相變微膠囊對瀝青混合料溫度場的調節作用研究

李莉霞

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

瀝青是一種溫度敏感型材料，高低溫都會顯著影響其性能，而瀝青的性能又會對瀝青混合料的性能產生重大影響[1]。夏季高溫時，瀝青路面會發生諸如車轍、擁包等高溫病害，冬季低溫時，瀝青路面會產生裂縫等病害，嚴重影響其服役性能。

相變材料是一種在環境溫度變化時，以潛熱形式吸收或放出熱量而維持自身溫度不變的材料[2]。近年來，眾多學者在將相變材料應用到道路工程這一領域做了很多探索性工作。胡曙光等人[3]在瀝青混合料中加入聚乙二醇這種相變材料，研究了相變材料作用下瀝青混合料的溫度敏感性。張一博等人[4]利用差示掃描量熱法（DSC）、熱失重分析法（TGA）、傅里葉變換紅外光譜法（FTIR）等對多種相變材料進行了研究，最終發現聚乙二醇4000作為相變材料加入瀝青混合料中，有著良好的路用性能。馬團隊[5-8]率先將固-液相變材料應用到了道路工程中，研發了自調溫相變材料，并對其微觀性能、宏觀性能、力學性能、熱學性能、路用性能進行了大量的研究。

現有研究表明，固-液相變材料最適用于道路工程。然而，固-液相變材料在發生相變后，由于其流動態會造成泄漏，影響其相變功能的發揮[9-10]。針對現有研究的不足，本研究創新性地將相變材料進行定形，以解決其泄漏問題，使其路用性能更佳。

1 材料及制備工藝

1.1 材料

1.1.1 瀝青

瀝青采用SBS（Ⅰ-C）改性瀝青，其各項性能均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）。瀝青各項指標如表1所示。

表1 改性瀝青技術指標試驗結果

1.1.2 礦料

粗集料為閃長巖碎石，細集料為機制砂，礦粉為石灰巖磨細礦粉。各檔集料和礦粉性能均滿足規范要求。

1.1.3 級配

由于瀝青路面表面層受溫度影響最明顯，所以相變材料主要應用于瀝青路面表面層，故本研究混合料為常用于瀝青路面表面層的AC-13混合料，其級配曲線如圖1所示。

圖1 混合料級配曲線

1.1.4 相變材料

相變材料為微膠囊復合材料，如圖2所示，由囊芯材料及包裹囊芯材料的囊壁材料組成。囊芯材料為工業級正十五烷，其差示掃描量熱曲線如圖3所示。囊壁材料為環氧樹脂、固化劑、二氧化硅、乙基纖維素組成的復合材料。在制備過程中，需要對囊壁材料進行溶解以便充分混合，介于此，溶劑采用無水乙醇。

圖2 相交微膠囊

圖3 相變材料差示掃描量熱曲線

1.2 制備方法

a）將相變材料與二氧化硅按一定的比例混合，攪拌均勻后抽真空，使相變材料充分填充到二氧化硅蓬松的孔隙中。

b）使用無水乙醇溶解乙基纖維素，將吸附了相變材料的二氧化硅放入溶液中攪拌，直至混合物變為凝膠態。

c）將前述凝膠態混合物攤鋪、晾干。

d）將晾干的相變材料放入環氧樹脂中，選擇對應的固化劑，在80℃下，以300 rad/min的速度攪拌2 min。

e）使用切刀將混合物切割成粒狀，即為定形的相變微膠囊。經篩分試驗，相變微膠囊的粒徑介于2.36～4.75 mm 之間。

2 測試方法

2.1 相變微膠囊自身控溫效果測試

將相變微膠囊澆筑成直徑為7.5 cm，高度為7.5 cm的圓柱體試件，在澆筑過程中埋入溫度傳感器，接入32通道巡檢儀中，每隔1 s采集一次溫度。為保證試驗的嚴謹性，每組試驗澆筑4個樣品，同時進行平行試驗，在澆筑時一次成型，中間不得間斷。

圖4 32通道巡檢儀

取2 L的圓柱形不銹鋼桶，在外面裹覆保溫棉，阻止熱量散失。在不銹鋼桶中倒入65℃的熱水，待溫度降到60℃時，開始采集數據。

2.2 瀝青混合料溫度變化測試

將瀝青混合料按照規范制作成標準馬歇爾試件，分別按照混合料質量的5%、7.5%和10%摻加相變微膠囊。考慮到相變材料對瀝青混合料級配的影響，在添加相變材料時，等體積替換2.36～4.75檔粗集料。將標準馬歇爾試件外側用保鮮膜包裹，避免試件和熱水的直接接觸對試驗結果造成影響，按照3.1所述方法進行溫度變化測試。

3 結果

3.1 相變微膠囊溫度變化結果

相變微膠囊溫度變化結果如圖5所示。

圖5 相變材料時間-溫度曲線

如圖5所示，在試驗開始后，4個平行試件吻合度良好，幾乎重合，表明試驗結果具有良好的穩定性和可靠度。在試驗開始大約2 300 s左右，相變微膠囊溫度上升速率明顯減緩，開始出現明顯的“平臺期”。這是由于環境溫度達到了相變微膠囊相變的起始溫度，相變微膠囊開始以潛熱的形式吸熱，將吸收的熱量儲存在自身體內，而溫度不再發生變化，這在升溫曲線上表現為“平臺期”，這也是相變微膠囊能夠調節路面溫度的機理所在。在大約4 000 s后，相變微膠囊相變過程結束，繼續以顯熱的形式吸收熱量，溫度開始繼續升高。

3.2 瀝青混合料溫度變化結果

瀝青混合料溫度變化曲線如圖6所示。

圖6 瀝青混合料時間-溫度曲線

如圖6所示，摻了相變微膠囊的瀝青混合料，在升溫過程中，升溫速率小于未摻相變微膠囊的瀝青混合料，且摻量越大，升溫速率越慢，具體表現為摻加了相變微膠囊的瀝青混合料溫度隨時間變化曲線的斜率小于未摻相變微膠囊的瀝青混合料溫度隨時間變化曲線斜率。在同一時刻，摻了相變微膠囊的瀝青混合料溫度低于未摻相變微膠囊的瀝青混合料，具體表現為同一時刻摻加相變微膠囊的試件溫度低于未摻相變微膠囊的瀝青混合料，表明相變微膠囊對瀝青混合料具有良好的調溫效果。但是摻加了相變微膠囊的瀝青混合料溫度上升曲線并不會存在一個明顯的平臺，這是由于相變微膠囊僅作為一種外摻劑，且其摻量較小，所以在混合料中不會像在純材料中出現升溫平臺。由于相變材料對瀝青混合料溫度的調節作用，在夏季高溫時，相變微膠囊以潛熱形式儲溫，吸收熱量但溫度保持在一個恒定的區間，由于相變微膠囊吸收了部分熱量，瀝青混合料能以較慢的速率升溫，避免了熱量在混合料內部的累積，從而大大減少了瀝青路面發生車轍、擁包、推移等病害，繼而提高了其服務水平和服役性能。

4 結論

a）相變微膠囊可以以潛熱形式吸收熱量，進而調節瀝青混合料的溫度場，減緩高溫季節瀝青混合料溫度上升速率，避免或減輕由于高溫導致的瀝青路面病害。

b）相變微膠囊對瀝青溫度場的調節跟摻量有關，摻量越大，調溫效果越好。但還應兼顧經濟性和其他路用性能。