(huán)境因素的作用下，瀝青路面會產(chǎn)生各種各樣的病害，縮短使用壽命。

如何有效延長瀝青路面的使用壽命，是學(xué)者們長期以來關(guān)注的重點。截至目前，研究者們主要通過改進(jìn)瀝青性能、添加纖維材料和優(yōu)化混合料級配等手段來“被動”應(yīng)對瀝青路面使用時的氣溫變化，但改善效果并不理想，沒有從根本上解決瀝青路面出現(xiàn)的病害問題。因此，如何“主動”改善瀝青路面的溫度適應(yīng)能力成為了研究者們關(guān)注的重點。

近年來，相變材料逐漸被研究者們應(yīng)用于瀝青路面，其通過控制瀝青路面的溫度場，以減少溫度與荷載對瀝青路面的損壞。因此，本文提出了瀝青混凝土路面所用相變材料的主要性能要求與標(biāo)準(zhǔn)，并對相變材料在瀝青路面中的應(yīng)用研究進(jìn)行了總結(jié)。

1 相變材料概述

1.1 相變材料分類

相變材料是一種通過利用相變過程中釋放或者吸收的熱量來進(jìn)行儲能潛熱的材料，相變材料在相變過程中能夠保持本身溫度恒定，是因為材料將熱量以潛熱的形式釋放給環(huán)境或儲存于自身[1]。

根據(jù)化學(xué)特性，相變材料可以分為有機類、無機類及復(fù)合類；按材料相態(tài)轉(zhuǎn)變時的存在形式可分為固-固類、固-液類、液-氣類和固-氣類4 種類型；按照相變溫度范圍可分為低溫、中溫及高溫相變材料。具體如圖1所示。

圖1 相變材料的分類

有機類相變材料包括鹽類、脂肪酸及烷烴等有機物。這類材料在相變時具有性能穩(wěn)定、成型好、成本低和腐蝕性較小等優(yōu)點。由于瀝青混合料和有機類相變材料均屬于有機材料，因此添加此材料對瀝青路面的性能影響較小。與此同時，有機類相變材料相變時溫度與瀝青路面使用溫度較為相近，這樣更有利于實現(xiàn)相變調(diào)溫效果。

無機類相變材料包括結(jié)晶水合鹽及金屬合金等，結(jié)晶水合鹽類最為典型，雖然這類材料具有成本低、體積變化小等優(yōu)點，但也存在穩(wěn)定性不良、腐蝕性嚴(yán)重等缺點。同時由于無機類相變材料的相變溫度較高，會對瀝青混合料性能產(chǎn)生較大影響，因此此類型相變材料不適合在瀝青路面中使用。

復(fù)合類相變材料將載體和材料結(jié)合在一起形成固相的復(fù)合型材料，其改善了一般相變材料不易保存及導(dǎo)熱率低等不足，但成本相對較高。與無機類、有機類相變材料相比，復(fù)合類相變材料擴(kuò)展了相變材料的應(yīng)用范圍，更適合在瀝青混合料中進(jìn)行應(yīng)用。

1.2 復(fù)合類相變材料的封裝方法

復(fù)合類相變材料的主要有3 種封裝方法，分別為物理混合法、化學(xué)合成法及微膠囊法，如圖2 所示。

圖2 復(fù)合類相變材料的封裝方法

物理混合法包含多孔吸附法、直接混合法及熔融共混法。其中多孔吸附法使用最為頻繁，其原理為利用材料的多孔結(jié)構(gòu)，將相變材料吸附上去。硅藻土、高嶺土等為較常用的多孔吸附材料，但多孔吸附材料的材料大小與泄露的可能性相互制約，因此應(yīng)用起來較為困難。

化學(xué)合成法主要應(yīng)用于固-液類相變材料，其原理為利用化學(xué)共聚等化學(xué)方法將相變材料封裝進(jìn)載體，但由于應(yīng)用相變材料相態(tài)較為局限，因此瀝青路面用相變材料較少采用此種封裝技術(shù)。

微膠囊法是將相變材料包裹進(jìn)高分子材料形成的膠囊里，以防止材料泄露。主要包含物理法、化學(xué)法及物理化學(xué)法。其中物理法主要包含噴霧干燥法、空氣懸浮法及靜電結(jié)合法等；化學(xué)法主要包含原位聚合法、界面聚合法及懸浮凝聚法等；物理化學(xué)法主要包含離心擠壓法、囊芯交換法及復(fù)相乳液法等。

1.3 瀝青路面用相變材料的技術(shù)要求

瀝青路面用相變材料不僅要滿足路面工程的技術(shù)要求，還需承受行車荷載、環(huán)境等因素的影響。因此相變材料還需有如下技術(shù)要求。

1）為有效減輕瀝青路面中早期病害，相變材料的相變溫度應(yīng)滿足瀝青路面使用的范圍要求。

2）相變潛熱高，導(dǎo)熱系數(shù)大、密度大及比熱容大。能夠保證相變材料有較高的導(dǎo)熱性能和對溫度調(diào)節(jié)的及時性。

3）具有良好的穩(wěn)定性，保證其能夠在瀝青路面中不被降解。

4）無毒、無腐蝕性且安全性好，同時與瀝青路面具有較好的相容性。

5）相變可逆性好、膨脹收縮性小、過冷或過熱現(xiàn)象少。

2 基于相變材料的調(diào)溫瀝青路面

2.1 高溫降溫特性

丁慶軍等[2]發(fā)現(xiàn)將聚乙二醇相變材料應(yīng)用溶膠-凝膠法摻入到瀝青及瀝青混合料中，隨著聚乙二醇摻量的增大，聚乙二醇改性瀝青的黏性增大，溫度敏感性及延度下降。同時，得到摻入相變材料的AC-20 瀝青混合料，在室外溫度條件下其高溫穩(wěn)定性有所提高，但對低溫性能影響不大。

Chen 等[3]提出了瀝青路面用相變材料的選擇標(biāo)準(zhǔn)，同時，采用相變溫度范圍為40～50 ℃的石蠟/膨脹石墨穩(wěn)定相變材料，將其摻入瀝青混凝土中，結(jié)果證明了在瀝青路面中摻加相變材料有降溫防車轍的功效。

He 等[4]采用不同含量的聚乙二醇/硅溶膠相變材料，將其與瀝青進(jìn)行物理混合，得到相變?yōu)r青混合料的起始溫度約為44 ℃，同時隨著相變材料含量的增加，相變焓也逐漸升高，混合物幾乎沒有質(zhì)量損失，在20～200 ℃時仍具有良好的穩(wěn)定性。

曹長斌等[5]采用聚乙二醇作為相變材料，將其摻入到瀝青及瀝青混合料中，結(jié)果表明，當(dāng)聚乙二醇摻量為15%和20%時，瀝青路面可分別降溫1.3 ℃和1.4 ℃。

彭瑩等[6]將活性炭作為基體，采用聚乙二醇相變材料制備出復(fù)合固-固相變材料，并將其摻入瀝青中進(jìn)行改性，最后對不同摻量的相變材料改性瀝青進(jìn)行老化、高低溫交變等處理，觀察其外觀，并利用電子拉力試驗機和熱機械分析儀測試改性瀝青的軟化點、延性等性能，得出當(dāng)此復(fù)合固-固相變材料摻量為20%時，瀝青的改性性能最佳。

程耀飛等[7]制備聚乙二醇／多孔火山巖相變材料，將其代替一部分粗集料摻入到冷拌瀝青混合料中，經(jīng)測試路面溫度可降低3.6 ℃左右。

Wei 等[8]通過差示掃描量熱法測定出合適的相變溫度值，提出了復(fù)合材料的質(zhì)量比，以解決瀝青路面的溫度分布問題。

何麗紅等[9]采用石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料，將其摻入到冷拌瀝青混合料中，采用室外實驗得到其降溫幅度最大可達(dá)5.2 ℃。

沙愛民等[10]研制出主動降溫的固-固相變材料，將氧化石墨烯原位引入聚氨酯固-固相變材料中，在保證相變儲熱密度的同時顯著提升了導(dǎo)熱能力，有利于提高相變材料對瀝青路面溫度的準(zhǔn)確感知和主動降溫能力。

王慧茹[11]研究了聚乙二醇/硅藻土（CPCM）摻量與瀝青混合料動穩(wěn)定度的關(guān)系見表1，發(fā)現(xiàn)動穩(wěn)定度隨著CPCM 摻量的增加而增加。

表1 CPCM 摻量與動穩(wěn)定度的關(guān)系

2.2 低溫抗冰凝特性

馬骉等[12]將由不飽和酸、B-亞麻酸和Y-亞麻酸所制備的特定相變材料摻進(jìn)SBS 改性瀝青中，通過室內(nèi)試驗得到，添加相變材料后瀝青的低溫穩(wěn)定性能得到明顯提高，但高溫穩(wěn)定性降低，同時對短期老化后的長期性能不利。

比利時道路研究中心的Cocu 等[13]采用正十四烷烴/二氧化硅固-液相變材料來替代部分集料制備多孔瀝青混合料，制成具有除冰效果的相變?yōu)r青混凝土，這種瀝青混凝土可延緩達(dá)到極低溫的時間，可有效抑制結(jié)冰，但是此種瀝青混凝土中的相變材料容易泄露，從而影響瀝青路面的其他性能，因此相變材料的添加量有限，使得抑冰除雪效果并不明顯。

劉松濤等[14]在瀝青中添加有機類相變材料后進(jìn)行三大指標(biāo)試驗，發(fā)現(xiàn)隨著有機類相變材料的添加，瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性能提高，但高溫穩(wěn)定性降低，同時對短期老化后的長期性能不利。

Manning 等[15]利用石蠟，將其吸附于細(xì)集料上來制備瀝青混合料，與對照組相比，得到此種復(fù)合混合料具有一定的抗冰凝效果，但效果不佳，抗冰凝時間較短的結(jié)論。

朱建勇等[16]在瀝青中摻入相變分子合金材料并進(jìn)行試驗，得到隨著相變分子合金材料的添加，瀝青流變性會有明顯改善的結(jié)論，并根據(jù)以上試驗確定了此種復(fù)合材料的基本配合比。

喬建剛等[17]采用基礎(chǔ)相變材料聚乙二醇，載體合成材料丙烯酰胺，聚合促進(jìn)劑過硫酸鉀等原料組成適用于瀝青混合料的相變材料，使用該相變材料能有效降低瀝青混合料的溫度敏感性，提高其水穩(wěn)定性能和低溫性能，同時提高了道路的溫度調(diào)節(jié)能力，從而提高路面整體壽命。

3 結(jié)束語

隨著新能源不斷的開發(fā)和利用，潛熱儲能技術(shù)的應(yīng)用將越來越廣泛。作為一種可應(yīng)用到瀝青混凝土路面中的新型材料，相變材料具有良好的前景。

截至目前，相變材料在瀝青混凝土路面中的應(yīng)用處于起步階段，仍有很多問題在不斷出現(xiàn)，比如加入相變材料后瀝青混合料的長期穩(wěn)定性，高溫拌合瀝青混合料時對相變材料的影響和降溫效果等等。因此，仍需進(jìn)一步研究相變材料在瀝青路面中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）對復(fù)合相變材料的成型工藝進(jìn)行研究，獲得相變潛熱高、導(dǎo)熱性能優(yōu)良，穩(wěn)定性好，成本較低且適用于瀝青路面的新型復(fù)合相變材料。

2）對相變?yōu)r青混合料的長期穩(wěn)定性和降溫效果進(jìn)行進(jìn)一步研究，提高相變?yōu)r青路面的耐久性，使相變?yōu)r青混合料適用于不同的溫度條件。

3）優(yōu)化相變材料摻入瀝青混合料的方式，提高兩者的相容性。

4）相變?yōu)r青混合料的設(shè)計方法和評價標(biāo)準(zhǔn)有待進(jìn)一步探究。