相变材料在沥青工程中的应用研究

谭栋杰,刘荣华

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海 200092)

0 引言

沥青路面因为行车舒适性好、经济性高、施工简单,维修成本低等优点而被广泛应用到高速公路中。但沥青是一种典型的温度敏感性材料,在夏季高温气候下,沥青路面会吸收大量的热量而引起路面温度迅速上升,进而影响沥青路面的技术性能,在车辆荷载的作用下,造成沥青路面出现车辙、泛油、麻面及坑槽等病害,这不仅会对交通造成严重的影响,也增大了沥青路面的后期养护成本,因此有必要寻找一种能够解决沥青路面在夏季高温气候条件下而引起病害的方法。

1 相变材料

潜热储能技术是近些年来在节能领域广泛应用的一种热能储存方式,而相变材料(Phase Change Materials, PCMs)是最有效的蓄能密度高的潜热储能材料,能在几乎等温条件下实现紧凑的储能功能,蓄热和放热之间的温差小[1]。它是基于材料在相变过程中,材料自身吸收或释放热量而保持自身温度不变,从而改变环境温度或者储存能量。相变材料从宏观上可分为固-液类、固-气类、气-液等几种类型,其中固-液类相变材料因其储能密度高、过冷度小、体积变化下,导热率高等特点而被广泛采用。在常用的固-液类相变材料中,有机类材料,如聚乙二醇、脂肪酸、石蜡等相变材料因环保、价格低廉、相变温度可调节、稳定性良好等特点而受到建筑与公路节能领域的关注。

2 复合相变材料

虽然有机类相变材料具有诸多优点,但在使用的过程中却存在一个不可避免的难题,即在相变过程中,材料会从常温下的固态转变为流动液态,不仅会造成相变材料的泄露,也会破坏周围环境,这无疑不利于其进一步应用。因此,众多学者针对有机类相变材料这一缺点做出了大量的研究工作。目前最为普遍的方法就是借助核-壳结构的原理,将有机相变材料通过特定的方法将其封装到定形载体的结构中,常用的定形载体材料有多孔二氧化硅、膨胀石墨、纳米硅藻土、石墨烯气凝胶等。这些载体大多具有丰富的三维多孔结构,可在分子间作用力、范德华力、氢键等形式的作用力下,将相变材料牢牢地吸附在其孔状结构中,使其在相变过程中,宏观上不会产生泄露,进而起到定形效果。

3 相变材料在沥青工程中的应用现状

近些年,为解决沥青路面的高温病害问题,一些公路研究人员进行了相关研究,将复合定形相变材料通过物理共混法添加至沥青或者沥青混合料中,探究其对沥青路面温度的影响。用相变材料建成的沥青路面,凭借其吸热储能的特点,可延缓或阻碍路面温度的温度峰值,避免其在高温条件下温度过高,从而避免其产生温度病害。

何丽红等人[2]对相变材料在沥青工程中的应用做出了深入的探究。通过一系列筛选条件与应用标准,优选出相变储能密度高、价格低廉及相变温度适宜的有机类固-液相变材料PEG2000,并将其与硅溶胶复合制备出复合定形相变材料PEG/SiO2。DSC、TG及FT-IR等试验表明,PEG/SiO2的相变焓达到118J/g,相变温度介于42.8～60.1℃范围内,并且该种新型复合相变材料的热稳定性良好,能保持在200℃的温度范围内不分解,即保证了其在热拌沥青混合料中应用的可行性。最后将PEG/SiO2掺入到沥青混合料中,通过室外与室内温度模拟试验,发现相变材料能够在沥青混合料中发挥储热降温的作用,当PEG/SiO2的掺量为5%时,沥青混合料的试件温度下降高达5.8°C；马骉等人[3]对有机固液PCMs与沥青混合料的混合进行了大量研究,根据他们的研究成果,有机类相变材料虽然对于降低沥青路面的温度有着良好的效果,但是却会对沥青路面的路用技术性能造成一定程度的不利影响。研究结果还表明,在沥青混合料的拌合过程中,有机类PCMs能够软化沥青粘结剂,尽管二氧化硅作为定形支撑材料可在一定程度上防止PCMs的溶解,但是当沥青混合料的拌合温度超过140℃时,固态的PCMs在吸收过多的热量后会变软,并且部分还会从二氧化硅的多孔结构中渗漏出来,这种现象对沥青混合料的储热能力有较大影响,并且还会削弱沥青路面的使用性能。汪莎莎等人[4]采用物理吸附法,制备出一种相变焓约为81J/g的新型复合相变材料,再将其作为一种改性剂掺加至沥青混合料中,试验结果表明,相变沥青混合料在相同升温条件下的升温速率有所降低,能够起到储热降温的作用,但与此同时,沥青混合料的高温抗车辙性能、低温抗开裂性能以及抗水损害性能均出现不同程度的下降。

4 相变材料在沥青工程中的应用展望

总上所述,利用相变材料蓄能储热的特性可将其应用到沥青混合料中,达到调温储热的作用,可有效改善夏季高温气候下沥青路面因高温而产生的病害问题及缓解城市热岛效应。但若将其直接应用到沥青工程中,必须解决其相变过程中易泄露的问题,而当前的方法虽然可以在一定程度上封装PCM,但是在沥青热拌合的过程中,因温度过高,相变材料往往会吸收过多的热量而出现泄露。但沥青路面在长期服役的过程中,往往要经受行车荷载反复作用、冰雨雪天气等恶劣条件,因而这对复合相变材料的应用环境无疑提出更大的挑战。若是将相变材料的掺量提高,虽然有利于调节沥青混合料的温度变化,但却对沥青混合料的路用性能会造成不利影响；若是将相变材料的掺量控制在较低的范围,其蓄热控温的功能又会大打折扣,这无疑是众多沥青公路研究者不得不考虑的问题。