定形PEG/SiO2复合相变材料制备及在半柔性路面中的应用

沙莎��

摘 要：为了缓解城市热岛效应，通过试验制备定形PEG/SiO2复合相变材料并将其应用于半柔性路面，研究相变材料对半柔性路面路用性能和调温性能的影响。结果表明，相变材料对半柔性沥青路面的低温抗裂性有改善作用，但会降低高温稳定性和水稳定性；当掺量较小时，相变材料对半柔性路面的调温性能改善较弱，而掺量较大时，对调温性能的改善效果显著。

关键词：半柔性路面；相变材料；路用性能；调温性能

中图分类号：U414.1 文献标志码：B

Study on Preparation and Application of PEG/SiO2 Compound Phase Change Materials for Semi- flexible Pavement

SHA Sha

（School of Civil Engineering， Sanjiang University， Nanjing 210012， Jiangsu， China）

Abstract： In order to alleviate the urban heat island effect， the PEG/SiO2 compound phase change materials were prepared by experiments and applied to semi- flexible pavement. The effect of phase change materials on road performance and temperature control performance of semi- flexible pavement was studied. The results show that the phase change materials improve the anti- cracking performance of semi- flexible asphalt pavement at low temperature， while reducing the high temperature stability and water stability. And the effect of phase change materials on temperature control performance of semi- flexible pavement is related to the mixing amount.

Key words： semi- flexible pavement； phase change material； pavement performance； temperature control performance

0 引 言

随着中国城市化进程的日益加快，城市热岛效应日趋明显，对大气环境、区域气候和生态以及人体健康都造成了一定的不良影响[1- 2]。而城市里大量铺筑的沥青路面进一步加剧了城市的热岛效应[3- 4]。半柔性路面是指以大空隙率（20%～25%）沥青混合料为基体，通过灌注一定比例的水泥砂浆，最终硬化形成的一种高性能路面[5- 6]。与普通路面相比，半柔性路面不仅具有良好的路用性能，而且是一种低吸热路面，能在一定程度上能降低路面温度，改善城市热岛效应[7]。但目前的半柔性路面技术对于降低路面温度，进而减缓城市热岛效应的效果远低于预期。因此，开发新的半柔性路面降温技术具有十分重要的现实意义。

由于相变材料在温度升高时将发生相变而吸收能量，且在相变后能保持温度恒定，因此将其应用于半柔性路面降低路面和环境温度具有广阔的前景[8]。基于此，本文通过试验，得到相变温度符合半柔性路面服役温度范围的相变材料，并研究其对沥青混合料路用和调温性能的影响，为缓解城市热岛效应提供新的理论依据。

1 试验材料准备

1.1 原材料

制备PEG/SiO2复合相变材料所用的聚乙二醇（PEG）、正硅酸乙酯（TEOS）、无水乙醇（CH3CH2OH）、异辛烷（（CH3）CHCH2（CH3））、氢氧化钠（NaOH）和浓盐酸均为天津市津东天正精细化学试剂厂生产。沥青选用AS70#沥青，其主要技术指标如表1所示；粗细集料均选用玄武岩碎石，其性质均符合相关要求；混合级配组成和主要参数分别如表2、3所示；水泥采用普通硅酸盐水泥，水泥砂浆用细砂为普通河砂，减水剂为聚羧酸系减水剂，水泥砂浆的配合比如表4所示。其中相变材料的加入量以相变材料占水泥的质量百分数记。

以TEOS为前驱体，PEG为相变材料，乙醇为溶剂，盐酸为催化剂，利用溶胶- 凝胶法制备复合相变材料[9- 10]。试验时先称取一定量的PEG加入适量的乙醇中，并加热使其溶融；然后加入适量的TEOS并搅拌均匀；之后再加入盐酸并调节溶液的PH值到1；最后将复合溶液在室温条件下搅拌5 h，静置形成凝胶；最后在80 ℃条件下将凝胶干燥3d得到PEG/SiO2复合相变材料。

2 相变材料分析

2.1 PEG分子量和含量对胶凝时间的影响

测定不同的PEG分子量（1 500、2 000、4 000、6 000和10 000）和含量（30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%）的复合相变材料的胶凝时间，优选合适的PEG含量，结果如图1所示。

图1 胶凝时间随PEG含量的变化

从图1可以看出，随着PEG含量的增多，相变材料发生胶凝所需的时间逐渐增加，其中当PEG含量小于70%时，胶凝时间随PEG含量的变化幅度较小；当PEG含量超过70%时，随着PEG含量的增多，胶凝时间大幅延长；当PEG含量超过80%时，除PEG1 500/SiO2外，其他复合相变材料均不能发生胶凝。其原因为，复合相变材料发生胶凝与TEOS发生水解反应生成的Si（OH）4的缩合作用有关[11]。当PEG含量小于70%时，随着PEG含量的增加，TEOS相对含量降低，生成的Si（OH）4浓度降低，不利于缩合形成凝胶，因此胶凝时间逐渐增加；同时，PEG分子链嵌入SiO2的三维网络结构中，并形成互穿网络结构，从一定程度上阻碍了缩合反应的发生，而此时Si（OH）4浓度对凝胶的影响远大于PEG分子链对凝胶的影响，因此胶凝时间变化不大。而当PGE含量超过70%时，PGE分子链对Si（OH）4缩合反应的阻碍作用增加，难以形成凝胶，因此胶凝时间大幅延长。当PEG含量超过80%时，PGE分子链严重阻碍了Si（OH）4缩合反应的进行，相变材料已不能发生胶凝。因此，建议PEG最大含量不应超过80%。

2.2 PEG分子量对相变焓和相变温度的影响

将相变材料用于半柔性路面中，要求相变材料具有足够的调温能力和合适的相变温度。其中相变材料的调温能力主要与其相变焓密切相关，相变焓越大表明相变材料的调温能力越强[12]。选择PEG含量为80%，测定不同PGE分子量复合相变材料的相变焓和初始相变温度Ton、相变温度Tm，试验结果分别如图2、3所示。

图2 相变焓随PEG分子量的变化

图3 相变温度随PEG分子量的变化

从图2可以看出，不同PEG分子量的复合相变材料的相变焓位于75.6～116.3 J·g-1之间。随着PEG分子量的增大，相变焓逐渐增大，当PEG分子量大于4 000时，相变焓趋于稳定。这是因为，当PEG分子量小于4 000时，PEG分子链的节数较少，而端点数较多，实际参与结晶的链节比例较低，且结晶体中存在较多的缺陷，因此结晶度较低；此时增大PEG分子链，能增大参与结晶的PEG链节比例，使结晶度提高，因此相变焓逐渐增大。而当PEG分子量超过4 000时，虽然较大的PEG链节比例能促进结晶的发生，然而此时PEG长分子链之间容易发生相互缠结，阻碍形成完整的结晶体，从一定程度上削弱了相变焓的进一步增长，因此相变焓趋于稳定[13]。

从图3可以看出，随着PEG分子量的增大，复合相变材料的初始相变温度Ton和相变温度Tm都逐渐增大。这主要是因为随着PEG分子量的增大，在形成的三维网路结构中，SiO2对PEG分子链的约束作用逐渐增大，对结晶的阻碍程度增加，因此相变温度逐渐提高[14]。对应到半柔性路面中相变材料的相变温度应在40 ℃～50 ℃之间，因此PEG的分子量不应大于6 000，综合相变焓和相变温度考虑，选取PEG的最佳分子量为4 000。

3 相变材料对沥青混合料路用性能的影响[KH*2]

相变材料的加入会引起半柔性路面混合料材料组成的改变，进而引起沥青混合料路用性能的变化，相变材料虽然具有良好的调温能力，但必须在保证路用性能的前提下才能将其应用于半柔性路面。通过试验测定不同相变材料掺量时混合料的动稳定度、弯拉强度、低温弯曲应变、残留稳定度和冻融劈裂强度比，研究相变材料掺量对混合料路用性能的影响，结果如表5所示。

从表5可以看出，随着相变材料掺量的增多，沥青混合料的动稳定度逐渐降低，高温稳定性逐渐变差。弯拉强度随着相变材料掺量的增多逐渐降低，而低温弯曲应变随相变材料掺量的增多逐渐增大。低温弯曲应变表征了沥青混合料在低温下的变形协调能力，是沥青混合料低温抗裂性的最主要评价指标，表明相变材料的加入能明显改善半柔性路面沥青混合料的低温抗裂性，且掺量越大改善效果越好。残留稳定度和冻融劈裂强度比都随相变材料掺量的增多呈现减小趋势，表明相变材料掺量越多，沥青混合料水稳定性越差。在半柔性路面中，相变材料是替代砂浆中的部分水泥而掺入的，相变材料掺量越多，水泥含量越小，混合料整体的强度和刚度越小，因此高温荷载作用时越容易发生变形，高温稳定性越差；水泥含量的减少使水泥水化产物数量减少，对混合料空隙的填充作用减弱，因此混合料水稳定性降低[15]；相变材料之所以能起到改善混合料低温抗裂性的作用，是由于水泥砂浆为脆性材料，随着相变材料掺量的增多，水泥砂浆中水泥比例减少，砂浆脆性降低，低温荷载作用时沥青混合料整体的变形能力增强，因此低温抗裂性得到改善。即使当相变材料掺量达到最大时，沥青混合料的各项路用性能指标均能满足要求。

4 半柔性路面调温性能

测定半柔性路面温度随时间的变化曲线，研究相变材料掺量对半柔性路面调温性能的影响，试验结果如图4所示。

图4 不同相变材料掺量时半柔性路面的升温曲线

从图4可以看出，60 min之前，半柔性路面内部温度缓慢增长，60 min之后随着时间的延长路面内部温度大幅升高。当时间相同时，相变材料掺量越多，路面内部温度越低，其中相变材料掺量为0和1%时的路面升温曲线极为接近，表明低掺量的相变材料对半柔性路面的调温性能改善不显著。当相变材料掺量大于2%时，相变材料的加入对路面调温性能的改善效果显著，吸热60 min和240 min后，掺加5%相变材料的路面相比未掺加相变材料的路面，其温度分别降低14. 2 ℃和11. 5 ℃。高温时，半柔性路面中的相变材料发生相变，由固相变为液相，吸收并储存能量，发挥了潜热作用，起到了良好的降温效果。

5 结 语

（1） 随着PEG掺量的增多，复合相变材料的胶凝时间逐渐延长，其中当PEG掺量超过70%时，胶凝时间急剧增大，直至掺量大于80%后，相变材料已无法发生胶凝，因此PEG最大含量不应超过80%。

（2） 随着PEG分子链的增大，复合相变材料的相变焓和相变温度逐渐增大，材料微观表面裂缝逐渐减少，连续相逐渐增多，材料粒径逐渐变小；当PEG分子量大于4 000时，相变焓趋于稳定，相变温度接近甚至超过60 ℃，综合考虑最佳PEG分子量为4 000。

（3） 随着相变材料掺量的增多，沥青混合料的高温稳定性和水稳定性逐渐降低，而低温抗裂性得到改善，且掺量越多，改善效果越好；综合来看，即使相变材料掺量为5%时，沥青混合料的各项路用性能指标也均能满足要求。

（4） 相变材料能从一定程度上改善半柔性路面的调温性能，当相变掺量较小时，改善效果不明显；而当掺量大于2%时，改善效果显著。掺加5%的相变材料会使半柔性路面在吸热4 h后的温度降低11.5 ℃。

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[责任编辑：杜敏浩]