相变控温沥青混凝土的制备与性能研究

沥青为黑色材料，吸热能力强，夏季易引起路面高温，对道路耐久性、交通安全和生态环境造成严重影响。本项目拟将相变材料作为沥青混凝土的功能组分，利用其相变吸热、体系近似恒温的特性，控制路面温度，以解决路面高温产生的系列问题。为实现相变材料与沥青混凝土的融合，拟将固-液有机相变材料与多孔矿物载体材料复合改性，以集料与填料形式制备出定形相变材料；采用模糊理论-均匀设计-统计调优有机结合的方法，结合沥青混合料设计原理，制备出能调节路面温度的相变控温沥青混凝土。采用连续介质损伤力学理论研究车辆荷载-温度耦合作用对其热学性能、路用性能及微观结构的影响机制；基于路面温度场理论和沥青的粘-温特性，建立路面控温效果模型，为解决路面高温问题提供新技术和理论基础。本项目的开展对提高和保证道路工程结构的耐久性和安全性，实现道路工程与环境友好目标具有重要的理论和实际意义。

沥青为黑色材料，吸热能力强，因而在夏季易引起更高的路面温度，导致车辙、推挤等病害，对道路耐久性、交通安全和生态环境造成严重影响。本项目将相变材料PCM作为沥青混凝土的功能组分，利用其相变吸热、体系近似恒温的特性，控制路面温度，以解决路面高温产生的系列问题。首先，基于沥青混凝土的车辙动稳定度和夏季宜居环境要求，确定了夏季沥青路面控温范围为沥青软化点或当量软化点±（3～5）℃，以此作为PCM相变点的选取依据。为解决PCM在沥青混凝土中的植入技术问题，采用多孔矿物载体材料（有机化蒙脱土OMMT与钢渣集料）制备了微粉系与集料系两种类型的定型相变材料SSPCM，同时采用商用的SSPCM，分析了其热性能、组成结构、微观形貌，研究了不同SSPCM对沥青性能的影响，优选出可用于制备相变沥青混凝土的SSPCM。以武汉地区气候特点为基础，借鉴SHRP计划相关规范，计算了PCM的理论掺量。在此基础上，采用热拌、冷拌与自流平灌浆技术制备了3种不同类型的相变控温沥青混凝土，并采用室内模拟太阳辐射环境的升温试验、轮辙试验、三点弯曲实验以及Hot Disk导热系数仪，分别研究了不同混凝土的控温性能、高低温路用性能与热学性能，结果发现采用灌浆技术制备的相变控温水泥沥青复合式混凝土能实现控温功能与路用性能的平衡，具有较好的工程应用前景。该复合混凝土车辙动稳定度达到21000次/mm，弯曲劲度模量14385MPa，分别为通密级配沥青混凝土的3.6倍、6.6倍；同时其导热系数大则导热散热快，且其体积热容小，则显热储热能力小，因此该混凝土路面在夏季更不易产生高温病害。最后，基于路面温度场理论和沥青的粘-温特性，建立了相变控温水泥沥青复合式混凝土路面的控温效果模型，通过ANSYS软件分析，模拟了该路面在夏季持续高温天气下的温度场分布，并采用三层叠加车辙板进行室外光照试验，验证和评价了温度场模拟结果。该项目研究成果以系列文章发表在国内外专业杂志上，目前已发表论文8篇，其中SCI收录2篇、EI收录5篇；申请国家发明专利2件，其中1件已授权；培养本科生3名、硕士生4名。该项目研究成果为解决沥青路面高温所产生的系列问题提供了理论基础与技术指导。