相变微胶囊对沥青混合料温度场的调节作用研究

李莉霞

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

沥青是一种温度敏感型材料，高低温都会显著影响其性能，而沥青的性能又会对沥青混合料的性能产生重大影响[1]。夏季高温时，沥青路面会发生诸如车辙、拥包等高温病害，冬季低温时，沥青路面会产生裂缝等病害，严重影响其服役性能。

相变材料是一种在环境温度变化时，以潜热形式吸收或放出热量而维持自身温度不变的材料[2]。近年来，众多学者在将相变材料应用到道路工程这一领域做了很多探索性工作。胡曙光等人[3]在沥青混合料中加入聚乙二醇这种相变材料，研究了相变材料作用下沥青混合料的温度敏感性。张一博等人[4]利用差示扫描量热法（DSC）、热失重分析法（TGA）、傅里叶变换红外光谱法（FTIR）等对多种相变材料进行了研究，最终发现聚乙二醇4000作为相变材料加入沥青混合料中，有着良好的路用性能。马团队[5-8]率先将固-液相变材料应用到了道路工程中，研发了自调温相变材料，并对其微观性能、宏观性能、力学性能、热学性能、路用性能进行了大量的研究。

现有研究表明，固-液相变材料最适用于道路工程。然而，固-液相变材料在发生相变后，由于其流动态会造成泄漏，影响其相变功能的发挥[9-10]。针对现有研究的不足，本研究创新性地将相变材料进行定形，以解决其泄漏问题，使其路用性能更佳。

1 材料及制备工艺

1.1 材料

1.1.1 沥青

沥青采用SBS（Ⅰ-C）改性沥青，其各项性能均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）。沥青各项指标如表1所示。

表1 改性沥青技术指标试验结果

1.1.2 矿料

粗集料为闪长岩碎石，细集料为机制砂，矿粉为石灰岩磨细矿粉。各档集料和矿粉性能均满足规范要求。

1.1.3 级配

由于沥青路面表面层受温度影响最明显，所以相变材料主要应用于沥青路面表面层，故本研究混合料为常用于沥青路面表面层的AC-13混合料，其级配曲线如图1所示。

图1 混合料级配曲线

1.1.4 相变材料

相变材料为微胶囊复合材料，如图2所示，由囊芯材料及包裹囊芯材料的囊壁材料组成。囊芯材料为工业级正十五烷，其差示扫描量热曲线如图3所示。囊壁材料为环氧树脂、固化剂、二氧化硅、乙基纤维素组成的复合材料。在制备过程中，需要对囊壁材料进行溶解以便充分混合，介于此，溶剂采用无水乙醇。

图2 相交微胶囊

图3 相变材料差示扫描量热曲线

1.2 制备方法

a）将相变材料与二氧化硅按一定的比例混合，搅拌均匀后抽真空，使相变材料充分填充到二氧化硅蓬松的孔隙中。

b）使用无水乙醇溶解乙基纤维素，将吸附了相变材料的二氧化硅放入溶液中搅拌，直至混合物变为凝胶态。

c）将前述凝胶态混合物摊铺、晾干。

d）将晾干的相变材料放入环氧树脂中，选择对应的固化剂，在80℃下，以300 rad/min的速度搅拌2 min。

e）使用切刀将混合物切割成粒状，即为定形的相变微胶囊。经筛分试验，相变微胶囊的粒径介于2.36～4.75 mm 之间。

2 测试方法

2.1 相变微胶囊自身控温效果测试

将相变微胶囊浇筑成直径为7.5 cm，高度为7.5 cm的圆柱体试件，在浇筑过程中埋入温度传感器，接入32通道巡检仪中，每隔1 s采集一次温度。为保证试验的严谨性，每组试验浇筑4个样品，同时进行平行试验，在浇筑时一次成型，中间不得间断。

图4 32通道巡检仪

取2 L的圆柱形不锈钢桶，在外面裹覆保温棉，阻止热量散失。在不锈钢桶中倒入65℃的热水，待温度降到60℃时，开始采集数据。

2.2 沥青混合料温度变化测试

将沥青混合料按照规范制作成标准马歇尔试件，分别按照混合料质量的5%、7.5%和10%掺加相变微胶囊。考虑到相变材料对沥青混合料级配的影响，在添加相变材料时，等体积替换2.36～4.75档粗集料。将标准马歇尔试件外侧用保鲜膜包裹，避免试件和热水的直接接触对试验结果造成影响，按照3.1所述方法进行温度变化测试。

3 结果

3.1 相变微胶囊温度变化结果

相变微胶囊温度变化结果如图5所示。

图5 相变材料时间-温度曲线

如图5所示，在试验开始后，4个平行试件吻合度良好，几乎重合，表明试验结果具有良好的稳定性和可靠度。在试验开始大约2 300 s左右，相变微胶囊温度上升速率明显减缓，开始出现明显的“平台期”。这是由于环境温度达到了相变微胶囊相变的起始温度，相变微胶囊开始以潜热的形式吸热，将吸收的热量储存在自身体内，而温度不再发生变化，这在升温曲线上表现为“平台期”，这也是相变微胶囊能够调节路面温度的机理所在。在大约4 000 s后，相变微胶囊相变过程结束，继续以显热的形式吸收热量，温度开始继续升高。

3.2 沥青混合料温度变化结果

沥青混合料温度变化曲线如图6所示。

图6 沥青混合料时间-温度曲线

如图6所示，掺了相变微胶囊的沥青混合料，在升温过程中，升温速率小于未掺相变微胶囊的沥青混合料，且掺量越大，升温速率越慢，具体表现为掺加了相变微胶囊的沥青混合料温度随时间变化曲线的斜率小于未掺相变微胶囊的沥青混合料温度随时间变化曲线斜率。在同一时刻，掺了相变微胶囊的沥青混合料温度低于未掺相变微胶囊的沥青混合料，具体表现为同一时刻掺加相变微胶囊的试件温度低于未掺相变微胶囊的沥青混合料，表明相变微胶囊对沥青混合料具有良好的调温效果。但是掺加了相变微胶囊的沥青混合料温度上升曲线并不会存在一个明显的平台，这是由于相变微胶囊仅作为一种外掺剂，且其掺量较小，所以在混合料中不会像在纯材料中出现升温平台。由于相变材料对沥青混合料温度的调节作用，在夏季高温时，相变微胶囊以潜热形式储温，吸收热量但温度保持在一个恒定的区间，由于相变微胶囊吸收了部分热量，沥青混合料能以较慢的速率升温，避免了热量在混合料内部的累积，从而大大减少了沥青路面发生车辙、拥包、推移等病害，继而提高了其服务水平和服役性能。

4 结论

a）相变微胶囊可以以潜热形式吸收热量，进而调节沥青混合料的温度场，减缓高温季节沥青混合料温度上升速率，避免或减轻由于高温导致的沥青路面病害。

b）相变微胶囊对沥青温度场的调节跟掺量有关，掺量越大，调温效果越好。但还应兼顾经济性和其他路用性能。