相变材料在沥青路面中的应用研究

李梦琪

（辽宁省交通规划设计院有限责任公司，沈阳 110166）

近年来，许多沥青混凝土路面出现了早期损坏，这不仅影响行车的舒适性和安全性，而且造成了巨大的经济损失。究其原因，这些早期损坏大多与温度有关。由于沥青是一种温度敏感性的粘弹性材料，因此沥青混合料会在冬天变硬，在夏天变软，在车辆荷载与环境因素的作用下，沥青路面会产生各种各样的病害，缩短使用寿命。

如何有效延长沥青路面的使用寿命，是学者们长期以来关注的重点。截至目前，研究者们主要通过改进沥青性能、添加纤维材料和优化混合料级配等手段来“被动”应对沥青路面使用时的气温变化，但改善效果并不理想，没有从根本上解决沥青路面出现的病害问题。因此，如何“主动”改善沥青路面的温度适应能力成为了研究者们关注的重点。

近年来，相变材料逐渐被研究者们应用于沥青路面，其通过控制沥青路面的温度场，以减少温度与荷载对沥青路面的损坏。因此，本文提出了沥青混凝土路面所用相变材料的主要性能要求与标准，并对相变材料在沥青路面中的应用研究进行了总结。

1 相变材料概述

1.1 相变材料分类

相变材料是一种通过利用相变过程中释放或者吸收的热量来进行储能潜热的材料，相变材料在相变过程中能够保持本身温度恒定，是因为材料将热量以潜热的形式释放给环境或储存于自身[1]。

根据化学特性，相变材料可以分为有机类、无机类及复合类；按材料相态转变时的存在形式可分为固-固类、固-液类、液-气类和固-气类4 种类型；按照相变温度范围可分为低温、中温及高温相变材料。具体如图1所示。

图1 相变材料的分类

有机类相变材料包括盐类、脂肪酸及烷烃等有机物。这类材料在相变时具有性能稳定、成型好、成本低和腐蚀性较小等优点。由于沥青混合料和有机类相变材料均属于有机材料，因此添加此材料对沥青路面的性能影响较小。与此同时，有机类相变材料相变时温度与沥青路面使用温度较为相近，这样更有利于实现相变调温效果。

无机类相变材料包括结晶水合盐及金属合金等，结晶水合盐类最为典型，虽然这类材料具有成本低、体积变化小等优点，但也存在稳定性不良、腐蚀性严重等缺点。同时由于无机类相变材料的相变温度较高，会对沥青混合料性能产生较大影响，因此此类型相变材料不适合在沥青路面中使用。

复合类相变材料将载体和材料结合在一起形成固相的复合型材料，其改善了一般相变材料不易保存及导热率低等不足，但成本相对较高。与无机类、有机类相变材料相比，复合类相变材料扩展了相变材料的应用范围，更适合在沥青混合料中进行应用。

1.2 复合类相变材料的封装方法

复合类相变材料的主要有3 种封装方法，分别为物理混合法、化学合成法及微胶囊法，如图2 所示。

图2 复合类相变材料的封装方法

物理混合法包含多孔吸附法、直接混合法及熔融共混法。其中多孔吸附法使用最为频繁，其原理为利用材料的多孔结构，将相变材料吸附上去。硅藻土、高岭土等为较常用的多孔吸附材料，但多孔吸附材料的材料大小与泄露的可能性相互制约，因此应用起来较为困难。

化学合成法主要应用于固-液类相变材料，其原理为利用化学共聚等化学方法将相变材料封装进载体，但由于应用相变材料相态较为局限，因此沥青路面用相变材料较少采用此种封装技术。

微胶囊法是将相变材料包裹进高分子材料形成的胶囊里，以防止材料泄露。主要包含物理法、化学法及物理化学法。其中物理法主要包含喷雾干燥法、空气悬浮法及静电结合法等；化学法主要包含原位聚合法、界面聚合法及悬浮凝聚法等；物理化学法主要包含离心挤压法、囊芯交换法及复相乳液法等。

1.3 沥青路面用相变材料的技术要求

沥青路面用相变材料不仅要满足路面工程的技术要求，还需承受行车荷载、环境等因素的影响。因此相变材料还需有如下技术要求。

1）为有效减轻沥青路面中早期病害，相变材料的相变温度应满足沥青路面使用的范围要求。

2）相变潜热高，导热系数大、密度大及比热容大。能够保证相变材料有较高的导热性能和对温度调节的及时性。

3）具有良好的稳定性，保证其能够在沥青路面中不被降解。

4）无毒、无腐蚀性且安全性好，同时与沥青路面具有较好的相容性。

5）相变可逆性好、膨胀收缩性小、过冷或过热现象少。

2 基于相变材料的调温沥青路面

2.1 高温降温特性

丁庆军等[2]发现将聚乙二醇相变材料应用溶胶-凝胶法掺入到沥青及沥青混合料中，随着聚乙二醇掺量的增大，聚乙二醇改性沥青的黏性增大，温度敏感性及延度下降。同时，得到掺入相变材料的AC-20 沥青混合料，在室外温度条件下其高温稳定性有所提高，但对低温性能影响不大。

Chen 等[3]提出了沥青路面用相变材料的选择标准，同时，采用相变温度范围为40～50 ℃的石蜡/膨胀石墨稳定相变材料，将其掺入沥青混凝土中，结果证明了在沥青路面中掺加相变材料有降温防车辙的功效。

He 等[4]采用不同含量的聚乙二醇/硅溶胶相变材料，将其与沥青进行物理混合，得到相变沥青混合料的起始温度约为44 ℃，同时随着相变材料含量的增加，相变焓也逐渐升高，混合物几乎没有质量损失，在20～200 ℃时仍具有良好的稳定性。

曹长斌等[5]采用聚乙二醇作为相变材料，将其掺入到沥青及沥青混合料中，结果表明，当聚乙二醇掺量为15%和20%时，沥青路面可分别降温1.3 ℃和1.4 ℃。

彭莹等[6]将活性炭作为基体，采用聚乙二醇相变材料制备出复合固-固相变材料，并将其掺入沥青中进行改性，最后对不同掺量的相变材料改性沥青进行老化、高低温交变等处理，观察其外观，并利用电子拉力试验机和热机械分析仪测试改性沥青的软化点、延性等性能，得出当此复合固-固相变材料掺量为20%时，沥青的改性性能最佳。

程耀飞等[7]制备聚乙二醇／多孔火山岩相变材料，将其代替一部分粗集料掺入到冷拌沥青混合料中，经测试路面温度可降低3.6 ℃左右。

Wei 等[8]通过差示扫描量热法测定出合适的相变温度值，提出了复合材料的质量比，以解决沥青路面的温度分布问题。

何丽红等[9]采用石蜡/膨胀石墨复合相变材料，将其掺入到冷拌沥青混合料中，采用室外实验得到其降温幅度最大可达5.2 ℃。

沙爱民等[10]研制出主动降温的固-固相变材料，将氧化石墨烯原位引入聚氨酯固-固相变材料中，在保证相变储热密度的同时显著提升了导热能力，有利于提高相变材料对沥青路面温度的准确感知和主动降温能力。

王慧茹[11]研究了聚乙二醇/硅藻土（CPCM）掺量与沥青混合料动稳定度的关系见表1，发现动稳定度随着CPCM 掺量的增加而增加。

表1 CPCM 掺量与动稳定度的关系

2.2 低温抗冰凝特性

马骉等[12]将由不饱和酸、B-亚麻酸和Y-亚麻酸所制备的特定相变材料掺进SBS 改性沥青中，通过室内试验得到，添加相变材料后沥青的低温稳定性能得到明显提高，但高温稳定性降低，同时对短期老化后的长期性能不利。

比利时道路研究中心的Cocu 等[13]采用正十四烷烃/二氧化硅固-液相变材料来替代部分集料制备多孔沥青混合料，制成具有除冰效果的相变沥青混凝土，这种沥青混凝土可延缓达到极低温的时间，可有效抑制结冰，但是此种沥青混凝土中的相变材料容易泄露，从而影响沥青路面的其他性能，因此相变材料的添加量有限，使得抑冰除雪效果并不明显。

刘松涛等[14]在沥青中添加有机类相变材料后进行三大指标试验，发现随着有机类相变材料的添加，沥青混合料的低温稳定性能提高，但高温稳定性降低，同时对短期老化后的长期性能不利。

Manning 等[15]利用石蜡，将其吸附于细集料上来制备沥青混合料，与对照组相比，得到此种复合混合料具有一定的抗冰凝效果，但效果不佳，抗冰凝时间较短的结论。

朱建勇等[16]在沥青中掺入相变分子合金材料并进行试验，得到随着相变分子合金材料的添加，沥青流变性会有明显改善的结论，并根据以上试验确定了此种复合材料的基本配合比。

乔建刚等[17]采用基础相变材料聚乙二醇，载体合成材料丙烯酰胺，聚合促进剂过硫酸钾等原料组成适用于沥青混合料的相变材料，使用该相变材料能有效降低沥青混合料的温度敏感性，提高其水稳定性能和低温性能，同时提高了道路的温度调节能力，从而提高路面整体寿命。

3 结束语

随着新能源不断的开发和利用，潜热储能技术的应用将越来越广泛。作为一种可应用到沥青混凝土路面中的新型材料，相变材料具有良好的前景。

截至目前，相变材料在沥青混凝土路面中的应用处于起步阶段，仍有很多问题在不断出现，比如加入相变材料后沥青混合料的长期稳定性，高温拌合沥青混合料时对相变材料的影响和降温效果等等。因此，仍需进一步研究相变材料在沥青路面中的应用，主要体现在以下几个方面。

1）对复合相变材料的成型工艺进行研究，获得相变潜热高、导热性能优良，稳定性好，成本较低且适用于沥青路面的新型复合相变材料。

2）对相变沥青混合料的长期稳定性和降温效果进行进一步研究，提高相变沥青路面的耐久性，使相变沥青混合料适用于不同的温度条件。

3）优化相变材料掺入沥青混合料的方式，提高两者的相容性。

4）相变沥青混合料的设计方法和评价标准有待进一步探究。