沥青路面用聚氨酯固-固相变材料的可控合成及其改性沥青调温作用机理研究

Asphalt is a typical temperature-sensitive material. Consequently, the asphalt pavement faces a number of diseases related temperatures. These diseases related temperatures not only reduce life span and service performance of the asphalt pavement, but also seriously affect the road traffic safety. The phase change materials (PCMs) have a remarkable capacity for thermal energy storage and stabilization. Therefore, it can be applied in asphalt to control the temperature variation of asphalt pavement, lighten the asphalt pavement diseases related temperatures, and extend the service life of the asphalt pavement. At present, the application of PCMs is challenging in asphalt pavement because of the complex working condition. PCMs often leak from asphalt mixture at working process which reduces the durability of PCMs. In addition, the mechanism of PCMs for asphalt pavement has not been fully studied. In this work, polyurethane solid-solid PCMs for asphalt pavement are synthesized by chemical methods, and the phase transition mechanism of the polyurethane solid-solid PCMs is analyzed. Furthermore, the polyurethane solid-solid PCMs are mixed in the asphalt to develop the modified asphalt. The factors affecting the properties of modified asphalt are investigated in detail. The temperature control behaviors of the modified asphalt are discussed, and meanwhile, the temperature control mechanism of the modified asphalt is analyzed.

沥青是一种典型的温度敏感性材料，沥青路面也面临着一些与温度相关的病害。这些与温度相关的病害不仅降低了沥青路面的使用性能和寿命，也严重影响公路运输安全。相变材料(PCMs)在相变过程中可以进行热量的存储和释放，具有调节温度的功能，将PCMs添加到沥青中，可以主动调控环境温度变化下的路面使用温度，减轻沥青路面与温度相关的病害，延长沥青路面的使用寿命。目前，在沥青路面用PCMs制备和实际应用上所面临的瓶颈问题是：现有的沥青路面用定型PCMs在与沥青混合料加热拌合过程中PCMs易泄漏，同时沥青路面用PCMs的调温机理有待深入研究。本项目利用化学法可控合成出适用于沥青路面的聚氨酯固-固PCMs，分析聚氨酯固-固PCMs的相变作用机理；在此基础上，将合成的聚氨酯固-固PCMs添加到基质沥青中制备改性沥青，研究影响改性沥青性能的因素，分析改性沥青的调温行为，并揭示其调温作用机理。

沥青是一种典型的温度敏感性材料，沥青路面也面临着一些与温度相关的病害。这些与温度相关的病害不仅降低了沥青路面的使用性能和寿命，也严重影响公路运输安全。将相变材料(PCMs)添加到沥青中，可以减轻沥青路面与温度相关的病害，延长沥青路面的使用寿命。本项目以低聚物多元醇（不同类型及分子量）为软段，二异氰酸酯和扩链剂（不同类型）为硬段，采用预聚体法合成聚氨酯固-固PCMs。采用差示扫描量热仪、热失重分析仪、广角X射线衍射仪等技术手段，对合成的聚氨酯固-固PCMs进行结构表征和性能测试，通过研究聚氨酯固-固PCMs的分子结构与性能之间的关系，分别制备出了适用于低温及高温环境的路用聚氨酯固-固PCMs。利用非等温DSC法研究了聚氨酯固-固PCMs的非等温结晶动力学行为，并对聚氨酯固-固PCMs的非等温结晶动力学特征进行定量表征。利用原子力显微镜、偏光显微镜等测试手段分析了聚氨酯固-固PCMs的微观结构和相变过程中晶体结构变化过程，结合材料的形变储能特征，揭示聚氨酯固-固PCMs的相变作用机理。将制备的适用于高温和低温环境的聚氨酯固-固PCMs分别掺入沥青中，利用高速剪切法制备了聚氨酯固-固PCMs改性沥青，分析了改性沥青的三大指标、黏度、存储稳定性等常规技术性能指标。研究发现：增大改性沥青中聚氨酯固-固PCMs的掺量，将对改性沥青的延度及存储稳定性产生不利影响。综合改性沥青常规技术性能测试结果，推荐了改性沥青中聚氨酯固-固PCMs的掺量范围，并对制备改性沥青的聚氨酯固-固PCMs进一步进行了筛选。针对制备的适用于不同环境的聚氨酯固-固PCMs改性沥青，分别分析了这两种类型改性沥青温度场的变化规律以及影响改性沥青调温效果的因素。通过对改性沥青热物性参数测试结果的分析，结合改性沥青温度场变化规律，揭示了相变改性沥青的调温作用机理。项目研究成果将为聚氨酯固-固PCMs在道路工程中的推广应用奠定材料和理论基础。