基于相变理论的储热降温沥青路面材料开发及机理研究

我国城市道路和高等级公路多采用沥青路面。沥青材料的太阳热吸收率达到0.85～0.95，因而在夏季沥青路面常常达到60℃以上高温，在交通荷载作用下产生车辙、推移等热稳性病害，影响路面使用性能。高温的沥青路面释放热量和有机挥发物，不但污染周围环境，而且延长低空大气的高温时间，从而加剧城市热岛效应。相变材料（PCM）可在一定温度范围内改变其相态以吸收、贮存或释放大量热量而本身温度保持不变。本项目基于相变理论，探索将相变材料应用于沥青路面的材料学机理，开发具有相变储热功能的沥青路面材料。首先根据相变温度、储热密度等参数筛选适用于沥青路面的相变材料，对不同相变材料进行复配及优化；然后分别研究PCM"湿法"和"干法"掺入沥青混合料的不同工艺，配制不同类型相变储热沥青混合料，通过其储热能力及综合路用性能进行评价和优选。最后通过不同界面动态温度场数值模拟，分析相变储能路面调节路面及环境温度机制。

沥青路面在广泛应用的同时也面临着一系列的温度病害，影响路面使用性能，加剧城市热岛效应。项目基于相变理论，利用相变材料的特性，研发具有相变储热功能的沥青路面材料，实现主动调节路面温度。.首先，根据沥青路面铺面工程技术要求优选出聚乙二醇（PEG）、石蜡为相变功能材料。并将PEG直接掺加到沥青及混合料中，探讨了PEG对沥青及其混合料储热性能和路用性能的影响。.其次，根据沥青混合料的成型温度，分别从冷拌与热拌角度出发制备出对应温度下的复合相变储热材料。一方面，利用3种不同孔径大小的多孔基体吸附石蜡制备石蜡复合相变储热材料，优选出适合于冷拌储能沥青混合料用的石蜡/膨胀石墨相变颗粒，考察了相变颗粒储热效果及其各组分间的相容性。结果表明，当相变颗粒掺量为3%、5%时，冷拌相变沥青混合料可产生约3.3℃、5.2℃的降温幅度，且其高温稳定性和水稳定性符合规范要求。另一方面，采用促凝剂促凝法和温度促凝法制备出适合于热拌沥青混合料的PEG/SiO2复合相变储热材料，运用DSC、XRD、FTIR、TG及POM等分析手段对其结构性能进行表征，考察PEG/SiO2复合相变储能材料的相容性、热性能、结晶性能、热稳定性等,优选出适用于热拌沥青混合料的温度促凝法制备的PEG/SiO2复合相变储热材料。.最后，将PEG/SiO2相变颗粒以等体积替代部分细集料的方式掺加到热拌沥青混合料中，考察相变颗粒对三种不同级配的沥青混合料温度敏感性及高温稳定性的影响。结果表明，PEG/SiO2相变颗粒的掺入可降低沥青混合料的的温度敏感性，当其掺量达到5%时，可在自然光照条件下降温5℃以上，级配对沥青混合料的温度敏感性影响不明显。热拌相变沥青混合料的高温稳定性与相变颗粒的掺量及沥青混合料的级配类型有关。相变颗粒的掺入在降低沥青混合料最高温度的同时可降低沥青混合料发生高温车辙病害的可能性，且对沥青混合料的的水稳定性能和低温性能影响不大。此外，根据PEG/SiO2相变颗粒与沥青的作用机理分析了相变储能沥青混合料的相变传热机理。