相变沥青混合料的研究及应用进展

(长安大学公路学院 陕西 西安 710064)

相变沥青混合料的研究及应用进展

王瑞

(长安大学公路学院陕西西安710064)

相变材料应用于沥青混合料，能够主动调控沥青路面温度，从而大幅度减弱外界环境温度对沥青路面的不利影响。本文对常见道路相变材料及其制备方法进行介绍，对相变材料在沥青混合料中的具体应用进行了阐述，并提出了未来的研究重点。

相变材料；沥青混合料；道路工程

一、引言

相变材料(Phase Change Materials)，简称PCM，指随温度变化而改变物理状态并提供相变潜热的物质。相变材料在相变过程中能够以潜热的形式将热量储存或释放，因而具有储热和调温的性能，现已广泛应用于航天、服装、建筑等领域[1]。

沥青路面以其行车舒适、施工期短等优点成为我国应用最为广泛的高等级路面结构，但沥青路面受环境温度的影响较大，在高温环境下易形成车辙、推移、拥包等病害，在低温环境下易产生低温裂缝等病害，从而极大程度上影响了沥青路面的使用性能和服务水平[2]。近些年国内外一些学者借鉴相变材料在其他领域的成功经验，将其应用到沥青混合料中，利用相变材料在升温过程中贮存热能,降温过程中释放热能的性能,主动调控沥青路面温度，以期从根本上解决外界环境温度对路面的影响[2]。因此相变材料在道路工程领域有着良好的应用前景。

本文总结了常用道路相变材料、制备方法及应用要求，并概述了相变材料在沥青混合料中的研究进展，最后阐述了相变沥青混合料中的应用前景及研究方向。

二、道路相变材料的技术要求

在物理性质方面：1.良好的导热性能；2.优良的储热能力；3.相变过程中不存在过冷和降解现象；4.适宜的相变温度；5.蒸汽压低且体积变化小。

在化学性质方面：1.优良的化学稳定性；2.与沥青的相容性好；3.安全环保。

在施工方面：1.材料成本低且易获取；2.生产工艺简单，适宜于施工现场大规模生产。

三、常用道路相变材料

根据相变材料的组成成分，相变材料一般可分为有机相变材料、无机相变材料和混合相变材料3种。目前我国道路工程中应用最广的相变材料主要有三类[3]：

1.聚乙二醇类，聚乙二醇类材料具有合适的相变温度，较好的导热系数，热稳定性较好；2.烷烃类，烷烃类相变材料具有储热能力大，化学性质稳定，相变范围稳定，过冷度小，无腐蚀等优点，满足道路用相变材料的技术要求；3.石蜡类，价格低廉、材料易得，除了固-液相变还存在固-固相变，储热能力大，是最常用的一种相变材料，但对沥青影响较大，故只适用于微胶囊技术。

四、相变沥青混合料的研究进展

根据沥青混合料的特性,相变材料在沥青混合料的应用主要为以下两方面:①相变材料作为改性剂；②相变材料替代部分细集料。

(一)相变材料作为改性剂

胡曙光等验证了聚乙二醇(PEG)应用于沥青混合料的可行性，PEG被作为改性剂加入基质沥青，对沥青和沥青混合料的基本性能及温度敏感性进行测定，结果表明随聚乙二醇的掺入量增加，改性沥青高温稳定性得到较大改善，但延度等低温性能明显降低[4]。万路对相变材料对沥青流变性能的影响进行了研究，采用“直接掺入”的方式制备相变改性沥青，通过DSR测定流变性能，表明改性相变沥青不同相变材料均会对沥青的抗车辙性产生不利影响，掺量越多，影响越大[5]。

(二)相变材料替代部分细集料

谭忆秋等选择棕榈酸、PEG4000和肉豆蔻为复合相变材料，分别采用“直接掺入”、“加热导入”、“真空吸附”三种方法制备成相变改性沥青、硅藻土粉末状和陶砂粒状复合相变材料，通过太阳光热温控箱来进行模拟外界环境试验，结果表明“直接掺入”法对沥青三大指标影响较大，“加热导入”和“真空吸附”两种方法对沥青混合料性能影响较小且调温效果更明显，相变材料掺量为5%(质量分数)时的延缓温升效果最明显[6]。瑞典X.Cocu等进行了有关相变材料抑制沥青路面结冰的效果分析，将相变材料与Si02复合以替代部分集料，制备成大孔隙率(空隙率大于20%)沥青混凝土，结果显示：该相变沥青混凝土结冰效果较好，但相变材料易于泄露以致对沥青混凝土的性能产生较大影响，但为保证沥青混凝土的基本性能，相变材料的掺入量控制在较低范围，以致除冰雪效果欠佳[7]。畅玉皎根据不同温度对路面的不同影响，提出了相变材料高温序列调温范围为35℃～50℃，低温序列为-5℃～5℃，并依据已有的相变微胶囊制备方法,通过室内试验，采用热力学分析和数学分析的方法，得出各调温序列在不同材料及不同比例的相变材料下的变化规律[8]。刘丰玮根据掺加相变微胶囊的沥青混合料建立了室外立方体模型并对模型温度分布情况进行测试，提出了潜热积温值和潜热调温指数作为相变微胶囊调温效果的评价指标[9]。

五、结语

相变沥青混合料作为道路工程领域中的一种新型材料，通过其储能调温机理能够主动调控路面温度，从而改善外界环境温度对于道路的不利影响，具有良好的应用前景。但相变沥青混合料应用于实际工程中仍存在不少难点，因此以后的研究重点主要在以下几方面：(1)对复合相变材料的制备工艺进行研究。防止相变材料泄漏及挥发，保证相变材料在沥青混合料生产施工中的稳定性；优化工艺、降低成本，保证相变沥青混合料能够大规模生产。(2)对相变沥青混合料的路用性能进行研究，分析相变材料在提升沥青混合料温度稳定性的同时，对力学性能、耐久性等性能的影响。(3)对掺有相变材料的沥青路面的施工工艺进行研究，从相变材料的制备方式、混合料的配合比设计及拌合、摊铺碾压、施工质量控制等方面展开研究。(4)对相变材料解决路面低温问题进行研究，分析相变材料应用于自融雪路面，热熔雪路面的可行性。

[1]徐祖耀，材料相变[M].北京：高等教育出版社，2013:1-2

[2]沈金安,沥青及沥青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社,2000:270-275

[3]马骉，王晓曼，李超，等.相变材料在沥青混凝土路面中的应用前景分析[J].公路.2009,12:115-118

[4]胡曙光，李潜，黄绍龙，等.相变材料聚乙二醇应用于沥青混合料可行性的研究[J].公路.2009(7):291-295

[5]万路.相变控温沥青混凝上的制备与性能研究[D].武汉:武汉理工大学，2012

[6]谭忆秋，边鑫，单丽岩，等.路面潜热材料的制备与调温性能研究[J].建筑材料学报，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]畅玉皎.公路用微胶囊型相变调温剂序列与中试研究[D].西安:长安大学，2013

[9]刘丰玮.微胶囊相变调温剂调温指标与效果评价研究[D].西安:长安大学，2014

王瑞(1992-)，男，长安大学公路学院硕士研究生，道路与铁道工程专业。