张志鹏，韩晖

（1.内蒙古交通职业技术学院 道路桥梁工程系，内蒙古 赤峰 024005：2.交通运输部公路科学研究院，北京 100088）

0 前言

相变材料是指在发生物相转化过程中，与环境进行能量交换，吸收或释放相变热，从而储存或释放能量和调节环境温度的物质[1-2]。将相变材料应用于路面工程中，当环境温度发生剧烈变化时利用相变材料的相变进行热能存储和释放，能够减缓路面温度的变化，预防路面的破坏，并能实现路面融冰雪等特殊功能[3-6]。同时由于沥青路面具有良好的吸热性能，夏季城市道路吸收的高热量加剧了城市热岛效应，为了缓解城市热岛效应，道路工作者以大空隙率（20%～25%）沥青混合料为基体，通过灌注一定比例的水泥砂浆，制备水泥沥青混凝土[7-8]，并进行城市道路的铺筑，能从一定程度上降低路面温度，改善城市热岛效应[8～12]。然而仅靠水泥沥青混凝土自身的属性降低路面温度，改善城市热岛效应的效果有限。

本文利用相变材料的相变属性，将定形PEG/SiO2相变材料加入到水泥沥青混凝土中，研究了相变材料掺量对沥青结合料和水泥沥青混凝土路用性能和调温性能的影响，对路面降温和缓解城市热岛效应提供理论参考。

1 试验

1.1 原材料

聚乙二醇（PEG）：工业级，由广州市仕贤化工有限公司生产，相变温度为44.1℃，相变焓185.6 J/g。硅溶胶：河北润木铸造材料有限公司生产，SiO2含量为30.1%，粒径为11.5 nm。沥青：SK70#沥青，其主要技术指标如表1所示。粗细集料：玄武岩碎石，其性质均符合相关要求，沥青混合料最佳油石比为3.0%，其级配和主要技术参数分别如表2和表3所示。水泥：P·O42.5水泥；砂：普通河砂；减水剂为聚羧酸系减水剂。水泥砂浆的配合比如表4所示。其中相变材料掺量按占水泥质量计。?

表1 基质沥青的基本技术指标

表2 沥青混合料的合成级配

表3 沥青混合料的物理力学参数

表4 水泥砂浆的质量配合比

1.2 定形PEG/SiO2相变材料的制备方法

称取一定质量的PEG并分散在硅溶胶中搅拌均匀，待完全溶解后，调节温度使之胶凝化：将胶凝体在80℃烘箱中鼓风干燥一定时间后，将所得固体研磨即可得到小颗粒的相变材料。相变材料中PEG含量为50%～80%。

1.3 沥青胶浆及水泥沥青混凝土的制备方法

称取一定质量的沥青并加热至120～130℃后，将一定质量的相变材料缓慢加入沥青中，并同步搅拌，搅拌器转速由慢至快，待相变材料全部加入后，恒速搅拌0.5 h，使相变材料均匀分散在沥青中。

按表2的配合比制备大孔隙沥青混合料试件（相变材料随矿粉一起加入），待其恒温后将水泥砂浆逐渐灌入沥青混合料的孔隙中，并在振动台上不断振动，灌注过程必须在0.5 h内完成。将灌注好的试件在标准养护室养护7 d后脱模。

2 结果与讨论

2.1 复合定形相变材料的储热性能

将定量的定形PEG/SiO2复合相变材料分别与定量的熔融沥青和一定水胶比的水泥浆混合，并搅拌均匀，使相变材料在沥青或水泥浆中均匀分布，其表面被沥青膜和水泥膜均匀覆盖。测试2种复合相变材料的TG-DSC曲线，并计算其相变温度和相变焓，研究掺有相变材料的沥青和水泥浆的储热性能，结果如图1、图2和表5所示。

图1 沥青复合定形相变材料TG-DSC分析

图2 水泥复合定形相变材料TG-DSC分析

表5 复合定型相变材料热性能指标

从表5可以看出，沥青和水泥复合定形相变材料的相变焓均低于纯PEG的相变焓。其原因主要为，沥青、水泥复合定

形相变材料中，沥青、水泥和SiO2均不属于相变物质，当PEG分布在其中时，PEG结晶微相区减小，无法完全相互凝聚形成结晶；另外PEG发生相变时SiO2的微孔结构对其体积膨胀产生制约，使晶格无法整齐排列，使PEG的结晶度降低，相变焓减小。相同条件下，沥青定形相变材料的相变焓大于水泥复合定形相变材料，这是因为，水泥水化会产生大量的钙离子，钙离子容易与SiO2表面的PEG分子链发生络合反应形成络合物，降低了PEG的结晶度，使其相变焓降低。

2.2 相变材料对沥青流变性能的影响

水泥沥青混凝土中，沥青作为主要的粘结材料，对混凝土的路用性能有重要影响，且沥青属于典型的感温性材料，其性能随温度的变化而呈现一定的流变性。为了研究相变材料对沥青流变性能的影响，将不同掺量的PEG/SiO2复合相变材料加入热沥青中制备沥青胶浆，沥青DSR试验测试不同温度时沥青胶浆的相位角δ、复数模量G*，并计算温度高于40℃时的车辙因子G*/sinδ，以车辙因子评价沥青胶浆的高温性能，其中车辙因子越大表示高温性能越好，试验结果如图3所示。

图3 相变材料掺量对沥青高温性能的影响

从图3可以看出，当相变材料掺量一定时，随着温度的升高相位角先增大后趋于稳定，复数模量和车辙因子逐渐减小。这是因为随着温度的升高，沥青逐渐软化，弹性变形逐渐减小，黏性流动逐渐增强，沥青抵抗荷载的变形能力逐渐减弱，因此相位角逐渐增大，复数模量和车辙因子逐渐减小，当温度高于70℃时，沥青的黏流态性质显著，再增大温度其黏度的降低幅度有限，因此相位角、复数模量和车辙因子都趋于稳定。

相变材料掺量对沥青胶浆流变性能的影响与温度有关，当温度低于40℃时，随着相变材料掺量的增多，相位角逐渐减小，复数模量逐渐增大：这是因为相变材料在沥青中的相变温度为43.5℃，当温度低于40℃时，相变材料未发生相变，在沥青中以固态状存在，对沥青起到物理改性作用，随着其掺量的增多，沥青胶浆的黏度逐渐增大，黏流性质逐渐减弱，因此相位角逐渐减小，复数模量逐渐增大。当温度在40～50℃时，相位角、复数模量和车辙因子随温度的变化出现突变，这是因为此温度段内，相变材料发生相变，由固态转变为液态，相变材料对沥青高弹态的贡献消失，相反增强了沥青的黏流态，使沥青性质发生较快的转变，对应的流变学指标出现突变。当温度高于50℃时，随着相变材料掺量的增多，相位角逐渐增大，复数模量和车辙因子逐渐减小，最后趋于稳定，表明高温时掺入过多的相变材料，会使沥青的高温性能降低，路面更容易出现车辙破坏，解释其原因主要为，当温度高于50℃时，相变材料已完全发生相变，在沥青胶浆中以液态存在，此时随着相变材料掺量的增多，沥青稠度逐渐降低，流动性增加，因此高温性能逐渐减弱。

2.3 相变材料对水泥沥青混凝土路用性能的影响

路用性能是水泥沥青混凝土的最主要性能，相变控温水泥沥青混凝土不仅要满足调温的要求，更须满足其基本的路用性能，保证其使用寿命，这样才能更大限度地发挥特殊作用。分别利用60℃车辙试验、-10℃小梁低温弯曲试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，研究相变材料掺量对水泥沥青混凝土高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性的影响，试验结果如图4、图5所示。

图4 相变材料掺量对复合混凝土高低温性能的影响

从图4可以看出，随着相变材料掺量的增多，水泥沥青混凝土的动稳定度以线性下降，而最大弯拉应变逐渐增大，当相变材料掺量大于5%时，最大弯拉应变的变化幅度减小。表明相变材料的掺入使水泥沥青混凝土的高温稳定性减弱，而低温抗裂性得到增强，解释其原因主要为，车辙试验的温度为60℃，此时相变材料已完全发生相变，由固态转化成液态，随其掺量的增多，对沥青的黏流态贡献越多，对应的复合混凝土在荷载作用下的变形逐渐增大，因此高温稳定性逐渐降低。低温抗裂性试验温度为-10℃，远没有达到相变材料的相变温度，此时相变材料在复合混凝土中以固态存在，在混凝土内部起到物理填充作用，使混凝土内部的缺陷减少，低温弯曲时试件内部的薄弱面减少，因此使低温抗裂性得到改善。

图5 相变材料掺量对复合混凝土水稳定性的影响

从图5可以看出，随着相变材料掺量的增多，残留稳定度和冻融劈裂强度比均逐渐减小，水泥沥青混凝土的水泥稳定性逐渐变差，其中当相变材料掺量大于5%时，再增大其掺量会使水稳定性急剧降低。这是因为，水泥沥青混凝土中水泥遇水水化产生的絮状产物能很好地填充在混凝土的空隙中增强其密实性，从而改善混凝土的水稳定性，而随相变材料掺量的增多，水泥沥青混凝土中水泥的相对含量逐渐减少，水化产物对空隙的填充作用逐渐减弱，因此水泥沥青混凝土稳定性逐渐变差。

2.4 相变材料对水泥沥青混凝土调温性能的影响

采用HAD-DRX-RW式导热系数仪测试不同相变材料掺量时水泥沥青混凝土的导热系数和体积比热容，结果如图6所示。并将温度传感器埋设在水泥沥青混凝土试件内部，并用2个功率为300 W的卤钨灯照射试件进行加热，测试不同相变材料掺量时试件的升温曲线，结果如图7所示。

图6 相变材料掺量对复合混凝土导热系数和比热容的影响

图7 不同相变材料掺量时复合混凝土的升温曲线

从图6、图7可以看出，相变材料的掺入使水泥沥青混凝土的导热系数明显增大，体积比热容急剧减小，且掺量越大，对导热系数和体积比热容的影响越显著。表明添加相变材料后，复合混凝土的导热散热加快，同时因体积比热容小而储存的热量少，降低了升温时路面的温度。相变材料掺量为0和1%的试件，随着升温时间的延长温度逐渐增高，升温4 h后的温度达到50℃。相变材料掺量为3%的试件，前40 min内随时间的延长温度缓慢上升，之后温度随时间延长快速上升，直至达到相变材料的相变温度后，试件温度趋于稳定。相变材料掺量为5%和7%的试件，前60 min内温度随时间延长缓慢上升，之后温度快速增长直至达到相变材料的相变温度后，试件的升温曲线出现平台，升温4 h后试件内部的温度分别为44.5℃和44℃，两者相差不大，表明当相变材料掺量大于5%时，再增加相变材料掺量，对温度的调节效果较弱。掺加相变材料后，试件的升温曲线出现平台，是因为当温度达到相变温度后，相变材料由固相变为液相，吸收并储存能量，发挥潜热作用，起到了良好的降温效果。

3 结论

（1）将PEG/SiO2添加至沥青和水泥中制得沥青复合定形相变材料和水泥复合定形相变材料的相变焓都低于纯PEG的相变焓；相同条件下沥青复合定形相变材料的相变焓和相变温度都高于水泥复合定形相变材料。

（2）相变材料掺量对沥青胶浆流变性能的影响与温度有关，当温度低于相变温度时，随着相变材料掺量的增多，相位角逐渐减小，复数模量逐渐增大；当温度达到相变温度时，沥青胶浆的流变性出现突变，随着相变材料掺量的增多，相位角逐渐增大，复数模量和车辙因子逐渐减小，当温度超过70℃时趋于稳定。

（3）水泥沥青混凝土的高温稳定性和水稳定性都随相变材料掺量的增多逐渐减弱，当相变材料掺量为7%时，动稳定度依然在8000次/mm以上，但水稳定性极低；低温抗裂性随着相变材料掺量的增多逐渐增强，当相变材料掺量大于5%时，再增大掺量，对低温抗裂性的改善作用有限，从路用性能角度考虑，相变材料的合适掺量为5%。

（4）随着相变材料掺量的增多，复合混凝土的导热系数逐渐增大，体积比热容逐渐减小。相变材料的掺入能明显降低复合混凝土内部的温度，当温度达到相变温度后，掺有相变材料的试件内部温度随时间缓慢升高，升温曲线出现平台；当相变材料掺量超过5%时，再增大相变材料掺量对调温性能的影响较弱。