微胶囊相变调温沥青混合料温度场研究*

王小庆 马 骉 刘丰玮

(长安大学公路学院1) 西安 710064) (山东省交通规划设计院2) 济南 250031)

0 引 言

沥青混合料性能受温度及温度变化速率影响显著，沥青黏度随温度的升高而降低，当温度达到40 ℃以上时，结合料的黏结作用显著降低，在行车荷载反复作用下，容易产生各种高温病害，影响道路的使用寿命和性能.

相变材料具有相变潜热特性，在相变过程中会吸收或释放大量潜热[1]，将其用于主动调控沥青混合料路面温度，减小路面温度域，减小路面病害频发温度区间内升降温速率，可减轻沥青路面高、低温病害，提高路面的使用性能[2-4].目前，国内外主要从路用相变材料研发与优选、相变材料调温性能、相变材料对沥青及沥青混合料性能的影响等方面做了一定研究.路用相变材料常包括聚乙二醇[5-6]、负载型复合相变材料[7-8]，以及微胶囊相变材料[9-10].Athukorallage等[11]通过有限元模拟分析在上面层下铺设相变材料层与含不同体积分数相变材料的沥青混合料层的调温情况，得出铺设相变材料层时路面表层温度高于普通路面，而铺设体积掺量小于60%的沥青混合料，可有效降低路表温度.Du等[12]分析了掺与未掺相变材料沥青混合料的温度差异，并建立了调温沥青混合料温度预测模型.针对沥青路面温度场，研究学者均以实测普通沥青路面温度研究外界因素与路面温度场的对应关系，以及建立路面温度场预估模型为主要研究内容.延西利等[13]建立了全厚式路面温度数据库，利用数值方法确定了路表温度，最终建立了沥青路面全厚度范围的温度场.单景松等[14]利用有限元模型得到路表最高温与大气温度与太阳辐射量等气候因素之间的关系式，建立了路面不同深度处温度随时间变化的温度场预估模型.Ariawan等[15]针对高温、潮湿地区，研究了大气温度和湿度对沥青路面温度的影响，并以温度和湿度作为独立变量，建立了路面温度预估的线性回归模型.

相变调温沥青混合料以其调温特性区别于普通沥青混合料，具体体现为在相变材料处于相变温度区间内时，混合料的表观比热发生较大变化进而影响沥青路面温度场分布.而国内外，就相变调温沥青混合料温度场变化研究较少.

由此，关于相变调温沥青混合料的温度场研究缺乏.为进一步研究相变材料在沥青混合料内部具体调温进程与影响相变调温效果的外在因素，制作微胶囊相变调温沥青混合料室外调温模型，以大量实测的温度场数据为基础，对比分析不同环境下模型温度场的变化情况，并分析出现相应温度变化的成因.同时，进一步分析特征温度界面在调温模型内部的移动情况，以期为MEPCTA的调温过程及其影响因素的研究提供一定的参考依据.

1 原材料

试验采用韩国SK90#A级道路石油沥青，技术指标均符合文献[16]要求.粗集料为闪长岩，表观相对密度2.775，吸水率0.52%；细集料为机制砂，表观相对密度2.745，砂当量83%；矿粉为石灰岩质，干燥、洁净、无团粒结块，表观相对密度2.712，含水量0.4%，各技术指标均满足规范要求.

MEPCTA以白炭黑与十四烷制备的定形相变材料为囊心、乙基纤维素(EC)为囊壁、二乙酸甘油酯(GD)和无水乙醇混合为溶剂，通过微胶囊法制备而成，其相变特性见图1.

图1 MEPCT的DSC曲线

由图1可知，MEPCTA的相变吸热温度区间为4.54～26.64 ℃，峰值温度为11.61 ℃，相变焓值为80.24 J/g；相变放热温度区间为2.16～-31.65 ℃，峰值温度为-4.83 ℃，焓值为80.31 J/g.

沥青混合料类型为AC-13，不同粒径规格矿料质量比为：10～15 mm∶5～10 mm∶0～5 mm∶矿粉=22%∶34%∶41%∶3%；通过马歇尔试验确定最佳油石比为4.9%；调温剂掺量为0.3%，以干法工艺掺入.

2 室外调温模型的建立

调温模型由三块30 cm×30 cm×10 cm的车辙板由下至上依次叠放而成.为保证热量在模型内传递的连续型，使用与车辙板相同沥青、矿粉与细集料制备沥青砂浆填补车辙板间缝隙，为保证模型各表面空气均匀流动，室外调温模型通过支架架空，模型内温度通过埋设于其内的温度传感器采集.室外调温模型整体效果与内部传感器的分布见图2.

图2 室外调温模型整体效果和传感器分布图

在模型内特定位置处布设温度传感器，见图3.以相变调温沥青混合料调温模型内传感器布设为例，沿模型中心位置竖直方向由上至下布设M1～M3；沿模型上层水平纵向中线由前向后，编号依次为L1，L2，M1，L3和L4；沿模型下层水平横向中线由左向右布设，编号依次为T1，T2，M3，T3和T4.普通沥青混合料模型内传感器布设位置与所例相同，以编号前均加N区别.

图3 室外调温模型温度传感器布设平面图及剖面图(单位：mm)

3 微胶囊相变调温沥青混合料室外模型温度场分析

室外模型温度实时监测时间为2016年12月10日08:00—12日09：00(10日晴转多云，环境温度为0.7 ～8.6 ℃；11日晴，环境温度为-0.6～11.7 ℃).通过实测温度数据，分析掺与未掺MEPCTA调温模型温度场变化差异，并具体分析相变调温沥青混合料室外模型在不同温度、光照环境条件下的各层位温度变化情况.

3.1 掺与未掺微胶囊型相变调温剂沥青混合料室外模型温度场对比分析

对比分析掺与未掺微胶囊型相变调温剂模型内L1、L4与T1三个位置的温度变化情况，具体温度变化及温度变化速率见图4.

图4 掺与未掺MEPCTA沥青混合料室外调温模型温度变化和温度变化速率

由图4a)可知，升温阶段，掺MEPCTA室外模型内部各点温度低于未掺的；而降温阶段，前者又高于后者.由此可知MEPCTA发挥了一定的潜热调温作用，能够在升温时段抑制沥青混合料温度上升过高和在降温时段防止沥青混合料温度下降过低.

升温阶段，掺与未掺MEPCTA沥青混合料模型内同一位置温度在某一时刻开始出现差异，且温差随时间逐渐增大；降温阶段，温差逐渐减小，并出现反温差；峰值温度越大，温差越大，各位置温差为1 ℃左右，最大1.7 ℃.由图4b)可知，相变调温模型内各位置温度变化速率及幅度均低于普通沥青混合料模型，随模型温度达到相变起始温度5 ℃时，温度变化速率差值逐渐增大，此差异在温度变化较快时较为显著，最大温变速率差值为0.8 ℃/h.由此可知，当温度达到MEPCTA相变起始温度时，MEPCTA开始发挥潜热调温作用，延缓模型内温度变化.不同升降温阶段内，掺与未掺MEPCTA沥青混合料模型内各位置温差从出现至达到最大值历经不同温度变化范围和持续时间；同时，在相同环境温度下，掺与未掺MEPCTA模型各位置处温差也不相同.由此推断，外界温度变化以及模型内调温剂分布位置的不同会影响MEPCTA潜热调温过程的持续时间和调温效率.

3.2 微胶囊相变调温沥青混合料室外模型温度场分析

监测所得模型内各位置温度变化见图5.

图5 微胶囊相变调温沥青混合料室外调温模型温度变化

由图5可知，模型整体温度随环境温度同步变化.10日为阴天，模型温度与环境温度相差较小，且升温速率较小，热传递的滞后效果不明显，模型各位置同一时刻温度相差较小；11日太阳光照强度较强，模型整体温度高于环境温度，由于模型表面在光照下迅速升温，该升温过程中，MEPCTA潜热效率较高，热量向模型内部传递减少，模型各位置的温度变化响应随深入模型距离的增加而逐渐滞后，温度变化幅度及速率也逐渐降低.为了更直观的分析调温模型内各位置处的温度变化情况及规律，对模型沿竖直方向、纵向、横向的温度变化做进一步分析.

3.2.1竖直深度方向温度变化情况

相变调温模型沿竖向温度变化及温度变化速率见图6，图中坐标标注分别为环境及模型温度峰值点.

图6 微胶囊相变调温沥青混合料室外调温模型沿竖向温度变化

由图6可知，升温阶段，由于模型上部首先受到太阳辐射且热量传递具有滞后性，峰值温度依次延后出现，这种滞后性较多云天气(10日)在晴天(11日)时较为显著，这是由于温度变化速率较快，同时在温度较高情况下MEPCTA以潜热形式存储热量效率较高；降温阶段，模型中热量由下到上向外释放，模型底部降温速率较低、最低温出现最晚，但各位置差别及相对于环境温度的温度滞后效果并不明显，这是由于MEPCTA的相变放热温度区间为2.16～-31.65 ℃，而实测时环境最低温度仅为-0.6 ℃，MEPCTA未能较好的产生调温作用.由12月11日温度变化及峰值点坐标可知，环境温度于11:50达到峰值温度，而模型上部峰值温度滞后约2 h，此时环境温度仅为其峰值温度的60%，避免了模型峰值温度与环境峰值温度的重合.

3.2.2上层纵向温度变化情况

相变调温模型沿上层纵向的温度变化及温度变化速率见图7.

图7 微胶囊相变调温沥青混合料室外调温模型沿上层纵向温度变化

由图7可知，升温阶段，模型内由前向后各位置升温速率逐渐减小，环境温度变化越大，各位置温度峰值相差越大，峰值温度的出现时间也依次延后；降温阶段，热量由内向外逐渐释放，限于试验场地条件模型后侧有障碍物，而前部散热条件良好，热量主要由前部向外辐射，模型上层纵向各点最低温度由前向后依次出现.12月11日，环境温度于11:50达到峰值温度，而模型前部峰值温度滞后约1 h.

3.2.3下层横向温度变化情况

相变调温模型沿下层横向温度变化及温度变化速率见图8.

图8 微胶囊相变调温沥青混合料室外调温模型沿下层横向温度变化

由图8可知，升温阶段初期，模型左侧受太阳光照辐射，模型温度沿横向由左向右逐渐降低；正午时太阳光直射模型上部与前部，下层横向各位置吸热状态相近，温度峰值相差较小；降温阶段，太阳光直射模型右侧，此时光照强度已明显减弱，各位置温度趋于相同.12月11日，环境温度于11:50达到峰值温度，而模型左侧峰值温度滞后约1.5 h.由此，升温阶段模型下层横向各位置峰值温度出现时间依次延后；降温阶段，各位置温度变化无较大差异.

由此可见，外界温度环境和太阳光照条件是微胶囊相变沥青混合料室外模型温度场分布及变化主要决定因素，同时，模型内不同朝向、不同深度位置处热量交换状态的不同，会影响MEPCTA的调温进程.

4 微胶囊相变调温沥青混合料室外模型特征温度界面

由室外模型温度场变化情况可知，在升降温过程中，模型外侧形成正(负)温度梯度界面，并随环境温度变化逐渐向模型内部移动，当模型内某位置处界面温度达到相变初始温度时，该位置处MEPCTA相变特性被激发，以潜热形式储存(释放)热量达到调温效果.将MEPCTA相变起始温度及峰值温度作为特征温度，其所在界面为特征温度界面.

升温阶段，取5 ℃作为起始特征温度、10 ℃作为峰值特征温度值，分析5，10 ℃特征温度界面在模型中的移动情况；降温阶段，仅取降温阶段相变起始温度3 ℃作为起始特征温度进行分析.以环境温度达到特征温度值的时刻为起始时间，根据各特征温度界面的移动情况分析不同位置处MEPCTA的调温状态.各特征温度界面起始时间点见表1.

表1 升降温阶段内特征温度界面起始时间点

由表1可知，升温阶段，环境最高温越高，相变起始特征温度界及峰值特征温度界面越早出现，模型内MEPCTA越早发生相变潜热作用；降温阶段，环境最低温越低，相变起始特征温度界面出现的时间也越早.

4.1 升温阶段特征温度界面分析

以表1中各起始时间为零点，按观测点在模型内的不同排列方式计算各特征界面依次到达模型各位置所用的时间，模型前部、左侧、上侧表面分别为按上层水平纵向、下层水平横向、中心竖直排列的各观测点的距离零点.

1) 5 ℃面特征温度界面5 ℃特征温度界面变化情况见图9.

图9 5 ℃特征温度界面沿模型变化情况

由图9可知，随着环境最高温度的增大，5 ℃特征温度界面由起始位置按各排列方式依次到达各位置的时间整体缩短.在同一温度环境条件下，5 ℃特征温度界面依次到达各位置所需的时间逐渐延长，所需时间延长的幅度逐渐减小.表明环境最高温越高，MEPCTA越早发挥潜热调温作用.鉴于模型各表面均与外界环境接触，选取起始位置至中心位置区域内界面移动情况进行计算.5 ℃特征温度界面沿上层纵向由5 cm移至10 cm各温度条件下平均耗时16.5 min，同样沿下层横向平均耗时17.7 min，对于沿竖向选取由10 cm移至15 cm，平均耗时6.7 min.

2) 10 ℃特征温度界面10 ℃特征温度界面变化情况见图10.

图10 10 ℃特征温度界面沿模型变化情况

由图10a)可知，与5 ℃特征温度界面相反，环境最高温度越高，10 ℃特征温度界面到达纵向各位置所用时间越长，MEPCTA相变调温作用越明显.同一温度环境下，由于模型表面温度逐渐升高向内传递热量增加，且模型内MEPCTA调温效果减弱，10 ℃特征温度界面沿纵向加速依次到达模型纵向各位置，该现象在最高温较高时较为明显.10 ℃特征界面沿模型上层纵向由5 cm移至10 cm耗时27.5 min，较5 ℃特征温度界面延后66%，说明相变材料在模型温度由5 ℃升至10 ℃过程中较大程度的发挥了潜热调温作用.由图10b)可知，环境最高温度的变化对10 ℃特征温度界面沿模型下层横向移动并无明显影响，这是因为该时间段内阳光直射模型上部和前部，热量沿垂直横向排列方向传递，模型下层横向各位置接收相同热量.由图10c)可知，随着环境最高温度的增高，10 ℃特征温度界面到达竖向各位置的时间逐渐延后.同一环境条件下，该时段太阳直射模型上部，热量竖直向下传递，部分被MEPCTA以潜热形式吸收，10 ℃特征温度界面沿竖向依次到达模型各位置的时间逐渐延后，并且时间延长的幅度逐渐减缓.同样，10 ℃特征界面在沿模型下层横向与中心竖直方向移动相同距离较5 ℃特征界面耗时分别增加20%、45%.综上，环境升温越快，MEPCTA越快完成相变调温过程，其延缓模型温度上升的效果越显著.

4.2 降温阶段特征温度界面分析

3 ℃特征温度界面变化情况见图11.由图11可知，环境最低温度越低，3 ℃特征温度界面越早达到模型各位置，MEPCTA越早发挥相变调温作用.由图11a)可知，在同一降温环境下，由于模型后侧有障碍物干扰，前部空气流动畅通，模型内热量主要由后向前逐渐向外释放，因此3 ℃特征温度界面沿纵向到达各位置的时间随距离的增加而延后.由图11b)可知，在相同降温环境下，由于模型左右侧均有障碍物遮挡，且底部距地面较近，模型下层横向各位置热量散失无明显差异，3 ℃特征温度界面到达位置时间大致相同.由图11c)可知，3 ℃特征界面由15 cm移动至20 cm较由10 cm移至15 cm所用时间平均延后30 min，这是由于3 ℃特征界面先至处MEPCTA发生相态转变放出潜热，延后低温向模型深处的传递.

图11 3 ℃特征温度界面沿模型变化情况

各位置处MEPCTA对周围热量传递的响应程度不同，潜热调温过程存在差异.升降温速度过快，调温剂相态转变过程响应滞后；升降温速度过慢，调温剂相态转变过程未能完全激活.因此调温剂是否发挥潜热作用取决于其周围温度是否达到相变温度，特征温度界面的移动情况，可明确反映出所至模型各位置处MEPCTA的调温状态，同时也是模型温度场的微观表现.特征温度界面的移动速度即为特定温度条件下模型的温度响应的快慢程度，特征界面移动越慢混合料模型的温度敏感性越低.

5 结 论

1) 掺与未掺MEPCTA沥青混合料室外调温模型的温度变化趋势与环境温度同步，但模型内温度变化整体相对滞后.掺MEPCTA的沥青混合料调温模型内部各点的升降温速率与幅度均低于未掺的，最大温差可达1.7 ℃.

2) 微胶囊相变沥青混合料室外调温模型各位置的温度响应随深度增加而逐渐滞后.环境温度处于4.54～26.64 ℃及2.16～-31.65 ℃的时间越长，且温差变化越大，模型内MEPCTA调温作用越强，模型内各位置温差越大、温度变化滞后效果越明显.

3) 特征温度界面在不同升降温环境下到达模型内部的时间随深度距离增加逐渐滞后，模型内MEPCTA开始相变以及基本完成相变是由外而内逐步进行.

4) 升温阶段，环境最高温越高，10 ℃征温度界面由起始位置依次到达各位置处的时间逐渐后，MEPCTA潜热效果越明显；降温阶段，环境最低温度越低，3 ℃特征温度界面依次到达各位置的时间越快，MEPCTA越早发挥调温作用.