楊建新，劉林林，盧 健

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210019)

近年來，瀝青路面在我國公路建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，瀝青膠結(jié)料屬于黑色吸熱材料，在光照下易吸收、儲(chǔ)存熱量，會(huì)使路面溫度超過其正常使用溫度，引發(fā)高溫病害[1-3]。

在此背景下，亟須探索新材料、新技術(shù)以改變?yōu)r青路面溫度場(chǎng)，使瀝青路面溫度處于正常使用溫度范圍。相變儲(chǔ)能材料具有釋放、吸收熱量的潛熱特性，將其應(yīng)用于公路瀝青路面有助于解決上述問題。相變儲(chǔ)能材料種類繁多，有必要根據(jù)瀝青路面使用特點(diǎn)，對(duì)相變儲(chǔ)能材料進(jìn)行性能測(cè)試，以優(yōu)選適合瀝青路面的相變儲(chǔ)能材料[4]。

本文選取多種相變儲(chǔ)能材料，采用差示掃描量熱(DSC)試驗(yàn)、熱重分析(TG)試驗(yàn)和傅里葉紅外光譜(FT-IR)試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試，篩選適合瀝青路面的相變儲(chǔ)能材料，以期為相變儲(chǔ)能材料在瀝青路面的應(yīng)用和推廣提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 主要設(shè)備和儀器

本試驗(yàn)采用的主要設(shè)備和儀器包括：Netzsch-STA449C同步熱分析儀，制造商為德國耐馳儀器制造有限公司；PE Spectrum紅外光譜儀，制造商為珀金埃爾默企業(yè)管理(上海)有限公司。

1.2 主要原材料

試驗(yàn)采用的主要原材料如表1所示。

表1 試驗(yàn)采用的主要原材料

1.3 性能測(cè)試

采用差示掃描量熱試驗(yàn)測(cè)定相變儲(chǔ)能材料的熱性能參數(shù)，試驗(yàn)升溫速率為2 ℃/min，保護(hù)氣和吹掃氣均為高純氮，流量為20 mL/min。

采用熱重分析試驗(yàn)測(cè)定相變儲(chǔ)能材料的熱穩(wěn)定性，試驗(yàn)升溫速率為10 ℃/min，保護(hù)氣和吹掃氣均為高純氮，流量為20 mL/min。

采用傅里葉紅外光譜試驗(yàn)測(cè)定相變儲(chǔ)能材料的化學(xué)穩(wěn)定性和化學(xué)兼容性。

2 技術(shù)要求

應(yīng)用于瀝青路面的相變儲(chǔ)能材料，需滿足相關(guān)技術(shù)要求[5]。

2.1 相變區(qū)間

我國瀝青路面常用的瀝青膠結(jié)料軟化點(diǎn)為50 ℃～80 ℃，在夏季，瀝青路面溫度可達(dá)60 ℃～70 ℃，在冬季，瀝青路面溫度低至-10 ℃。因此，為保證瀝青膠結(jié)料溫度低于軟化點(diǎn)溫度，且保證瀝青路面溫度不低于0 ℃或減少瀝青路面低溫暴露時(shí)間，相變儲(chǔ)能材料的相變區(qū)間宜為-50 ℃～-1 ℃，相變起始溫度宜為35 ℃～50 ℃[6-9]。

2.2 相變潛熱

在夏季，瀝青路面高溫作用時(shí)間較長(zhǎng)，通常至少達(dá)到4 h。長(zhǎng)時(shí)間的高溫或低溫條件下，瀝青路面易出現(xiàn)裂縫；氣溫達(dá)到冰點(diǎn)時(shí)，瀝青路面易結(jié)霜凝冰，這就需要相變儲(chǔ)能材料的單位體積或者單位質(zhì)量具有較高的相變潛熱，以吸收、儲(chǔ)存和釋放更多的熱量[10]。

2.3 相變循環(huán)穩(wěn)定性

瀝青路面在設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)需持續(xù)承受環(huán)境高溫和低溫的循環(huán)作用，這就要求瀝青路面所使用的相變儲(chǔ)能材料可以反復(fù)完成相變過程，并且在相變潛熱過程中無熱量損失[11-12]。

2.4 熱穩(wěn)定性

我國絕大多數(shù)瀝青路面采用熱拌瀝青混合料，一般在高溫下進(jìn)行施工，這就要求相變儲(chǔ)能材料在高溫施工過程中仍能保持原有性質(zhì)，不發(fā)生熱分解等化學(xué)反應(yīng)，儲(chǔ)熱性能無損失，即在超過200 ℃的高溫條件下仍保持穩(wěn)定狀態(tài)[13-14]。

2.5 化學(xué)兼容性

相變儲(chǔ)能材料的作用是改變?yōu)r青混合料溫度場(chǎng)，因此應(yīng)在瀝青混合料中以穩(wěn)定狀態(tài)存在，不應(yīng)與瀝青混合料中的組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。相變儲(chǔ)能材料不應(yīng)減弱瀝青混合料的路用性能，且應(yīng)與瀝青混合料有良好的化學(xué)兼容性。

3 結(jié)果與討論

3.1 熱性能參數(shù)

對(duì)無機(jī)鹽水合物、有機(jī)物等多種相變儲(chǔ)能材料進(jìn)行DSC試驗(yàn)，分析相變儲(chǔ)能材料的熱性能參數(shù)[15-16]。相變儲(chǔ)能材料的熱性能參數(shù)如表2所示。

表2 相變儲(chǔ)能材料的熱性能參數(shù)

由表2可知，不同種類和組成結(jié)構(gòu)的相變儲(chǔ)能材料的熔點(diǎn)和相變焓均存在差異。僅從溫度匹配角度判斷，滿足瀝青路面相變儲(chǔ)能材料要求的較多。

3.2 相變循環(huán)穩(wěn)定性

3.2.1 過冷度

對(duì)多種相變儲(chǔ)能材料進(jìn)行DSC測(cè)試，研究相變儲(chǔ)能材料的過冷度，相變儲(chǔ)能材料的過冷度如表3所示。

表3 相變儲(chǔ)能材料的過冷度 (℃)

由表3可知，結(jié)晶水合鹽相變儲(chǔ)能材料和有機(jī)相變儲(chǔ)能材料的過冷度相差較大，有機(jī)相變儲(chǔ)能材料的過冷度較小。如過冷度過大，會(huì)導(dǎo)致材料不能及時(shí)發(fā)生相變，影響熱量的釋放和利用。因此，應(yīng)選擇過冷度較小的相變儲(chǔ)能材料應(yīng)用于瀝青路面。

3.2.2 相分離現(xiàn)象

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)的結(jié)晶水合鹽都會(huì)出現(xiàn)相分離現(xiàn)象，有機(jī)相變儲(chǔ)能材料不易發(fā)生相分離[17-18]。

因此，在選擇瀝青路面相變儲(chǔ)能材料時(shí)，建議采用過冷度小且無相分離的有機(jī)相變儲(chǔ)能材料，不建議采用結(jié)晶水合鹽相變儲(chǔ)能材料。

3.3 熱穩(wěn)定性分析

相變儲(chǔ)能材料熱重曲線如圖1所示。

由圖1可知，52#石蠟和58#石蠟在150 ℃條件下開始失重，但失重程度不明顯；在200 ℃時(shí)，52#石蠟和58#石蠟的失重率分別為2.37%和2.85%。月桂酸和硬脂酸在160 ℃左右開始失重，但失重程度不明顯；在200 ℃時(shí)，月桂酸的失重率高達(dá)33.76%，硬脂酸失重率僅為4.27%。十四醇在170 ℃左右開始失重；在200 ℃時(shí)，十四醇的失重率達(dá)6.66%。新戊二醇在100 ℃開始失重；在200 ℃時(shí)，新戊二醇的失重率為99.9%。PEG2000和PEG4000在80 ℃開始失重，但質(zhì)量損失較小，并且隨著溫度升高，失重率增速變緩；在200 ℃時(shí)，PEG2000和PEG4000的失重率分別為2.92%和1.53%。由此可知，脂肪酸、多元醇和脂肪醇均不能承受200 ℃的高溫，石蠟和PEG能夠承受200 ℃的高溫而不分解。

(a)石蠟

綜上所述，相變儲(chǔ)能材料在200 ℃條件下的失重率排序?yàn)椋盒挛於?月桂酸>十四醇>硬脂酸>PEG2000>58#石蠟>52#石蠟>PEG4000。新戊二醇、月桂酸、十四醇、硬脂酸在200 ℃時(shí)會(huì)分解，石蠟會(huì)影響瀝青路面的路用性能。因此，瀝青路面相變儲(chǔ)能材料建議選擇能夠承受200 ℃高溫而不分解的PEG。

3.4 化學(xué)穩(wěn)定性

選取高溫(200 ℃)和常溫(20 ℃)兩種溫度水平，采用FT-IR試驗(yàn)測(cè)定PEG相變儲(chǔ)能材料的化學(xué)穩(wěn)定性，高溫處理時(shí)間為1 h。不同溫度條件下PEG2000的紅外光譜如圖2所示。

圖2 不同溫度條件下PEG2000的紅外光譜

與高溫PEG2000相比，常溫PEG2000特征吸收峰的位置未發(fā)生變化，說明PEG2000經(jīng)過200 ℃高溫處理后不會(huì)發(fā)生化學(xué)變化，化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定。

3.5 化學(xué)兼容性

以PEG2000-SBS改性瀝青和SBS改性瀝青的混合物為試驗(yàn)組，SBS改性瀝青為對(duì)照組，對(duì)其化學(xué)兼容性進(jìn)行測(cè)定，PEG2000-SBS改性瀝青和SBS改性瀝青的紅外光譜如圖3所示。

圖3 PEG2000-SBS改性瀝青和SBS改性瀝青的紅外光譜

由圖3可知，與SBS改性瀝青相比，PEG2000與SBS改性瀝青的混合物紅外光譜中未產(chǎn)生新的特征吸收峰，原有特征吸收峰也未消失。結(jié)果表明，PEG2000與SBS改性瀝青之間未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)瀝青混合料的生產(chǎn)、使用特點(diǎn)，提出了相變儲(chǔ)能材料在瀝青路面中的適用條件。

(2) 新戊二醇、月桂酸、十四醇、硬脂酸在200 ℃ 高溫下易分解，PEG在高溫下不易分解，其滿足熱拌瀝青混合料的施工溫度要求。

(3) PEG經(jīng)高溫處理后不發(fā)生化學(xué)變化。PEG2000與SBS改性瀝青混合后未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將其應(yīng)用于瀝青中將不會(huì)影響自身儲(chǔ)熱性能。

(4) 瀝青路面相變儲(chǔ)能材料建議采用過冷度小、無相分離的PEG有機(jī)相變儲(chǔ)能材料，不建議直接采用結(jié)晶水合鹽、石蠟、脂肪酸、脂肪醇、多元醇相變儲(chǔ)能材料。