路面用潛熱材料的制備與調(diào)溫性能研究

譚憶秋，邊 鑫，單麗巖，曲樂永，呂建福

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090；2.北京市市政工程設(shè)計研究總院，北京 100000）

瀝青混凝土路面的高溫車轍一直是困擾人們的難題，尋求科學(xué)有效的方法解決此問題已成為研究重點.瀝青混合料是一種黏彈性材料，影響其力學(xué)性能的主要因素有荷載和溫度，在外界荷載條件一定的情況下，溫度成為引發(fā)車轍的主導(dǎo)因素.長期以來，國內(nèi)外主要從提高瀝青及瀝青混合料的溫度穩(wěn)定性方面開展研究，提出了瀝青改性、添加纖維、優(yōu)化級配組成等措施[1－2]，來被動應(yīng)對瀝青混凝土路面使用過程中面臨的溫度環(huán)境變化，解決了一定時期、不同區(qū)域、不同條件下的一些具體工程技術(shù)問題，但是瀝青混凝土路面與溫度相關(guān)的病害仍然十分嚴(yán)重.因此，本文從主動改善瀝青混凝土路面溫度狀況出發(fā)，開展了路面用潛熱材料的制備與調(diào)溫性能研究工作，將有機相變材料導(dǎo)入到無機多孔介質(zhì)材料中制備來復(fù)合相變材料，并通過不同摻入途徑制備了潛熱瀝青混合料，利用復(fù)合相變材料適宜的相變溫度、高相變潛熱不斷吸收路面的熱量，使其表現(xiàn)出良好的自調(diào)溫效果.

1 潛熱瀝青混合料的制備

1.1 相變材料選擇

相變材料是隨溫度變化而改變相態(tài)并能提供潛熱的物質(zhì).相變材料分為固－固、固－液、固－氣和液－氣4大類[3－4].將相變材料應(yīng)用于瀝青混凝土路面，需要其具有明顯的自調(diào)溫效果、良好的耐久性等，因此，所選相變材料應(yīng)具備以下特點：（1）相變潛熱高，在相變過程中單位質(zhì)量能貯藏或釋放較多的熱量；（2）相變可逆性好、膨脹收縮性小、過冷或過熱現(xiàn)象少；（3）適宜的相變溫度，與需要調(diào)控物質(zhì)的特定溫度相匹配；（4）導(dǎo)熱系數(shù)大、密度大、比熱容大；（5）無毒、無腐蝕性、成本低、制造方便.

有機類相變儲能材料比較常用的有石蠟、烷烴、脂肪酸及鹽類、醇類等.按照路面用抗車轍潛熱材料的相變溫度要求在45～65℃、相變潛熱盡量大、導(dǎo)熱系數(shù)盡量大、相變前后體積變化率盡量小、揮發(fā)溫度應(yīng)大于180℃的要求，初步選擇棕櫚酸、PEG4 000和肉豆蔻酸為試驗用相變材料，其熱物性參數(shù)見表1.

表1 有機相變材料熱物性參數(shù)Table1 Thermal parameters of organic phase change materials

1.2 復(fù)合相變材料的制備及性能分析

1.2.1 相變改性瀝青

選用遼河90＃瀝青，加熱至140℃控溫，保持1h，將棕櫚酸、PEG 4000和肉豆蔻酸分別加熱至100℃，待完全融化為液態(tài)后，將瀝青分別倒入其中，同時應(yīng)用高速剪切乳化機剪切30min，使其充分混合，制得相變材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%，20%，30%的相變改性瀝青.

為了探究有機相變材料的“直接摻入”對瀝青3大指標(biāo)（針入度、軟化點和延度）的影響，分別就10%，20%，30%這3個摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的不同種類相變改性瀝青進行了測定，結(jié)果如圖1～3所示.

由圖1～3可知，棕櫚酸、PEG 4000和肉豆蔻酸的直接摻入對基質(zhì)瀝青的3大指標(biāo)均有一定影響，其中對延度影響最大.棕櫚酸和肉豆蔻酸摻量為20%，30%時，相變改性瀝青延度降低很大.PEG 4000摻量為20%時對基質(zhì)瀝青3大指標(biāo)影響雖然較小，但是PEG 4000的相變溫度為51～54℃，當(dāng)達(dá)到此溫度時，其瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，此時基質(zhì)瀝青為黏稠狀，因此二者在溫度高于54℃時物理性能不匹配.

1.2.2 硅藻土粉末狀復(fù)合相變材料

將棕櫚酸、PEG 4000和肉豆蔻酸分別加熱到100℃，待其充分熔化，同時將硅藻土在馬弗爐中加熱到200℃，然后將硅藻土分次加入到熔化的棕櫚酸、PEG 4000和肉豆蔻酸中，充分?jǐn)嚢?，最后將產(chǎn)物干燥至恒重，粉碎研磨，過0.075mm集料標(biāo)準(zhǔn)方孔篩，即得硅藻土粉末狀復(fù)合相變材料.

“加熱導(dǎo)入”制得的硅藻土粉末狀復(fù)合相變材料的均勻性及相變調(diào)溫效果經(jīng)差示掃描量熱儀DSC測定，結(jié)果如圖4所示.由圖4可知，粉末狀硅藻土復(fù)合相變材料相變潛熱隨有機相變材料導(dǎo)入量（體積分?jǐn)?shù)，下同）的增加呈線性增長，材料均勻性良好；當(dāng)棕櫚酸的導(dǎo)入量達(dá)到臨界值60%時，高溫條件下棕櫚酸恰不泄漏，此時其相變潛熱為97.74J／g，相變調(diào)溫效果較好.

圖4 粉末狀復(fù)合相變材料相變潛熱與相變材料導(dǎo)入量的關(guān)系Fig.4 Relationship between phase change latent heat and import volume fraction of powder composite phase change materials

1.2.3 陶砂粒狀復(fù)合相變材料

對3～5mm檔陶砂進行人工碾壓，篩分得到1.18mm和0.6mm兩檔，水洗至水澄清，150℃烘2h，使其微細(xì)孔全部裸露.將棕櫚酸、PEG 4000和肉豆蔻酸分別與上述兩檔陶砂按質(zhì)量比3∶7混合，用玻璃棒攪拌5min以混合均勻，放入真空干燥箱抽真空0.09MPa，150℃下保持2h，待相變材料充分導(dǎo)入陶砂后取出，加入體積分?jǐn)?shù)為5%的礦粉并拌和均勻，放入100℃的烘箱中保持0.5h，對陶砂表面微孔進行填充.最后冷卻篩分，即得陶砂粒狀復(fù)合相變材料.“抽真空導(dǎo)入并封裝”制備的陶砂粒狀復(fù)合相變材料的均勻性及相變調(diào)溫效果經(jīng)DSC測定后的結(jié)果如圖5所示.由圖5可知，陶砂粒狀復(fù)合相變材料的相變潛熱隨有機相變材料導(dǎo)入量的增加呈線性增長，材料均勻性良好；當(dāng)棕櫚酸的導(dǎo)入量達(dá)到臨界值30%時，高溫條件下棕櫚酸恰不泄漏，其相變潛熱為50.93J／g，相變調(diào)溫效果較好.

圖5 粒狀復(fù)合相變材料相變潛熱與相變材料導(dǎo)入量的關(guān)系Fig.5 Relationship between phase change latent heat and import volume fraction of granular composite phase change materials

綜上所述，有機相變材料的“直接摻入”使得相變改性瀝青的3大指標(biāo)變化較大，盡管PEG 4000摻量為20%時的相變改性瀝青的3大指標(biāo)變化還可以接受，但相比較而言，將有機相變材料導(dǎo)入粉末狀硅藻土和粒狀陶砂，其導(dǎo)入模式簡單，并且無機多孔材料在一定程度上屏蔽了有機相變材料，減弱了其泄漏對瀝青性能的影響，進而減弱了對瀝青混合料路用性能的影響，并且從DSC分析結(jié)果可以預(yù)測其具有較好的相變調(diào)溫效果.因此，本文選用粉末狀硅藻土棕櫚酸和粒狀陶砂棕櫚酸這2種復(fù)合相變材料，并將其等體積替代礦粉和細(xì)集料摻入瀝青混合料中來制備潛熱瀝青混合料，進一步研究其調(diào)溫效果.

1.3 潛熱瀝青混合料的制備

本試驗選用上面層常用的AC－16級配，如表2所示.其中1.18，0.6mm檔細(xì)集料和礦粉被相應(yīng)粒徑陶砂棕櫚酸復(fù)合相變材料和粉末狀硅藻土棕櫚酸復(fù)合相變材料等體積替代.

表2 AC－16型瀝青混合料礦料級配Table2 Gradation of composed aggregate of AC－16asphalt mixture

就多層路面而言，車轍等高溫病害一般是中下面層發(fā)生變形所致[1].由于上面層直接接受太陽光照射并與空氣接觸，因此上面層應(yīng)用潛熱瀝青混合料可有效保護中下面層，使其保持在潛熱瀝青混合料相變溫度（易出現(xiàn)車轍溫度）以下，從而能有效抑制高溫車轍.

2 潛熱瀝青混合料調(diào)溫效果研究

2.1 太陽光熱溫控箱的研制

瀝青混凝土路面的熱能傳遞方式為傳導(dǎo)、對流和輻射.當(dāng)路面面層結(jié)構(gòu)與大氣存在溫度差異，在接觸面上會發(fā)生由傳導(dǎo)和對流引起的熱交換[5－7].進行潛熱材料室內(nèi)模擬試驗，需要自制太陽光熱溫控箱來模擬瀝青路面所受的光熱環(huán)境.選用100W鏑燈，鏑燈屬于高強度氣體放電燈，具有高光效和高顯色性，其光譜十分接近太陽光譜[8].將太陽光熱溫控箱設(shè)計成對稱分布，同時制作車轍板凹槽，用來保證車轍試件所處的光熱環(huán)境相同.將太陽光熱溫控箱設(shè)計為功率可調(diào)，從而可以有效模擬不同天氣情況以及每天不同時間段路面所受的光熱情況.采用擠塑苯板制作密封箱體，接縫處用發(fā)泡膠粘接，保證數(shù)據(jù)采集不受外界干擾.裝置示意圖見圖6.

圖6 太陽光熱溫控箱示意圖Fig.6 Schematic diagram of solar photo－thermostat

2.2 室內(nèi)外溫度測量方法

車轍試件于室溫下放置24h，脫模并放入太陽光熱溫控箱，下鋪20mm厚大地土，周圍空隙用大地土填充并搗實，待傳感器顯示二者溫度基本相同時，打開鏑燈，測試并記錄試件溫度隨時間變化情況，試驗裝置見圖7（a）.

將瀝青混合料車轍試件放置于樓頂，使其直接暴露在陽光下，傳感器使用和處理情況同室內(nèi)，測試并記錄試件溫度變化情況，試驗裝置見圖7（b）.

圖7 室內(nèi)外溫度采集裝置Fig.7 Indoor and outdoor temperature acquisition

2.3 室內(nèi)調(diào)溫效果評價

對摻5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）有機相變材料的潛熱瀝青混合料進行室內(nèi)試驗，結(jié)果如圖8所示.

圖8 室內(nèi)調(diào)溫效果試驗結(jié)果Fig.8 Results of indoor temperature－controlling experiment

由圖8（a）可以看出，隨著時間的延長，基質(zhì)瀝青混合料車轍試件和潛熱瀝青混合料車轍試件的溫度都在升高，并且前者的溫度始終高于后者；由圖8（b）可以看出，隨著時間的延長，兩車轍試件的溫差不斷增大，第460min時潛熱瀝青混合料車轍試件整體相變溫度達(dá)到59.1℃，此時二者溫差達(dá)到最大值7.6℃，這說明此時潛熱瀝青混合料車轍試件中的復(fù)合相變材料已經(jīng)完全相變，其充分吸收熱量并達(dá)到了飽和狀態(tài)。此后二者溫差逐漸減小；由圖8（c）可知，潛熱瀝青混合料車轍試件的溫升速率明顯小于基質(zhì)瀝青混合料車轍試件，待其整體溫度達(dá)到相變溫度之后，潛熱瀝青混合料車轍試件的溫升速率瞬間突變，大于基質(zhì)瀝青混合料車轍試件，此后二者逐漸接近，最后趨于相等.這是由于潛熱瀝青混合料車轍試件從表面至中心的復(fù)合相變材料是依次達(dá)到相變溫度的，而每達(dá)到此溫度，對應(yīng)的復(fù)合相變材料都會瞬間吸收大量熱量，抑制了溫升，宏觀表現(xiàn)為潛熱瀝青混合料車轍試件的溫升速率明顯小于基質(zhì)瀝青混合料；當(dāng)潛熱瀝青混合料車轍試件中的復(fù)合相變材料全部相變時，由于潛熱瀝青混合料車轍試件整體溫度與氣溫相差較大，故瞬時表現(xiàn)為其溫升速率大于基質(zhì)瀝青混合料車轍試件，而后隨著潛熱瀝青混合料同空氣溫差與基質(zhì)瀝青混合料同空氣溫差的減小，二者溫升速率逐漸接近，最后趨于相等.

2.4 室外調(diào)溫效果評價

對摻5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）有機相變材料的潛熱瀝青混合料進行室外試驗，結(jié)果見圖9.由圖9（a）可以看出，隨著時間的延長，基質(zhì)瀝青混合料車轍試件和潛熱瀝青混合料車轍試件的溫度都是先升后降，且前者的溫度始終高于后者，但曲線波動較大，這主要是由于風(fēng)速、太陽輻射強度的不斷變化引起的；由圖9（b）可以看出，隨著時間的延長，基質(zhì)瀝青混合料車轍試件和潛熱瀝青混合料車轍試件的溫差不斷增大，第160min時二者溫差達(dá)到最大值3.4℃，延緩溫升效果不理想.這主要是由于潛熱瀝青混合料沒有達(dá)到整體相變溫度（根據(jù)室內(nèi)試驗為58.5～60.5℃），車轍試件內(nèi)部大部分復(fù)合相變材料的相變吸熱潛能尚未得到有效發(fā)揮，因此延緩溫升效果不明顯.

圖9 室外調(diào)溫效果試驗結(jié)果Fig.9 Results of outdoor temperature－controlling experiment

3 結(jié)論

（1）有機相變材料的“直接摻入”，對相變改性瀝青混合料的3大指標(biāo)影響較大.

（2）利用“加熱導(dǎo)入法”及“抽真空導(dǎo)入封裝法”分別將有機相變材料導(dǎo)入無機多孔介質(zhì)材料，制備出粉末狀和粒狀復(fù)合相變材料，這兩種摻入方法由于無機材料的屏蔽作用，減弱了對混合料性能影響，并且摻入量大，較“直接摻入法”調(diào)溫效果明顯.

（3）室內(nèi)模擬試驗結(jié)果表明，當(dāng)有機相變材料摻量為5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時，潛熱瀝青混合料與基質(zhì)瀝青混合料的最大溫差為7.6℃，此時對應(yīng)的整體相變溫度為59.1℃，表現(xiàn)出優(yōu)異的延緩溫升效果.

（4）室外試驗結(jié)果表明，當(dāng)有機相變材料摻量為5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時，潛熱瀝青混合料與基質(zhì)瀝青混合料的最大溫差為3.4℃.

強度更高和孔隙率更大骨料的開發(fā)和有機相變材料的導(dǎo)入和封裝工藝是筆者進一步要解決的問題；復(fù)合相變材料長期的穩(wěn)定性也是需要考慮的問題之一；同時，有機相變材料的摻入對潛熱瀝青混合料路用性能的影響以及為減小影響而需要提高的技術(shù)手段都是今后需要解決的問題.

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