相变材料在沥青混凝土中的研究现状

赵雯慧，胡楷宇，张非凡

河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210098

1 引言

近年来，沥青路面在高等级路面中所占比例逐渐增大。但沥青路面也存在显著缺点，沥青属温度敏感型材料，夏天路表温度会达到70～80℃，沥青路面会在行车荷载作用下形成车辙，大大影响了行车的安全性。目前，国内外主要通过沥青改性、优化级配及洒水降温等方式，降低路表温度。但这些均属于被动应对沥青路面温度变化的方法，有一定的局限性。

相变材料是一种可调节周围温度的绿色储能材料。相变材料可通过发生熔融相变，吸收周围热量，调控沥青路面温度，从而主动改善因温度过高而引发的车辙等病害，提高沥青路面的耐久性。本文基于相变机理分析了相变材料的植入方式对沥青混凝土路面控温效果的性能影响，并提出了未来的研究重点。

2 相变材料

相变材料具有高效的潜热能力，已在建筑、化工、航天等领域得到广泛应用，但相变材料在道路工程领域的应用尚处于初级阶段。为了更好的服务于道路工程领域，相变材料还需具备以下特性：

（1）合适的相变温度：相变温度应与沥青的软化点和路面的高温温度相匹配。当路面温度达到相变材料的相变温度时，材料开始发生熔融相变，吸收路面的热量，延缓路面温度的上升速率。

（2）较高的相变潜热：相变材料具有高密度的特点，可减少相变材料在混合料中的体积占比，降低因相变材料的过度掺入对沥青路面路用性能产生不利影响。

（3）较小的膨胀收缩性：相变材料在吸放热过程中会产生收缩膨胀，若体积变化较大，沥青混合料容易产生微裂缝。

（4）化学稳定性：相变材料应具备不易降解和不与沥青等物质发生化学反应的特点，且相变过程应可逆。

3 植入方式

与水泥混凝土路面和建筑行业不同，沥青路面需经过高温拌合、成型碾压、承受行车荷载，极易使相变材料发生泄露和挥发，为了避免上述问题，应考虑利用载体将相变材料掺入沥青混凝土中。

3.1 微胶囊型

微胶囊相变材料是利用微胶囊技术将相变材料包裹于核壳结构内的一种新型相变材料，在医学、食品、化工等领域得到了广泛的应用。微胶囊由壁材和芯材构成，其中壁材需具有致密度高、性能稳定、成膜性好、与内部材料相兼容等特点。芯材是壁材内部包裹的物质，直接影响微胶囊的使用性能，适用于具有挥发性、易分解的材料。微胶囊相变材料由于具有一层壳物质，对内部包裹的材料具有保护性和阻断性，在不易受到外界影响的同时，也使壳内物质不易逸出造成泄露，提高了材料的稳定性。

3.2 物理吸附法

物理吸附法是指多孔材料对分散成小颗粒的相变材料具有分子引力，从而将相变颗粒吸附于多孔材料上，避免相变材料因固液转化发生泄露。由于多孔材料密度较低，内部孔隙中含有大量气泡，所以应在真空条件下充分吸附相变材料。多孔材料具备渗透性好、强度高、导热性能高、传热速率快的特点。物理吸附法因其工艺简单，价格便宜，绿色环保，目前已成为制备定形相变材料的主要方式。

3.3 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是将高活性组分的化合物混合在液相中，进行一系列化学反应后，形成稳定的溶胶体系，使相变材料均匀分布于此体系中，随着溶胶体系逐渐干燥脱水，相变材料与溶剂一起形成具有三维网格结构的凝胶。相变材料经溶胶-凝胶法脱水“封装”后，可稳定存在于凝胶体系的三维网格结构孔隙中，无法逸出。和物理吸附法相比，溶胶-凝胶法制备的复合相变材料具有高纯度、稳定性高、均匀性好的特点，而且彻底地解决了相变材料易泄露的问题，充分发挥了相变材料的优良潜热性能。但这种方法也存在一些不足，如工艺较复杂，原材料较昂贵，凝胶过程所需时间较长等。

3.4 灌入式相变沥青混凝土

灌入式相变沥青混凝土是指将含有相变材料的水泥浆体灌入至已成型的大孔隙沥青混凝土中。由于水泥强度较高和石料间紧密连接形成嵌挤作用，灌有水泥浆体的沥青混合料的强度明显高于未灌浆的沥青混合料；水泥浆体和沥青混合料形成的密实结构也一定程度上起到了防水的作用，对防止沥青路面的水损害具有较好的效果；水泥浆体的灌入，会使沥青混凝土的表面颜色偏白，降低路面的吸热系数，从而显著降低了路面的升温速率。但水泥水化造成的不利影响也不容小觑，水泥在水化过程中会体积收缩并释放大量水化热，若体积收缩过大会造成路面开裂，可通过加入一些减水剂、膨胀剂等外加剂，降低水泥水化引起的干缩裂缝的影响，提高整体强度和稳定性。

4 应用现状

近年来，诸多研究学者将相变材料通过上述方法添加至沥青或沥青混合料中，研究了其对沥青路面控温效果的影响。闫瑾等［1］对微胶囊型相变材料进行了80 次升降温试验，相变材料无任何衰减，相变开始温度为9.5℃，结束温度为45℃，均低于沥青的软化点，表明将微胶囊相变材料应用于沥青路面可以长期有效的延缓路面升温速率。程耀飞［2］对掺有PEG/SiO2FSPCMs 的沥青混合料进行了室外试验，发现掺量越大降温越多，在5%掺量下可降低6℃，说明制备的复合相变材料室外降温效果良好。仁瑞［3］利用溶胶-凝胶法制备的PEG/TiO2/石墨烯复合相变材料，组分间不发生化学反应，相变材料潜热较高，可应用于道路工程中。武汉理工大学万路［4］研究了灌入含有相变材料的水泥浆体后的沥青混凝土的控温性能，发现掺有相变材料的内部温度较未掺有相变材料的沥青混凝土降温明显。

5 结束语

综上所述，相变材料应用于沥青混合料中主动调控路面温度的方式是可行的，为改善路面车辙病害提供了一种新的思路。但相变材料在沥青混合料的应用中仍存在诸多问题，如相变材料在固液转化中的泄露问题，相变材料的植入对沥青混合料路用性能的影响等。为了实现相变材料在实际道路工程中的应用，未来应重点开展对掺有相变材料的沥青混合料施工工艺的研究，同时应关注相变材料在实际工程中长期发挥潜热能力的稳定性和耐久性。