相变材料在调温沥青路面中的研究进展

陆美荣（上海市建筑科学研究院有限公司， 上海 201108）

随着我国公路事业的迅速发展，沥青路面以行车舒适、平稳和噪声低等水泥混凝土路面难以替代的优点被广泛运用。据统计，我国现有公路中沥青路面约占 85%，已成为我国铺装道路中最主要的路面形式。随着全球气候变暖，我国夏季炎热地区气温往往超过 35 ℃ 甚至在 40 ℃ 以上。由于沥青是一种黑色吸热的温度敏感性材料，吸收阳光辐射后表面温度会超过 60 ℃，导致沥青路面产生车辙、拥包、推挤等热稳性病害，严重影响了沥青路面的路用性能。

为了缓解沥青路面的高温病害，研究人员从提高材料的热稳定性着手，研究了沥青改性[1-3]、优化矿料配比[4]、添加纤维材料等技术对沥青胶浆性能的影响。其研究结果的运用对沥青路面的高温病害有所缓解，但多年来沥青路面病害情况仍然严峻。近年来，相变材料（Phase Change Material，PCMs）在道路温度控制领域的应用逐渐引起了人们的关注。相变材料在相变过程中可以吸收或释放大量的热能，但温度不变，是一种优良的储能材料。本文对相变材料及定形相变材料进行概述，重点阐述了相变材料的掺入对沥青胶浆及沥青路面性能影响的研究进展，总结了相变材料在当前研究与应用中存在的问题，并对未来发展前景提出展望。

1 相变材料的概述

按相变材料的成分划分，相变材料可分为无机类、有机类和定形相变材料。无机类相变材料主要包括结晶水合盐、熔融盐和金属及其合金[5-7]。无机类中应用最为广泛的结晶水合盐，是通过在受热时将结晶水脱去，实现对热量的吸收储存，而温度降低时又会吸收水分，将储存的热量释放出来，其相变温度范围较宽（0～130 ℃）。有机相变材料化学性质稳定，在相变过程中不会出现过冷现象，且具有良好的耐腐蚀性能[8-9]。常见的有机类相变材料有石蜡、多元醇类、糖醇类、酯酸类等。

一般情况下，PCMs 直接加入到沥青混合料中会降低沥青的抗车辙性能[10]，且会导致 PCMs 在相变过程中泄露，影响沥青路面的延展性[11]。定形相变材料主要是指通过技术手段将相变材料以核壳结构、多孔材料为载体的形式进行封装的复合相变材料[12]。定形相变材料可防止发生相变时材料的泄露，保持工作物质的不流动性和材料的可加工性。目前，复合相变材料主要有微胶囊相变材料和多孔吸附载体复合材料。其主要制备方法有多孔吸附法、高分子聚合法、溶胶-凝胶法和微胶囊法等[13-14]。其中，物理吸附法由于制备工艺简单，制备的复合相变材料潜热高、成本低，因此该方法是制备形状稳定相变材料和封装相变材料最广泛使用的方法之一。

2 相变材料在调温沥青路面的应用研究

2.1 调温沥青路面用相变材料优选

与建筑用相变材料相比，调温沥青路面用相变材料应具备更严苛的技术指标和要求。① 合适的相变温度区间。相变材料的相变温度区间应与沥青软化点以及室外环境温度适应。② 具有高潜热值。相变材料能够在达到相变温度时吸收或释放一部分能量，使得沥青路面温度得到改善。③ 热稳定性良好。相变材料应具有较大的密度、比热容和导热系数，利于路面结构中降温、热量传递与存储[15]。

2.2 相变材料对沥青胶浆性能的影响

沥青胶浆在沥青混合料中占比较小，但其作为胶结料在沥青混凝土的路用性能中起着重要的作用。许多科研人员基于此开展了一系列相变材料对沥青胶浆性能影响的研究工作，如武汉理工大学万路[16]关注相变材料用于沥青路面降温，研究了相变材料的种类、掺量对沥青胶浆性能的影响。其研究结果表明：掺入相变材料会使沥青的黏度降低，且随着掺量的增加，沥青的黏度越低。在未达到相变温度时，随着相变材料掺量的增加，沥青胶浆的复数模量越大；当温度达到或高于相变温度时，随着相变材料掺量的增加，沥青胶浆的复数模量越小。CHEN M Z 等[17-19]在利用相变材料制备相变沥青胶浆的同时，研究了相变材料对对沥青温度敏感性的影响。研究结果表明：掺入相变材料能够提高沥青温度敏感性，而改性后的相变材料可改善这一现象；制备得到的月桂酸/有机改性蒙脱土复合相变材料能够使沥青胶浆变硬，具有温度滞后效应。

2.3 相变材料用于调温沥青路面

道路工作者们尝试将相变储热材料用于公路工程，开发相变调温沥青路面材料，进而实现沥青路面的主动调温功能，缓解沥青路面因高温导致的路面病害。此类相变材料在沥青路面中的应用研究大部分仍均处于室内初期探索阶段。

胡曙光等[20]验证了相变材料聚乙二醇（PEG）在沥青混合料中应用的可行性。通过对聚乙二醇改性沥青和沥青混合料基本性能的影响研究，发现随着聚乙二醇掺量的增加，改性沥青稠度越大，但延度和软化点都有所下降，室外试验表明在 39 ℃ 的日照条件下用相变改性沥青拌和的沥青混凝土路面路表温度能够降低 9 K。

张圆圆等[21]采用原位聚合法制备了以月桂酸-肉豆蔻酸-棕榈酸-硬脂酸（LA-MA-PA-SA）四元低共熔脂肪酸为芯材，以三聚氰胺改性酚醛树脂为壁材的复合相变微胶囊。制备得到的微胶囊表面光滑、粒径分布均匀、包裹率较高，且芯材和壁材仅以物理嵌合使其具有良好的储热性能和热稳定性。

WEI K 等[22]用镍钛合金相变储能颗粒（NiTi APCEP）部分替代沥青细集料，制备了镍钛合金相变储能沥青混合料（NiTi APCHAM）。其研究表明：随着温度的升高，镍钛 APCHAM 的比热容会先升高后降低，主要是由于镍钛APCEP 的蓄热作用。随着取代率的增加，镍钛 APCHAM的导热系数呈线性增加趋势。在沥青混合料中加入 NiTi APCEP 可以降低日最高温度。在沥青混合料中增加镍钛APCEP 的掺量，有利于提高沥青混合料的相变蓄热调温能力。其中掺量为 6 % 时，镍钛 APCEP 的潜热温度调节效率达到最大值。随着镍钛 APCEP 含量的增加，沥青混合料的马歇尔稳定性（马歇尔试件在规定的温度和速度等条件下受压，测定沥青混合料的稳定度和流值等指标，是反映沥青混合料路用性能重要的评价之一）逐渐增强，低温弯拉应变逐渐减小。相反，镍钛 APCEP 的加入对沥青混合料的水稳定性没有影响。

长安大学马骉等[23]认为相变材料用于主动调控沥青混凝土路面与混合料的使用温度是可行的，并研究了复合形状稳定相变材料（CS-PCM）在沥青路面中的作用。研究结果表明：CS-PCM 的加入可以改善沥青路面的低温抗裂性，但是随着 CS-PCM 剂量的增加，马歇尔稳定性和动态稳定性降低。MA B 等[24]的进一步研究表明 CS-PCM 有效地降低了加热过程中的最高路面温度，并提高了冷却过程中的最低路面温度。掺和未掺 CS-PCM 的试件几乎同时达到温度峰值时，研究结果表明：添加 CS-PCM 不会影响沥青的峰值温度出现的时间。

CHEN M Z等[18]将相变材料添加到沥青中，研究 PCMs的添加对沥青路面车辙性能的影响，结果表明：PCMs 的掺入可以显著提高沥青的抗车辙性能。在抗车辙性能测试中发现，对比基础沥青的动态稳定度为 48～52 ℃ 时发生骤降，而添加 PCMs 的沥青车辙板在 55～60 ℃ 时发生骤降，出现骤降的原因是温度达到沥青软化点以上。因此，研究建议将峰值相变温度低于沥青软化点 3～5 K。

3 结 语

随着新能源开发储能技术的快速发展，节能储热技术的应用越来越广泛。相变材料作为一种储热型功能材料，在道路工程应用方面具有广阔的应用前景。近年来，相变材料在沥青混凝土路面应用领域，研究人员就相变储热材料的筛选、制备及应用等方面开展了一系列的研究工作，并取得了一定的研究成果，但仍然存在诸如相变材料与沥青的相容性、相变材料用于沥青路面的耐久性能等问题。试验研究由于试验条件、测试方法及相变材料的选择相对简单或单一，与实际需求还有一定的差距。在复合相变材料的制备工艺及相变材料的泄露损失、环境污染等方面，仍然存在较大的技术困难，需要进一步深入研究，以期早日将相变材料广泛应用于实际工程中。