微膠囊相變調溫瀝青混合料溫度場研究*

王小慶 馬 骉 劉豐瑋

(長安大學公路學院1) 西安 710064) (山東省交通規劃設計院2) 濟南 250031)

0 引 言

瀝青混合料性能受溫度及溫度變化速率影響顯著，瀝青黏度隨溫度的升高而降低，當溫度達到40 ℃以上時，結合料的黏結作用顯著降低，在行車荷載反復作用下，容易產生各種高溫病害，影響道路的使用壽命和性能.

相變材料具有相變潛熱特性，在相變過程中會吸收或釋放大量潛熱[1]，將其用于主動調控瀝青混合料路面溫度，減小路面溫度域，減小路面病害頻發溫度區間內升降溫速率，可減輕瀝青路面高、低溫病害，提高路面的使用性能[2-4].目前，國內外主要從路用相變材料研發與優選、相變材料調溫性能、相變材料對瀝青及瀝青混合料性能的影響等方面做了一定研究.路用相變材料常包括聚乙二醇[5-6]、負載型復合相變材料[7-8]，以及微膠囊相變材料[9-10].Athukorallage等[11]通過有限元模擬分析在上面層下鋪設相變材料層與含不同體積分數相變材料的瀝青混合料層的調溫情況，得出鋪設相變材料層時路面表層溫度高于普通路面，而鋪設體積摻量小于60%的瀝青混合料，可有效降低路表溫度.Du等[12]分析了摻與未摻相變材料瀝青混合料的溫度差異，并建立了調溫瀝青混合料溫度預測模型.針對瀝青路面溫度場，研究學者均以實測普通瀝青路面溫度研究外界因素與路面溫度場的對應關系，以及建立路面溫度場預估模型為主要研究內容.延西利等[13]建立了全厚式路面溫度數據庫，利用數值方法確定了路表溫度，最終建立了瀝青路面全厚度范圍的溫度場.單景松等[14]利用有限元模型得到路表最高溫與大氣溫度與太陽輻射量等氣候因素之間的關系式，建立了路面不同深度處溫度隨時間變化的溫度場預估模型.Ariawan等[15]針對高溫、潮濕地區，研究了大氣溫度和濕度對瀝青路面溫度的影響，并以溫度和濕度作為獨立變量，建立了路面溫度預估的線性回歸模型.

相變調溫瀝青混合料以其調溫特性區別于普通瀝青混合料，具體體現為在相變材料處于相變溫度區間內時，混合料的表觀比熱發生較大變化進而影響瀝青路面溫度場分布.而國內外，就相變調溫瀝青混合料溫度場變化研究較少.

由此，關于相變調溫瀝青混合料的溫度場研究缺乏.為進一步研究相變材料在瀝青混合料內部具體調溫進程與影響相變調溫效果的外在因素，制作微膠囊相變調溫瀝青混合料室外調溫模型，以大量實測的溫度場數據為基礎，對比分析不同環境下模型溫度場的變化情況，并分析出現相應溫度變化的成因.同時，進一步分析特征溫度界面在調溫模型內部的移動情況，以期為MEPCTA的調溫過程及其影響因素的研究提供一定的參考依據.

1 原材料

試驗采用韓國SK90#A級道路石油瀝青，技術指標均符合文獻[16]要求.粗集料為閃長巖，表觀相對密度2.775，吸水率0.52%；細集料為機制砂，表觀相對密度2.745，砂當量83%；礦粉為石灰巖質，干燥、潔凈、無團粒結塊，表觀相對密度2.712，含水量0.4%，各技術指標均滿足規范要求.

MEPCTA以白炭黑與十四烷制備的定形相變材料為囊心、乙基纖維素(EC)為囊壁、二乙酸甘油酯(GD)和無水乙醇混合為溶劑，通過微膠囊法制備而成，其相變特性見圖1.

圖1 MEPCT的DSC曲線

由圖1可知，MEPCTA的相變吸熱溫度區間為4.54～26.64 ℃，峰值溫度為11.61 ℃，相變焓值為80.24 J/g；相變放熱溫度區間為2.16～-31.65 ℃，峰值溫度為-4.83 ℃，焓值為80.31 J/g.

瀝青混合料類型為AC-13，不同粒徑規格礦料質量比為：10～15 mm∶5～10 mm∶0～5 mm∶礦粉=22%∶34%∶41%∶3%；通過馬歇爾試驗確定最佳油石比為4.9%；調溫劑摻量為0.3%，以干法工藝摻入.

2 室外調溫模型的建立

調溫模型由三塊30 cm×30 cm×10 cm的車轍板由下至上依次疊放而成.為保證熱量在模型內傳遞的連續型，使用與車轍板相同瀝青、礦粉與細集料制備瀝青砂漿填補車轍板間縫隙，為保證模型各表面空氣均勻流動，室外調溫模型通過支架架空，模型內溫度通過埋設于其內的溫度傳感器采集.室外調溫模型整體效果與內部傳感器的分布見圖2.

圖2 室外調溫模型整體效果和傳感器分布圖

在模型內特定位置處布設溫度傳感器，見圖3.以相變調溫瀝青混合料調溫模型內傳感器布設為例，沿模型中心位置豎直方向由上至下布設M1～M3；沿模型上層水平縱向中線由前向后，編號依次為L1，L2，M1，L3和L4；沿模型下層水平橫向中線由左向右布設，編號依次為T1，T2，M3，T3和T4.普通瀝青混合料模型內傳感器布設位置與所例相同，以編號前均加N區別.

圖3 室外調溫模型溫度傳感器布設平面圖及剖面圖(單位：mm)

3 微膠囊相變調溫瀝青混合料室外模型溫度場分析

室外模型溫度實時監測時間為2016年12月10日08:00—12日09：00(10日晴轉多云，環境溫度為0.7 ～8.6 ℃；11日晴，環境溫度為-0.6～11.7 ℃).通過實測溫度數據，分析摻與未摻MEPCTA調溫模型溫度場變化差異，并具體分析相變調溫瀝青混合料室外模型在不同溫度、光照環境條件下的各層位溫度變化情況.

3.1 摻與未摻微膠囊型相變調溫劑瀝青混合料室外模型溫度場對比分析

對比分析摻與未摻微膠囊型相變調溫劑模型內L1、L4與T1三個位置的溫度變化情況，具體溫度變化及溫度變化速率見圖4.

圖4 摻與未摻MEPCTA瀝青混合料室外調溫模型溫度變化和溫度變化速率

由圖4a)可知，升溫階段，摻MEPCTA室外模型內部各點溫度低于未摻的；而降溫階段，前者又高于后者.由此可知MEPCTA發揮了一定的潛熱調溫作用，能夠在升溫時段抑制瀝青混合料溫度上升過高和在降溫時段防止瀝青混合料溫度下降過低.

升溫階段，摻與未摻MEPCTA瀝青混合料模型內同一位置溫度在某一時刻開始出現差異，且溫差隨時間逐漸增大；降溫階段，溫差逐漸減小，并出現反溫差；峰值溫度越大，溫差越大，各位置溫差為1 ℃左右，最大1.7 ℃.由圖4b)可知，相變調溫模型內各位置溫度變化速率及幅度均低于普通瀝青混合料模型，隨模型溫度達到相變起始溫度5 ℃時，溫度變化速率差值逐漸增大，此差異在溫度變化較快時較為顯著，最大溫變速率差值為0.8 ℃/h.由此可知，當溫度達到MEPCTA相變起始溫度時，MEPCTA開始發揮潛熱調溫作用，延緩模型內溫度變化.不同升降溫階段內，摻與未摻MEPCTA瀝青混合料模型內各位置溫差從出現至達到最大值歷經不同溫度變化范圍和持續時間；同時，在相同環境溫度下，摻與未摻MEPCTA模型各位置處溫差也不相同.由此推斷，外界溫度變化以及模型內調溫劑分布位置的不同會影響MEPCTA潛熱調溫過程的持續時間和調溫效率.

3.2 微膠囊相變調溫瀝青混合料室外模型溫度場分析

監測所得模型內各位置溫度變化見圖5.

圖5 微膠囊相變調溫瀝青混合料室外調溫模型溫度變化

由圖5可知，模型整體溫度隨環境溫度同步變化.10日為陰天，模型溫度與環境溫度相差較小，且升溫速率較小，熱傳遞的滯后效果不明顯，模型各位置同一時刻溫度相差較小；11日太陽光照強度較強，模型整體溫度高于環境溫度，由于模型表面在光照下迅速升溫，該升溫過程中，MEPCTA潛熱效率較高，熱量向模型內部傳遞減少，模型各位置的溫度變化響應隨深入模型距離的增加而逐漸滯后，溫度變化幅度及速率也逐漸降低.為了更直觀的分析調溫模型內各位置處的溫度變化情況及規律，對模型沿豎直方向、縱向、橫向的溫度變化做進一步分析.

3.2.1豎直深度方向溫度變化情況

相變調溫模型沿豎向溫度變化及溫度變化速率見圖6，圖中坐標標注分別為環境及模型溫度峰值點.

圖6 微膠囊相變調溫瀝青混合料室外調溫模型沿豎向溫度變化

由圖6可知，升溫階段，由于模型上部首先受到太陽輻射且熱量傳遞具有滯后性，峰值溫度依次延后出現，這種滯后性較多云天氣(10日)在晴天(11日)時較為顯著，這是由于溫度變化速率較快，同時在溫度較高情況下MEPCTA以潛熱形式存儲熱量效率較高；降溫階段，模型中熱量由下到上向外釋放，模型底部降溫速率較低、最低溫出現最晚，但各位置差別及相對于環境溫度的溫度滯后效果并不明顯，這是由于MEPCTA的相變放熱溫度區間為2.16～-31.65 ℃，而實測時環境最低溫度僅為-0.6 ℃，MEPCTA未能較好的產生調溫作用.由12月11日溫度變化及峰值點坐標可知，環境溫度于11:50達到峰值溫度，而模型上部峰值溫度滯后約2 h，此時環境溫度僅為其峰值溫度的60%，避免了模型峰值溫度與環境峰值溫度的重合.

3.2.2上層縱向溫度變化情況

相變調溫模型沿上層縱向的溫度變化及溫度變化速率見圖7.

圖7 微膠囊相變調溫瀝青混合料室外調溫模型沿上層縱向溫度變化

由圖7可知，升溫階段，模型內由前向后各位置升溫速率逐漸減小，環境溫度變化越大，各位置溫度峰值相差越大，峰值溫度的出現時間也依次延后；降溫階段，熱量由內向外逐漸釋放，限于試驗場地條件模型后側有障礙物，而前部散熱條件良好，熱量主要由前部向外輻射，模型上層縱向各點最低溫度由前向后依次出現.12月11日，環境溫度于11:50達到峰值溫度，而模型前部峰值溫度滯后約1 h.

3.2.3下層橫向溫度變化情況

相變調溫模型沿下層橫向溫度變化及溫度變化速率見圖8.

圖8 微膠囊相變調溫瀝青混合料室外調溫模型沿下層橫向溫度變化

由圖8可知，升溫階段初期，模型左側受太陽光照輻射，模型溫度沿橫向由左向右逐漸降低；正午時太陽光直射模型上部與前部，下層橫向各位置吸熱狀態相近，溫度峰值相差較小；降溫階段，太陽光直射模型右側，此時光照強度已明顯減弱，各位置溫度趨于相同.12月11日，環境溫度于11:50達到峰值溫度，而模型左側峰值溫度滯后約1.5 h.由此，升溫階段模型下層橫向各位置峰值溫度出現時間依次延后；降溫階段，各位置溫度變化無較大差異.

由此可見，外界溫度環境和太陽光照條件是微膠囊相變瀝青混合料室外模型溫度場分布及變化主要決定因素，同時，模型內不同朝向、不同深度位置處熱量交換狀態的不同，會影響MEPCTA的調溫進程.

4 微膠囊相變調溫瀝青混合料室外模型特征溫度界面

由室外模型溫度場變化情況可知，在升降溫過程中，模型外側形成正(負)溫度梯度界面，并隨環境溫度變化逐漸向模型內部移動，當模型內某位置處界面溫度達到相變初始溫度時，該位置處MEPCTA相變特性被激發，以潛熱形式儲存(釋放)熱量達到調溫效果.將MEPCTA相變起始溫度及峰值溫度作為特征溫度，其所在界面為特征溫度界面.

升溫階段，取5 ℃作為起始特征溫度、10 ℃作為峰值特征溫度值，分析5，10 ℃特征溫度界面在模型中的移動情況；降溫階段，僅取降溫階段相變起始溫度3 ℃作為起始特征溫度進行分析.以環境溫度達到特征溫度值的時刻為起始時間，根據各特征溫度界面的移動情況分析不同位置處MEPCTA的調溫狀態.各特征溫度界面起始時間點見表1.

表1 升降溫階段內特征溫度界面起始時間點

由表1可知，升溫階段，環境最高溫越高，相變起始特征溫度界及峰值特征溫度界面越早出現，模型內MEPCTA越早發生相變潛熱作用；降溫階段，環境最低溫越低，相變起始特征溫度界面出現的時間也越早.

4.1 升溫階段特征溫度界面分析

以表1中各起始時間為零點，按觀測點在模型內的不同排列方式計算各特征界面依次到達模型各位置所用的時間，模型前部、左側、上側表面分別為按上層水平縱向、下層水平橫向、中心豎直排列的各觀測點的距離零點.

1) 5 ℃面特征溫度界面5 ℃特征溫度界面變化情況見圖9.

圖9 5 ℃特征溫度界面沿模型變化情況

由圖9可知，隨著環境最高溫度的增大，5 ℃特征溫度界面由起始位置按各排列方式依次到達各位置的時間整體縮短.在同一溫度環境條件下，5 ℃特征溫度界面依次到達各位置所需的時間逐漸延長，所需時間延長的幅度逐漸減小.表明環境最高溫越高，MEPCTA越早發揮潛熱調溫作用.鑒于模型各表面均與外界環境接觸，選取起始位置至中心位置區域內界面移動情況進行計算.5 ℃特征溫度界面沿上層縱向由5 cm移至10 cm各溫度條件下平均耗時16.5 min，同樣沿下層橫向平均耗時17.7 min，對于沿豎向選取由10 cm移至15 cm，平均耗時6.7 min.

2) 10 ℃特征溫度界面10 ℃特征溫度界面變化情況見圖10.

圖10 10 ℃特征溫度界面沿模型變化情況

由圖10a)可知，與5 ℃特征溫度界面相反，環境最高溫度越高，10 ℃特征溫度界面到達縱向各位置所用時間越長，MEPCTA相變調溫作用越明顯.同一溫度環境下，由于模型表面溫度逐漸升高向內傳遞熱量增加，且模型內MEPCTA調溫效果減弱，10 ℃特征溫度界面沿縱向加速依次到達模型縱向各位置，該現象在最高溫較高時較為明顯.10 ℃特征界面沿模型上層縱向由5 cm移至10 cm耗時27.5 min，較5 ℃特征溫度界面延后66%，說明相變材料在模型溫度由5 ℃升至10 ℃過程中較大程度的發揮了潛熱調溫作用.由圖10b)可知，環境最高溫度的變化對10 ℃特征溫度界面沿模型下層橫向移動并無明顯影響，這是因為該時間段內陽光直射模型上部和前部，熱量沿垂直橫向排列方向傳遞，模型下層橫向各位置接收相同熱量.由圖10c)可知，隨著環境最高溫度的增高，10 ℃特征溫度界面到達豎向各位置的時間逐漸延后.同一環境條件下，該時段太陽直射模型上部，熱量豎直向下傳遞，部分被MEPCTA以潛熱形式吸收，10 ℃特征溫度界面沿豎向依次到達模型各位置的時間逐漸延后，并且時間延長的幅度逐漸減緩.同樣，10 ℃特征界面在沿模型下層橫向與中心豎直方向移動相同距離較5 ℃特征界面耗時分別增加20%、45%.綜上，環境升溫越快，MEPCTA越快完成相變調溫過程，其延緩模型溫度上升的效果越顯著.

4.2 降溫階段特征溫度界面分析

3 ℃特征溫度界面變化情況見圖11.由圖11可知，環境最低溫度越低，3 ℃特征溫度界面越早達到模型各位置，MEPCTA越早發揮相變調溫作用.由圖11a)可知，在同一降溫環境下，由于模型后側有障礙物干擾，前部空氣流動暢通，模型內熱量主要由后向前逐漸向外釋放，因此3 ℃特征溫度界面沿縱向到達各位置的時間隨距離的增加而延后.由圖11b)可知，在相同降溫環境下，由于模型左右側均有障礙物遮擋，且底部距地面較近，模型下層橫向各位置熱量散失無明顯差異，3 ℃特征溫度界面到達位置時間大致相同.由圖11c)可知，3 ℃特征界面由15 cm移動至20 cm較由10 cm移至15 cm所用時間平均延后30 min，這是由于3 ℃特征界面先至處MEPCTA發生相態轉變放出潛熱，延后低溫向模型深處的傳遞.

圖11 3 ℃特征溫度界面沿模型變化情況

各位置處MEPCTA對周圍熱量傳遞的響應程度不同，潛熱調溫過程存在差異.升降溫速度過快，調溫劑相態轉變過程響應滯后；升降溫速度過慢，調溫劑相態轉變過程未能完全激活.因此調溫劑是否發揮潛熱作用取決于其周圍溫度是否達到相變溫度，特征溫度界面的移動情況，可明確反映出所至模型各位置處MEPCTA的調溫狀態，同時也是模型溫度場的微觀表現.特征溫度界面的移動速度即為特定溫度條件下模型的溫度響應的快慢程度，特征界面移動越慢混合料模型的溫度敏感性越低.

5 結 論

1) 摻與未摻MEPCTA瀝青混合料室外調溫模型的溫度變化趨勢與環境溫度同步，但模型內溫度變化整體相對滯后.摻MEPCTA的瀝青混合料調溫模型內部各點的升降溫速率與幅度均低于未摻的，最大溫差可達1.7 ℃.

2) 微膠囊相變瀝青混合料室外調溫模型各位置的溫度響應隨深度增加而逐漸滯后.環境溫度處于4.54～26.64 ℃及2.16～-31.65 ℃的時間越長，且溫差變化越大，模型內MEPCTA調溫作用越強，模型內各位置溫差越大、溫度變化滯后效果越明顯.

3) 特征溫度界面在不同升降溫環境下到達模型內部的時間隨深度距離增加逐漸滯后，模型內MEPCTA開始相變以及基本完成相變是由外而內逐步進行.

4) 升溫階段，環境最高溫越高，10 ℃征溫度界面由起始位置依次到達各位置處的時間逐漸后，MEPCTA潛熱效果越明顯；降溫階段，環境最低溫度越低，3 ℃特征溫度界面依次到達各位置的時間越快，MEPCTA越早發揮調溫作用.