相變材料在瀝青工程中的應用研究

譚棟杰,劉榮華

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司,上海 200092)

0 引言

瀝青路面因為行車舒適性好、經濟性高、施工簡單,維修成本低等優點而被廣泛應用到高速公路中。但瀝青是一種典型的溫度敏感性材料,在夏季高溫氣候下,瀝青路面會吸收大量的熱量而引起路面溫度迅速上升,進而影響瀝青路面的技術性能,在車輛荷載的作用下,造成瀝青路面出現車轍、泛油、麻面及坑槽等病害,這不僅會對交通造成嚴重的影響,也增大了瀝青路面的后期養護成本,因此有必要尋找一種能夠解決瀝青路面在夏季高溫氣候條件下而引起病害的方法。

1 相變材料

潛熱儲能技術是近些年來在節能領域廣泛應用的一種熱能儲存方式,而相變材料(Phase Change Materials, PCMs)是最有效的蓄能密度高的潛熱儲能材料,能在幾乎等溫條件下實現緊湊的儲能功能,蓄熱和放熱之間的溫差小[1]。它是基于材料在相變過程中,材料自身吸收或釋放熱量而保持自身溫度不變,從而改變環境溫度或者儲存能量。相變材料從宏觀上可分為固-液類、固-氣類、氣-液等幾種類型,其中固-液類相變材料因其儲能密度高、過冷度小、體積變化下,導熱率高等特點而被廣泛采用。在常用的固-液類相變材料中,有機類材料,如聚乙二醇、脂肪酸、石蠟等相變材料因環保、價格低廉、相變溫度可調節、穩定性良好等特點而受到建筑與公路節能領域的關注。

2 復合相變材料

雖然有機類相變材料具有諸多優點,但在使用的過程中卻存在一個不可避免的難題,即在相變過程中,材料會從常溫下的固態轉變為流動液態,不僅會造成相變材料的泄露,也會破壞周圍環境,這無疑不利于其進一步應用。因此,眾多學者針對有機類相變材料這一缺點做出了大量的研究工作。目前最為普遍的方法就是借助核-殼結構的原理,將有機相變材料通過特定的方法將其封裝到定形載體的結構中,常用的定形載體材料有多孔二氧化硅、膨脹石墨、納米硅藻土、石墨烯氣凝膠等。這些載體大多具有豐富的三維多孔結構,可在分子間作用力、范德華力、氫鍵等形式的作用力下,將相變材料牢牢地吸附在其孔狀結構中,使其在相變過程中,宏觀上不會產生泄露,進而起到定形效果。

3 相變材料在瀝青工程中的應用現狀

近些年,為解決瀝青路面的高溫病害問題,一些公路研究人員進行了相關研究,將復合定形相變材料通過物理共混法添加至瀝青或者瀝青混合料中,探究其對瀝青路面溫度的影響。用相變材料建成的瀝青路面,憑借其吸熱儲能的特點,可延緩或阻礙路面溫度的溫度峰值,避免其在高溫條件下溫度過高,從而避免其產生溫度病害。

何麗紅等人[2]對相變材料在瀝青工程中的應用做出了深入的探究。通過一系列篩選條件與應用標準,優選出相變儲能密度高、價格低廉及相變溫度適宜的有機類固-液相變材料PEG2000,并將其與硅溶膠復合制備出復合定形相變材料PEG/SiO2。DSC、TG及FT-IR等試驗表明,PEG/SiO2的相變焓達到118J/g,相變溫度介于42.8～60.1℃范圍內,并且該種新型復合相變材料的熱穩定性良好,能保持在200℃的溫度范圍內不分解,即保證了其在熱拌瀝青混合料中應用的可行性。最后將PEG/SiO2摻入到瀝青混合料中,通過室外與室內溫度模擬試驗,發現相變材料能夠在瀝青混合料中發揮儲熱降溫的作用,當PEG/SiO2的摻量為5%時,瀝青混合料的試件溫度下降高達5.8°C；馬骉等人[3]對有機固液PCMs與瀝青混合料的混合進行了大量研究,根據他們的研究成果,有機類相變材料雖然對于降低瀝青路面的溫度有著良好的效果,但是卻會對瀝青路面的路用技術性能造成一定程度的不利影響。研究結果還表明,在瀝青混合料的拌合過程中,有機類PCMs能夠軟化瀝青粘結劑,盡管二氧化硅作為定形支撐材料可在一定程度上防止PCMs的溶解,但是當瀝青混合料的拌合溫度超過140℃時,固態的PCMs在吸收過多的熱量后會變軟,并且部分還會從二氧化硅的多孔結構中滲漏出來,這種現象對瀝青混合料的儲熱能力有較大影響,并且還會削弱瀝青路面的使用性能。汪莎莎等人[4]采用物理吸附法,制備出一種相變焓約為81J/g的新型復合相變材料,再將其作為一種改性劑摻加至瀝青混合料中,試驗結果表明,相變瀝青混合料在相同升溫條件下的升溫速率有所降低,能夠起到儲熱降溫的作用,但與此同時,瀝青混合料的高溫抗車轍性能、低溫抗開裂性能以及抗水損害性能均出現不同程度的下降。

4 相變材料在瀝青工程中的應用展望

總上所述,利用相變材料蓄能儲熱的特性可將其應用到瀝青混合料中,達到調溫儲熱的作用,可有效改善夏季高溫氣候下瀝青路面因高溫而產生的病害問題及緩解城市熱島效應。但若將其直接應用到瀝青工程中,必須解決其相變過程中易泄露的問題,而當前的方法雖然可以在一定程度上封裝PCM,但是在瀝青熱拌合的過程中,因溫度過高,相變材料往往會吸收過多的熱量而出現泄露。但瀝青路面在長期服役的過程中,往往要經受行車荷載反復作用、冰雨雪天氣等惡劣條件,因而這對復合相變材料的應用環境無疑提出更大的挑戰。若是將相變材料的摻量提高,雖然有利于調節瀝青混合料的溫度變化,但卻對瀝青混合料的路用性能會造成不利影響；若是將相變材料的摻量控制在較低的范圍,其蓄熱控溫的功能又會大打折扣,這無疑是眾多瀝青公路研究者不得不考慮的問題。