相變材料在瀝青路面中的應用研究

李夢琪

（遼寧省交通規(guī)劃設計院有限責任公司，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)濟損失。究其原因，這些早期損壞大多與溫度有關。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，是學者們長期以來關注的重點。截至目前，研究者們主要通過改進瀝青性能、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能力成為了研究者們關注的重點。

近年來，相變材料逐漸被研究者們應用于瀝青路面，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準，并對相變材料在瀝青路面中的應用研究進行了總結。

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)化學特性，相變材料可以分為有機類、無機類及復合類；按材料相態(tài)轉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晶水合鹽及金屬合金等，結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。

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

1.2 復合類相變材料的封裝方法

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

圖2 復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構，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，因此應用起來較為困難。

化學合成法主要應用于固-液類相變材料，其原理為利用化學共聚等化學方法將相變材料封裝進載體，但由于應用相變材料相態(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。

微膠囊法是將相變材料包裹進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、化學法及物理化學法。其中物理法主要包含噴霧干燥法、空氣懸浮法及靜電結合法等；化學法主要包含原位聚合法、界面聚合法及懸浮凝聚法等；物理化學法主要包含離心擠壓法、囊芯交換法及復相乳液法等。

1.3 瀝青路面用相變材料的技術要求

瀝青路面用相變材料不僅要滿足路面工程的技術要求，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滿足瀝青路面使用的范圍要求。

2）相變潛熱高，導熱系數(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準，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，結果表明，當聚乙二醇摻量為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合固-固相變材料，并將其摻入瀝青中進行改性，最后對不同摻量的相變材料改性瀝青進行老化、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，得出當此復合固-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，提出了復合材料的質量比，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熱能力，有利于提高相變材料對瀝青路面溫度的準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到極低溫的時間，可有效抑制結冰，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行三大指標試驗，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，將其吸附于細集料上來制備瀝青混合料，與對照組相比，得到此種復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論。

朱建勇等[16]在瀝青中摻入相變分子合金材料并進行試驗，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論，并根據(jù)以上試驗確定了此種復合材料的基本配合比。

喬建剛等[17]采用基礎相變材料聚乙二醇，載體合成材料丙烯酰胺，聚合促進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 結束語

隨著新能源不斷的開發(fā)和利用，潛熱儲能技術的應用將越來越廣泛。作為一種可應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，仍需進一步研究相變材料在瀝青路面中的應用，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）對復合相變材料的成型工藝進行研究，獲得相變潛熱高、導熱性能優(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)定性和降溫效果進行進一步研究，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青混合料的設計方法和評價標準有待進一步探究。