相變材料在瀝青混凝土中的研究現(xiàn)狀

趙雯慧，胡楷宇，張非凡

河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098

1 引言

近年來，瀝青路面在高等級路面中所占比例逐漸增大。但瀝青路面也存在顯著缺點，瀝青屬溫度敏感型材料，夏天路表溫度會達到70～80℃，瀝青路面會在行車荷載作用下形成車轍，大大影響了行車的安全性。目前，國內(nèi)外主要通過瀝青改性、優(yōu)化級配及灑水降溫等方式，降低路表溫度。但這些均屬于被動應(yīng)對瀝青路面溫度變化的方法，有一定的局限性。

相變材料是一種可調(diào)節(jié)周圍溫度的綠色儲能材料。相變材料可通過發(fā)生熔融相變，吸收周圍熱量，調(diào)控瀝青路面溫度，從而主動改善因溫度過高而引發(fā)的車轍等病害，提高瀝青路面的耐久性。本文基于相變機理分析了相變材料的植入方式對瀝青混凝土路面控溫效果的性能影響，并提出了未來的研究重點。

2 相變材料

相變材料具有高效的潛熱能力，已在建筑、化工、航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但相變材料在道路工程領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于初級階段。為了更好的服務(wù)于道路工程領(lǐng)域，相變材料還需具備以下特性：

（1）合適的相變溫度：相變溫度應(yīng)與瀝青的軟化點和路面的高溫溫度相匹配。當路面溫度達到相變材料的相變溫度時，材料開始發(fā)生熔融相變，吸收路面的熱量，延緩路面溫度的上升速率。

（2）較高的相變潛熱：相變材料具有高密度的特點，可減少相變材料在混合料中的體積占比，降低因相變材料的過度摻入對瀝青路面路用性能產(chǎn)生不利影響。

（3）較小的膨脹收縮性：相變材料在吸放熱過程中會產(chǎn)生收縮膨脹，若體積變化較大，瀝青混合料容易產(chǎn)生微裂縫。

（4）化學穩(wěn)定性：相變材料應(yīng)具備不易降解和不與瀝青等物質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)的特點，且相變過程應(yīng)可逆。

3 植入方式

與水泥混凝土路面和建筑行業(yè)不同，瀝青路面需經(jīng)過高溫拌合、成型碾壓、承受行車荷載，極易使相變材料發(fā)生泄露和揮發(fā)，為了避免上述問題，應(yīng)考慮利用載體將相變材料摻入瀝青混凝土中。

3.1 微膠囊型

微膠囊相變材料是利用微膠囊技術(shù)將相變材料包裹于核殼結(jié)構(gòu)內(nèi)的一種新型相變材料，在醫(yī)學、食品、化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。微膠囊由壁材和芯材構(gòu)成，其中壁材需具有致密度高、性能穩(wěn)定、成膜性好、與內(nèi)部材料相兼容等特點。芯材是壁材內(nèi)部包裹的物質(zhì)，直接影響微膠囊的使用性能，適用于具有揮發(fā)性、易分解的材料。微膠囊相變材料由于具有一層殼物質(zhì)，對內(nèi)部包裹的材料具有保護性和阻斷性，在不易受到外界影響的同時，也使殼內(nèi)物質(zhì)不易逸出造成泄露，提高了材料的穩(wěn)定性。

3.2 物理吸附法

物理吸附法是指多孔材料對分散成小顆粒的相變材料具有分子引力，從而將相變顆粒吸附于多孔材料上，避免相變材料因固液轉(zhuǎn)化發(fā)生泄露。由于多孔材料密度較低，內(nèi)部孔隙中含有大量氣泡，所以應(yīng)在真空條件下充分吸附相變材料。多孔材料具備滲透性好、強度高、導熱性能高、傳熱速率快的特點。物理吸附法因其工藝簡單，價格便宜，綠色環(huán)保，目前已成為制備定形相變材料的主要方式。

3.3 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是將高活性組分的化合物混合在液相中，進行一系列化學反應(yīng)后，形成穩(wěn)定的溶膠體系，使相變材料均勻分布于此體系中，隨著溶膠體系逐漸干燥脫水，相變材料與溶劑一起形成具有三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的凝膠。相變材料經(jīng)溶膠-凝膠法脫水“封裝”后，可穩(wěn)定存在于凝膠體系的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)孔隙中，無法逸出。和物理吸附法相比，溶膠-凝膠法制備的復合相變材料具有高純度、穩(wěn)定性高、均勻性好的特點，而且徹底地解決了相變材料易泄露的問題，充分發(fā)揮了相變材料的優(yōu)良潛熱性能。但這種方法也存在一些不足，如工藝較復雜，原材料較昂貴，凝膠過程所需時間較長等。

3.4 灌入式相變?yōu)r青混凝土

灌入式相變?yōu)r青混凝土是指將含有相變材料的水泥漿體灌入至已成型的大孔隙瀝青混凝土中。由于水泥強度較高和石料間緊密連接形成嵌擠作用，灌有水泥漿體的瀝青混合料的強度明顯高于未灌漿的瀝青混合料；水泥漿體和瀝青混合料形成的密實結(jié)構(gòu)也一定程度上起到了防水的作用，對防止瀝青路面的水損害具有較好的效果；水泥漿體的灌入，會使瀝青混凝土的表面顏色偏白，降低路面的吸熱系數(shù)，從而顯著降低了路面的升溫速率。但水泥水化造成的不利影響也不容小覷，水泥在水化過程中會體積收縮并釋放大量水化熱，若體積收縮過大會造成路面開裂，可通過加入一些減水劑、膨脹劑等外加劑，降低水泥水化引起的干縮裂縫的影響，提高整體強度和穩(wěn)定性。

4 應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，諸多研究學者將相變材料通過上述方法添加至瀝青或瀝青混合料中，研究了其對瀝青路面控溫效果的影響。閆瑾等［1］對微膠囊型相變材料進行了80 次升降溫試驗，相變材料無任何衰減，相變開始溫度為9.5℃，結(jié)束溫度為45℃，均低于瀝青的軟化點，表明將微膠囊相變材料應(yīng)用于瀝青路面可以長期有效的延緩路面升溫速率。程耀飛［2］對摻有PEG/SiO2FSPCMs 的瀝青混合料進行了室外試驗，發(fā)現(xiàn)摻量越大降溫越多，在5%摻量下可降低6℃，說明制備的復合相變材料室外降溫效果良好。仁瑞［3］利用溶膠-凝膠法制備的PEG/TiO2/石墨烯復合相變材料，組分間不發(fā)生化學反應(yīng)，相變材料潛熱較高，可應(yīng)用于道路工程中。武漢理工大學萬路［4］研究了灌入含有相變材料的水泥漿體后的瀝青混凝土的控溫性能，發(fā)現(xiàn)摻有相變材料的內(nèi)部溫度較未摻有相變材料的瀝青混凝土降溫明顯。

5 結(jié)束語

綜上所述，相變材料應(yīng)用于瀝青混合料中主動調(diào)控路面溫度的方式是可行的，為改善路面車轍病害提供了一種新的思路。但相變材料在瀝青混合料的應(yīng)用中仍存在諸多問題，如相變材料在固液轉(zhuǎn)化中的泄露問題，相變材料的植入對瀝青混合料路用性能的影響等。為了實現(xiàn)相變材料在實際道路工程中的應(yīng)用，未來應(yīng)重點開展對摻有相變材料的瀝青混合料施工工藝的研究，同時應(yīng)關(guān)注相變材料在實際工程中長期發(fā)揮潛熱能力的穩(wěn)定性和耐久性。