沥青路面相变储能材料筛选研究

杨建新，刘林林，卢 健

(苏交科集团股份有限公司，南京 210019)

近年来，沥青路面在我国公路建设领域应用广泛。然而，沥青胶结料属于黑色吸热材料，在光照下易吸收、储存热量，会使路面温度超过其正常使用温度，引发高温病害[1-3]。

在此背景下，亟须探索新材料、新技术以改变沥青路面温度场，使沥青路面温度处于正常使用温度范围。相变储能材料具有释放、吸收热量的潜热特性，将其应用于公路沥青路面有助于解决上述问题。相变储能材料种类繁多，有必要根据沥青路面使用特点，对相变储能材料进行性能测试，以优选适合沥青路面的相变储能材料[4]。

本文选取多种相变储能材料，采用差示扫描量热(DSC)试验、热重分析(TG)试验和傅里叶红外光谱(FT-IR)试验对其进行性能测试，筛选适合沥青路面的相变储能材料，以期为相变储能材料在沥青路面的应用和推广提供理论基础。

1 试验方案

1.1 主要设备和仪器

本试验采用的主要设备和仪器包括：Netzsch-STA449C同步热分析仪，制造商为德国耐驰仪器制造有限公司；PE Spectrum红外光谱仪，制造商为珀金埃尔默企业管理(上海)有限公司。

1.2 主要原材料

试验采用的主要原材料如表1所示。

表1 试验采用的主要原材料

1.3 性能测试

采用差示扫描量热试验测定相变储能材料的热性能参数，试验升温速率为2 ℃/min，保护气和吹扫气均为高纯氮，流量为20 mL/min。

采用热重分析试验测定相变储能材料的热稳定性，试验升温速率为10 ℃/min，保护气和吹扫气均为高纯氮，流量为20 mL/min。

采用傅里叶红外光谱试验测定相变储能材料的化学稳定性和化学兼容性。

2 技术要求

应用于沥青路面的相变储能材料，需满足相关技术要求[5]。

2.1 相变区间

我国沥青路面常用的沥青胶结料软化点为50 ℃～80 ℃，在夏季，沥青路面温度可达60 ℃～70 ℃，在冬季，沥青路面温度低至-10 ℃。因此，为保证沥青胶结料温度低于软化点温度，且保证沥青路面温度不低于0 ℃或减少沥青路面低温暴露时间，相变储能材料的相变区间宜为-50 ℃～-1 ℃，相变起始温度宜为35 ℃～50 ℃[6-9]。

2.2 相变潜热

在夏季，沥青路面高温作用时间较长，通常至少达到4 h。长时间的高温或低温条件下，沥青路面易出现裂缝；气温达到冰点时，沥青路面易结霜凝冰，这就需要相变储能材料的单位体积或者单位质量具有较高的相变潜热，以吸收、储存和释放更多的热量[10]。

2.3 相变循环稳定性

沥青路面在设计使用寿命内需持续承受环境高温和低温的循环作用，这就要求沥青路面所使用的相变储能材料可以反复完成相变过程，并且在相变潜热过程中无热量损失[11-12]。

2.4 热稳定性

我国绝大多数沥青路面采用热拌沥青混合料，一般在高温下进行施工，这就要求相变储能材料在高温施工过程中仍能保持原有性质，不发生热分解等化学反应，储热性能无损失，即在超过200 ℃的高温条件下仍保持稳定状态[13-14]。

2.5 化学兼容性

相变储能材料的作用是改变沥青混合料温度场，因此应在沥青混合料中以稳定状态存在，不应与沥青混合料中的组分发生化学反应。相变储能材料不应减弱沥青混合料的路用性能，且应与沥青混合料有良好的化学兼容性。

3 结果与讨论

3.1 热性能参数

对无机盐水合物、有机物等多种相变储能材料进行DSC试验，分析相变储能材料的热性能参数[15-16]。相变储能材料的热性能参数如表2所示。

表2 相变储能材料的热性能参数

由表2可知，不同种类和组成结构的相变储能材料的熔点和相变焓均存在差异。仅从温度匹配角度判断，满足沥青路面相变储能材料要求的较多。

3.2 相变循环稳定性

3.2.1 过冷度

对多种相变储能材料进行DSC测试，研究相变储能材料的过冷度，相变储能材料的过冷度如表3所示。

表3 相变储能材料的过冷度 (℃)

由表3可知，结晶水合盐相变储能材料和有机相变储能材料的过冷度相差较大，有机相变储能材料的过冷度较小。如过冷度过大，会导致材料不能及时发生相变，影响热量的释放和利用。因此，应选择过冷度较小的相变储能材料应用于沥青路面。

3.2.2 相分离现象

通过调研发现，绝大多数的结晶水合盐都会出现相分离现象，有机相变储能材料不易发生相分离[17-18]。

因此，在选择沥青路面相变储能材料时，建议采用过冷度小且无相分离的有机相变储能材料，不建议采用结晶水合盐相变储能材料。

3.3 热稳定性分析

相变储能材料热重曲线如图1所示。

由图1可知，52#石蜡和58#石蜡在150 ℃条件下开始失重，但失重程度不明显；在200 ℃时，52#石蜡和58#石蜡的失重率分别为2.37%和2.85%。月桂酸和硬脂酸在160 ℃左右开始失重，但失重程度不明显；在200 ℃时，月桂酸的失重率高达33.76%，硬脂酸失重率仅为4.27%。十四醇在170 ℃左右开始失重；在200 ℃时，十四醇的失重率达6.66%。新戊二醇在100 ℃开始失重；在200 ℃时，新戊二醇的失重率为99.9%。PEG2000和PEG4000在80 ℃开始失重，但质量损失较小，并且随着温度升高，失重率增速变缓；在200 ℃时，PEG2000和PEG4000的失重率分别为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 ℃的高温，石蜡和PEG能够承受200 ℃的高温而不分解。

(a)石蜡

综上所述，相变储能材料在200 ℃条件下的失重率排序为：新戊二醇>月桂酸>十四醇>硬脂酸>PEG2000>58#石蜡>52#石蜡>PEG4000。新戊二醇、月桂酸、十四醇、硬脂酸在200 ℃时会分解，石蜡会影响沥青路面的路用性能。因此，沥青路面相变储能材料建议选择能够承受200 ℃高温而不分解的PEG。

3.4 化学稳定性

选取高温(200 ℃)和常温(20 ℃)两种温度水平，采用FT-IR试验测定PEG相变储能材料的化学稳定性，高温处理时间为1 h。不同温度条件下PEG2000的红外光谱如图2所示。

图2 不同温度条件下PEG2000的红外光谱

与高温PEG2000相比，常温PEG2000特征吸收峰的位置未发生变化，说明PEG2000经过200 ℃高温处理后不会发生化学变化，化学性质较稳定。

3.5 化学兼容性

以PEG2000-SBS改性沥青和SBS改性沥青的混合物为试验组，SBS改性沥青为对照组，对其化学兼容性进行测定，PEG2000-SBS改性沥青和SBS改性沥青的红外光谱如图3所示。

图3 PEG2000-SBS改性沥青和SBS改性沥青的红外光谱

由图3可知，与SBS改性沥青相比，PEG2000与SBS改性沥青的混合物红外光谱中未产生新的特征吸收峰，原有特征吸收峰也未消失。结果表明，PEG2000与SBS改性沥青之间未发生化学反应。

4 结论

(1) 根据沥青混合料的生产、使用特点，提出了相变储能材料在沥青路面中的适用条件。

(2) 新戊二醇、月桂酸、十四醇、硬脂酸在200 ℃ 高温下易分解，PEG在高温下不易分解，其满足热拌沥青混合料的施工温度要求。

(3) PEG经高温处理后不发生化学变化。PEG2000与SBS改性沥青混合后未发生化学反应，将其应用于沥青中将不会影响自身储热性能。

(4) 沥青路面相变储能材料建议采用过冷度小、无相分离的PEG有机相变储能材料，不建议直接采用结晶水合盐、石蜡、脂肪酸、脂肪醇、多元醇相变储能材料。