相變瀝青混合料的研究及應用進展

(長安大學公路學院 陜西 西安 710064)

相變瀝青混合料的研究及應用進展

王瑞

(長安大學公路學院陜西西安710064)

相變材料應用于瀝青混合料，能夠主動調控瀝青路面溫度，從而大幅度減弱外界環境溫度對瀝青路面的不利影響。本文對常見道路相變材料及其制備方法進行介紹，對相變材料在瀝青混合料中的具體應用進行了闡述，并提出了未來的研究重點。

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并提供相變潛熱的物質。相變材料在相變過程中能夠以潛熱的形式將熱量儲存或釋放，因而具有儲熱和調溫的性能，現已廣泛應用于航天、服裝、建筑等領域[1]。

瀝青路面以其行車舒適、施工期短等優點成為我國應用最為廣泛的高等級路面結構，但瀝青路面受環境溫度的影響較大，在高溫環境下易形成車轍、推移、擁包等病害，在低溫環境下易產生低溫裂縫等病害，從而極大程度上影響了瀝青路面的使用性能和服務水平[2]。近些年國內外一些學者借鑒相變材料在其他領域的成功經驗，將其應用到瀝青混合料中，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,主動調控瀝青路面溫度，以期從根本上解決外界環境溫度對路面的影響[2]。因此相變材料在道路工程領域有著良好的應用前景。

本文總結了常用道路相變材料、制備方法及應用要求，并概述了相變材料在瀝青混合料中的研究進展，最后闡述了相變瀝青混合料中的應用前景及研究方向。

二、道路相變材料的技術要求

在物理性質方面：1.良好的導熱性能；2.優良的儲熱能力；3.相變過程中不存在過冷和降解現象；4.適宜的相變溫度；5.蒸汽壓低且體積變化小。

在化學性質方面：1.優良的化學穩定性；2.與瀝青的相容性好；3.安全環保。

在施工方面：1.材料成本低且易獲取；2.生產工藝簡單，適宜于施工現場大規模生產。

三、常用道路相變材料

根據相變材料的組成成分，相變材料一般可分為有機相變材料、無機相變材料和混合相變材料3種。目前我國道路工程中應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，較好的導熱系數，熱穩定性較好；2.烷烴類，烷烴類相變材料具有儲熱能力大，化學性質穩定，相變范圍穩定，過冷度小，無腐蝕等優點，滿足道路用相變材料的技術要求；3.石蠟類，價格低廉、材料易得，除了固-液相變還存在固-固相變，儲熱能力大，是最常用的一種相變材料，但對瀝青影響較大，故只適用于微膠囊技術。

四、相變瀝青混合料的研究進展

根據瀝青混合料的特性,相變材料在瀝青混合料的應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集料。

(一)相變材料作為改性劑

胡曙光等驗證了聚乙二醇(PEG)應用于瀝青混合料的可行性，PEG被作為改性劑加入基質瀝青，對瀝青和瀝青混合料的基本性能及溫度敏感性進行測定，結果表明隨聚乙二醇的摻入量增加，改性瀝青高溫穩定性得到較大改善，但延度等低溫性能明顯降低[4]。萬路對相變材料對瀝青流變性能的影響進行了研究，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，表明改性相變瀝青不同相變材料均會對瀝青的抗車轍性產生不利影響，摻量越多，影響越大[5]。

(二)相變材料替代部分細集料

譚憶秋等選擇棕櫚酸、PEG4000和肉豆蔻為復合相變材料，分別采用“直接摻入”、“加熱導入”、“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合相變材料，通過太陽光熱溫控箱來進行模擬外界環境試驗，結果表明“直接摻入”法對瀝青三大指標影響較大，“加熱導入”和“真空吸附”兩種方法對瀝青混合料性能影響較小且調溫效果更明顯，相變材料摻量為5%(質量分數)時的延緩溫升效果最明顯[6]。瑞典X.Cocu等進行了有關相變材料抑制瀝青路面結冰的效果分析，將相變材料與Si02復合以替代部分集料，制備成大孔隙率(空隙率大于20%)瀝青混凝土，結果顯示：該相變瀝青混凝土結冰效果較好，但相變材料易于泄露以致對瀝青混凝土的性能產生較大影響，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]。暢玉皎根據不同溫度對路面的不同影響，提出了相變材料高溫序列調溫范圍為35℃～50℃，低溫序列為-5℃～5℃，并依據已有的相變微膠囊制備方法,通過室內試驗，采用熱力學分析和數學分析的方法，得出各調溫序列在不同材料及不同比例的相變材料下的變化規律[8]。劉豐瑋根據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模型溫度分布情況進行測試，提出了潛熱積溫值和潛熱調溫指數作為相變微膠囊調溫效果的評價指標[9]。

五、結語

相變瀝青混合料作為道路工程領域中的一種新型材料，通過其儲能調溫機理能夠主動調控路面溫度，從而改善外界環境溫度對于道路的不利影響，具有良好的應用前景。但相變瀝青混合料應用于實際工程中仍存在不少難點，因此以后的研究重點主要在以下幾方面：(1)對復合相變材料的制備工藝進行研究。防止相變材料泄漏及揮發，保證相變材料在瀝青混合料生產施工中的穩定性；優化工藝、降低成本，保證相變瀝青混合料能夠大規模生產。(2)對相變瀝青混合料的路用性能進行研究，分析相變材料在提升瀝青混合料溫度穩定性的同時，對力學性能、耐久性等性能的影響。(3)對摻有相變材料的瀝青路面的施工工藝進行研究，從相變材料的制備方式、混合料的配合比設計及拌合、攤鋪碾壓、施工質量控制等方面展開研究。(4)對相變材料解決路面低溫問題進行研究，分析相變材料應用于自融雪路面，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，2012

[6]譚憶秋，邊鑫，單麗巖，等.路面潛熱材料的制備與調溫性能研究[J].建筑材料學報，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溫劑序列與中試研究[D].西安:長安大學，2013

[9]劉豐瑋.微膠囊相變調溫劑調溫指標與效果評價研究[D].西安:長安大學，2014

王瑞(1992-)，男，長安大學公路學院碩士研究生，道路與鐵道工程專業。