瀝青路面相變控溫技術研究現(xiàn)狀及展望

耿 巍，程恒通

（南京交通職業(yè)技術學院，江蘇 南京 211188）

瀝青路面是國內道路工程的主要路面形式，具有施工工藝成熟、燃油經濟性好、行車舒適度高、易于維修養(yǎng)護等顯著特點[1]。由于瀝青材料的路用性能受溫度影響較大，低溫環(huán)境下易造成瀝青材料脆化、裂縫，導致路面材料損失和抗滑能力下降等突出問題，高溫環(huán)境下易造成瀝青材料抗剪性能下降，導致泛油、擁包、車轍等病害出現(xiàn)，嚴重制約了瀝青路面的使用性能和道路服務水平，甚至影響到通行車輛的安全運行。同時，由于黑色路面的吸熱性能，也進一步加劇了城市“熱島效應”的惡化[2]。近年來，相關研究人員展開了大量的試驗研究工作，通過表面反射涂層反射熱量、低熱導系數(shù)材料阻隔熱傳導、相變材料儲存熱量等方式改善瀝青路面的溫度性能，其中瀝青路面相變控溫技術由于其良好的控溫、調溫效果，得到了廣泛的關注和研究[3-4]。本文綜述了近年來瀝青路面相變控溫技術的最新研究進展，分析比較了各類相變控溫技術的優(yōu)缺點，提出了下一步的研究方向。

1 相變材料

1.1 相變原理

相變材料（PCM，Phase Change Material）是指材料的相態(tài)隨環(huán)境條件變化而發(fā)生轉變的材料，目前研究應用主要集中于隨環(huán)境溫度變化而發(fā)生變化的材料，其轉變方式包括固態(tài)-固態(tài)、固態(tài)-液態(tài)、固態(tài)-氣態(tài)、液態(tài)-氣態(tài)之間的相態(tài)轉換，轉換的條件是環(huán)境溫度的升高或降低，同時伴隨著能量的吸收與釋放。發(fā)生相變現(xiàn)象的觸發(fā)溫度被稱為相變溫度，相變過程中的能量被稱為相變潛熱。

1.2 分類

相變材料按照其化學組成主要可分為有機類、無機類、多元復合類三類[5]，其中多元復合類是指由兩種或多種有機、無機材料通過特殊工藝加工而成的具有復合化學性質的材料。有機和無機材料的常用類型和主要優(yōu)缺點詳見表1[6]。

表1 有機和無機類相變材料的優(yōu)缺點

相變材料按照相變發(fā)生的溫度高低，以100℃、250℃為界可以分為高溫相變材料（相變溫度>250℃）、中溫相變材料（100℃<相變溫度<250℃）和低溫相變材料（相變溫度<100℃）[7]。

2 相變控溫技術研究現(xiàn)狀

2.1 有機相變材料“直摻”技術

有機相變材料“直摻”技術是指在瀝青或瀝青混合料中通過強制攪拌分散的方式直接摻入有機相變材料，從而改良瀝青感溫性能或改善瀝青混合料溫度特性，從而達到調節(jié)瀝青路面高、低溫性能的控溫技術。

胡曙光等研究了常用相變有機材料聚乙二醇在基質瀝青中摻入5%～30%的不同量后瀝青和瀝青混合料的性能變化，發(fā)現(xiàn)直接摻入量的增加對瀝青三大指標均有直接影響，特別是黏度增大和延度減小較為明顯，最終形成的瀝青混合料溫度敏感性有所改善，但軟化點溫度時的抗車轍性能有所下降[8]。雷寶財?shù)妊芯堪l(fā)現(xiàn)取代比例為5.1%的瀝青混合料溫度病害有所減少，但高溫穩(wěn)定性起伏較大，控溫效果有待提升[9]。萬路通過對兩種類別（PCM-45、PCM-50）、相變材料三個摻入量（3%、5%、7%）的瀝青膠漿開展溫度敏感性和流變性能的實驗研究，發(fā)現(xiàn)實驗溫度對瀝青膠漿的流變性能影響較大，溫度越低，模量越大[10]。朱玉風通過大量實驗研究了摻量為5%、10%、15%、20%的聚乙二醇4000（PEG4000）直接摻入SBS瀝青后的控溫效果，當環(huán)境溫度在40℃左右時，瀝青路面降溫幅度在2～3℃[11]。

直接在基瀝青中摻入不同類別、不同比例的相變材料，操作工藝簡單、技術標準易于控制，能在一定程度上降低瀝青路面的自身溫度，有一定的控溫效果，但瀝青混合料的技術性能均有不同程度的下降，這主要是由于相變材料吸收熱量后變?yōu)橛坞x液體，改變了原有的穩(wěn)定力學結構，是制約直摻法控溫技術轉為實際路用的關鍵問題。

2.2 復合定形控溫技術

復合定形控溫技術主要是通過多孔吸附、溶膠凝膠、熔融共混等方法將大容量的固-液相變材料分散固定在一定的載體基質上，減少相變材料泄露概率，提高相變?yōu)r青混合料的高溫穩(wěn)定性[12]。

譚憶秋等研究了硅藻土粉末狀復合相變材料、陶砂粒狀復合相變材料的室內、室外模擬實驗。實驗結果顯示，當復合相變材料摻入量為5%左右時，瀝青路面升溫延緩效果比較理想[13]。周琰等利用石墨和聚乙二醇不同比例加工形成的復合相變材料對SBS 瀝青進行了改性實驗，研究發(fā)現(xiàn)隨著G/PEG 摻量的增大，有助于提升改性瀝青的降溫效果，但三大指標參數(shù)均有明顯下降[14]。譚海勤對聚乙二醇和硅溶膠進行了復合定形的配比及瀝青混合料摻入量的實驗研究，得到了聚乙二醇與硅溶膠比例為5∶10、瀝青混合料中摻量為3%的優(yōu)選方案，該方案控溫效果良好，主要路用性能能滿足路用規(guī)范要求[15]。王瑞馨采用固液石蠟、聚乙二醇2000 與珍珠巖、陶粒進行復合加工形成了復合定形相變材料，通過對不同配比材料的性能實驗確定了聚乙二醇2000 和固液石蠟1∶1 配比下的復合定形材料試驗性能最佳[6]。許子龍通過實驗分析了PEG/SiO2、PEG/EG/SiO2兩類復合定形材料的儲熱性能、導熱性能和感溫性能，其實際降溫幅度在2～3℃范圍，表現(xiàn)出了良好的控溫和路面高溫病害抑制作用[12]。白鋼以聚氨酯泡沫、環(huán)氧樹脂、粉煤灰等不同的定形載體對不同熔點的石蠟進行了定形復合研究，初步解決了相變材料穩(wěn)定性差的問題[16]。

復合定形控溫技術既能儲熱降低路面溫度，也可以放熱防止路面結冰，實驗效果較好，問題主要集中在高溫穩(wěn)定性不夠理想，馬歇爾試驗數(shù)據(jù)下降明顯，長期的路用實效有待驗證。

2.3 微膠囊控溫技術

微膠囊控溫技術是一種特殊的復合定形控溫技術，特殊在通過高分子聚合技術對相變材料進行微米級別的包裹封閉，形成一種含有相變材料的微小粒子，直徑一般為1～1 000 μm[17-18]。可以有效防止相變材料吸熱液化后聚集造成的瀝青混合料路用性能下降，延長相變材料的功能發(fā)揮時間，從而減少相變控溫瀝青路面的高溫病害發(fā)生[19-20]。

尚建麗等以石蠟為芯材，通過界面聚合法對單層膠囊壁和雙層膠囊壁進行了研究，實驗發(fā)現(xiàn)雙層壁材的微膠囊的反應更為充分、穩(wěn)定性高于單層膠囊[21]。任君平采用ANSYS 建立了瀝青路面的有限元模型，對采用微膠囊和沒有微膠囊的瀝青路面內部溫度場情況進行了比較分析，采用微膠囊控溫的瀝青路面內部主要溫度點的溫度變化規(guī)律與外界溫度大體相同，但明顯滯后于環(huán)境溫度的變化，白天與夜間呈現(xiàn)相反的特征，室外與室內的情況有一定差異[22]。王小慶等對摻與未摻相變微膠囊的瀝青混合料開展了室外溫度響應情況研究，發(fā)現(xiàn)瀝青混合料各位置的溫度響應顯著滯后于環(huán)境溫度，且隨混合料深度的增加而增加。外界環(huán)境溫度處于4.54～26.64℃和-31.65～2.16℃兩個溫度區(qū)間時，溫差滯后現(xiàn)象越明顯，驗證了微膠囊控溫技術的有效性[23]。周澤洪等研究了微膠囊摻入量從2%～12%每增加2%的自愈性能和路用性能的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當摻入量超過8%后自愈性能明顯下降。瀝青混合料的動穩(wěn)定度在0～4%時變化不明顯，4%以上開始明顯下降，6%以上開始急劇下降[24]。

微膠囊控溫技術突破了直接摻入相變材料的材料性能制約，路用性能特別是高溫穩(wěn)定性有了大幅提升，制備工藝還不夠成熟，路面施工造成的個別泄露問題仍未較好解決。

3 結論

（1）不同相變材料的不同摻入量對瀝青各主要指標的性能影響差異較大，需要開展更全面的實驗研究，總結出性能差異的深層次原因和變化規(guī)律，從而進一步優(yōu)化相變材料的摻入量。

（2）相變材料在瀝青混合料中的微觀存在形式和性能特征還不明確，有待進一步研究探索。

（3）相變?yōu)r青混合料路面的性能與傳統(tǒng)瀝青路面材料有一定差異，如何開展有效的結構組合設計，在保證路面結構整體性能穩(wěn)定的基礎上進一步加大相變?yōu)r青混合料的實際應用范圍。

（4）各類控溫技術的制備加工工藝還有待完善，室內試驗的可靠性還有待在試驗路段進行全面檢驗。