聚乙二醇对沥青及其混合料储热性能的影响

第41卷第4期化工新型材料VoL 41 No 42013年4月NEW CHEMICAL MATERIALS·137·心心,心心开发与应用聚乙二醇对沥青及其混合料储热性能的影响曹长斌1罗阳明李文虎2何丽红?朱洪洲2(1.广西交通投资集团有限公司,南宁530002.重庆交通大学土木建筑学院,重庆40004摘要利用相变材料物相转变时吸收或释放大量热量而本身温度保持不变的特性,将相变材料聚乙二醇应用于沥青及沥青混合料中。考察了聚乙二醇对沥青性质、相变沥青混合料降温性能和高温稳定性的彩响。结果表明,聚乙二醇的掺入可降低沥青的温度敏感性,制备的相变沥青与石灰质的集料粘附性良妤;相变沥青混合料具有良好的储热能力,掺量为15%和20%时,相变沥青混合料在自然光照条件下的能主动降温1.3℃和1.4℃,其高温稳定性能满足当前規范要求。此外,通过红外光谱分析得出聚乙二醇与沥青的相互作用形式仅仅是物理共混关键词聚乙二醇,相变材料,储热,高温稳定性Effect of polyethylene glycol on the heat storage performanceof asphalt and asphalt mixtureCao Changbin Luo Yangming Li Wenhu? He lihong? Zhu hongzhou?(l Guangxi Communications Investment Group CO, LTD, Nanning 530000;2 Department of Civil Engineering & Architecture, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074)Abstract Phase change material polyethyl glycol was applied in asphalt and asphalt mixture for using it's featureshich can absorbed and released large amounts of heat and kep temperature constant during phase transition. The influenceof polyethylene glycol on the performance of asphalt, cooling effect and high temperature stability of asphalt mixture weretested and studied. The results showed that phase change asphalt had lower temperature susceptibility, the adhesion between phase change asphalt and aggregates was good; phase change asphalt mixture had favorable heat storage perform-ance. 15% and 20% additions of polyethylene glycol(mass ratio of asphalt)can lower actively temperature of phase changeasphalt mixture 1. 3Cand 1. 4C respectively, which high temperature stability met the requirement of current standard. Inaddition, IR showed that the action mechanism of polyethylene glycol and asphalt was physical blending.Key words polyethylene glycol; phase change material heat storage; high temperature stability沥青路面以其平整度高、行车舒适性好、噪音低等优点被装农业等。若将相变材料应用于沥青路面中,可实现主动广泛应用于公路建设中。但在沥青路面广泛应用的同时也调节沥青路面温度。当外界环境温度剧烈升高时,相变储热伴随着一些问题的出现特别是随着全球气候变暖我国大部路面材料利用其相变将白天高温时的太阳能进行转化,减缓分地区夏季炎热气温往往超过35℃甚至达到40℃,沥青路路面温度的变化,避免路面长时间处于高温状态,不但减少路面表面温度高达60℃以上,使沥青路面的高温稳定性受到严面热稳性病害而且减少路面向环境散热,降低周边环境温峻的考验2。同时,高温的沥青路面释放出大量的沥青挥发度缓解城市热岛效应。马聶等对相变材料应用于沥青混合物影响人居环境且蓄积了大量热能的沥青路面不断释放热料展开了初步的试验研究1。胡曙光等讨论了相变材料聚量导致周围气温升高,加剧了城市热岛效应。若能采取某种乙二醇对基质沥青及沥青混凝土基本性能的影响。比利时措施降低沥青路面温度,则可有效地减轻由高温带来的负面 Cocu X等利用相变材料来延缓路面冰凝1。陈美祝等研究影响了石蜡/膨胀石墨定形相变材料对沥青及冷拌沥青混合料性相变材料是指在一定温度范围内将其物相转变时吸收或能的影响31.张一博等对应用于沥青路面的相变材料进行释放的大量热量以潜热的形式储存,而本身温度保持不变的了优选。材料。它具有热能储存和温度调节控制的特性在许多领本研究利用相变材料物热能储存和温度调节控制的特域具有应用价值如太阳能利用、工业余热回收建筑、纺织服性,将相变材料聚乙二醇(PEG)应用于沥青混合料中,以主动基金项目:国家自然科学基金资助项目(51178491);交通运输部科技项目(2012319-814200);重庆市科技重点攻关计划项目(CSIC2011AB6067);广西省交通运输厅科技计划项目(桂交科2013-11)作者简介:曹长斌(1966-),男,高级工程师,主要从事高速公路建设管理工作化工新型材料第41卷调节沥青混合料温度;研究了聚乙二醇对沥青温性质、沥青混存,在降温过程中会释放热量,从而对沥青的温度产生影响合料降温和高温稳定性的影响在室温~70℃升降温条件下,基质沥青和相变沥青的温度变1沥青混合料用相变材料的选择化曲线如图1所示。5∞5基质沥青依据沥青路面施工和路用性能的要求,沥青路面用相变15%PEG200材料需具有以下性质:合适的相变温度(开始相变温度)020 PEG200060℃;较高的相变潜热;良好的热稳定性和化学稳定性;与沥青的相容性好;相变循环衰减小,热传导系数高体积变化小选用聚乙二醇(分子量2000为相变材料,由江苏省海安石油化工厂提供。采用 Netzsch STA44C综合热分析仪测试其热物性参数,见表1。测试条件:升温速度为10℃/min,图1基质沥青和相变沥青的温度曲线氮气气氛保护。表1聚乙二醇2000热物性参数从图1可看出,相变沥青的温度敏感性较基质沥青明显参数m/℃Tm/℃T/℃△Hm/J/gT/℃减小,且升温阶段更为显著。在升温阶段,当温度低于聚乙二测量值42.496.363.5188.1370醇相变温度时,由于沥青和聚乙二醇导数系数的差异,相变沥注:T一相变起始温度;Tm—相变终止温度;T一相变峰温青的温度稍低于基质沥青;在温度升至约40℃时,聚乙二醇开△Hm一相变焓;Ta分解温度始发生相变,吸收大量热量,相变沥青与基质沥青的温差约l0℃,且随着聚乙二醇掺量的增加温度差值越大。这是因为潜热高,具有合适的相变温聚乙二醇掺量越大吸收的热量也越多;但随着温度持续上升,度,且高温条件下化学性质稳定,能满足普通热拌沥青混合料高温作用时间延长,相变沥青中聚乙二醇吸收的热量趋于饱热拌热铺的施工技术要求。和最终与基质沥青温度相近。在降温阶段,相变沥青中聚乙二醇由液态慢慢转化为固态,释放出热量,延缓了降温速率2实验部分故相变沥青的温度均高于基质沥青,且20%掺量的聚乙二醇2.1聚乙二醇相变沥青的制备与性能测试相变沥青比15%掺量的温度稍高。将干燥的聚乙二醇按15%、20%质量比例缓慢加入到熔3.2相变沥青与集料的粘附性融SK-70基质沥青中,恒温低速搅拌10~15min,混合均匀,制相变沥青集料的水浸法试验结果显示,集料颗粒表面沥备聚乙二醇相变沥青。青膜完全保存,剥离面积百分率接近于0,粘附性等级为5级,将基质沥青与相变沥青浇注在针入度模中,在试样中心相变沥青与石灰质集料的粘附性良好。埋入 LGR-WD41温度记录仪传感器,于室温~70℃升降温条3.3聚乙二醇与沥青的作用机理分析件下测试聚乙二醇对沥青温度的变化规律。依据水浸法考察基质沥青和相变沥青的红外光谱图见图2。15%相变沥青与石灰岩集料的粘附性能。采用 PE Spectrur00红外光谱仪分析聚乙二醇与沥青的相互作用机理测试方20PEG20法为空白KBr压片浸渍法。15%PE2002.2聚乙二醇相变沥青混合料制备与性能测试采用AC-13型沥青混合料级配,集料和矿粉均为石灰岩,基质沥青矿料组成见表2油石比为4.7%,拌制相变沥青混合料(记作400003000200050010004500PCAC)。分别成型15%和20%聚乙二醇相变沥青混合料的标准马歇尔试件和车辙试件,测试其高温稳定性;并采用温度图2基质沥青与相变沥青的红外光谱图记录仪观测室外自然光照条件下相变沥青混合料试件温度的变化。由图2可知,相变沥青和基质沥青的特征吸收峰相近,既表2沥青混合料的矿料级配表无新特征吸收峰出现,也无旧特征吸收峰消失,聚乙二醇与基13.29.54.752.361.180.60.30.150.075<0.075质沥青相互作用过程中没有发生化学变化,仅仅是物理共混作用。1022201110.57.55.53.544聚乙二醇对沥青混合料性能的影响3聚乙二醇对沥青性质的影响4.1聚乙二醇相变沥青混合料的储热性能3.1聚乙二醇对沥青的温度敏感性的影响室外自然光照条件下,相变沥青混合料试件的温度变化曲线如图3所示。聚乙二醇在升温过程中会吸收热量并以潜热的形式储第4期曹长斌等:聚乙二醇对沥青及其混合料储热性能的影响139参考文献1]黎明.浅谈沥青路面病害成因及对策[]企业科技与发展2008,(7):140-14[2]徐利梅沥青路面抗车辙性能强化技术研究[D]西安:长安大6001000140018002200200600学,2009[] Alba B, Marin J M, et al. Review thermal energy storage with图3自然光下PEG相变沥青及普通沥青混合料的温度曲线phase changes: materials, heat transfer analysis and applications[J]. Thermal Applied Engineering, 2003,23从图3可看出,15%和20%聚乙二醇掺量相变沥青混合[4]张仁元相变材料与相变储能技术[M].北京:科学出版社料在温度上升过程中均降低了高温峰值和减小了升温速率,2009:2-5.在14:00~16:00降温幅度最大,分别达到了1.3℃和1.4℃,[5]马,王晓曼李超,等.相变材料在沥青混凝土路面中的应用其中聚乙二醇的有效含量为0.6%和0.8%,计算的理论降温前景分析[J]公路,2009,(12):115-118[6]刘松涛,马髯,李超相变材料对沥青性质的影响[.黑龙江交值相应为1.2℃和1.5℃,与实测值吻合;此外,在温度下降过通科技,2010,11,46-49.程中,相变沥青混合料的温度比基质沥青混合料的温度略高,[7] Li Chao, Ma Biao, Wang Xiaoman, Wang Shasha. Experimental这说明相变材料在温度下降时释放出了热量。由此可见,相study on self-adjustable. Temperature asphalt mixture[C].Pro-变材料在沥青混合料中起到了一定的储热效果,且能够在下eedings of International Workshop on Energy and Environment一相变循环发生之前释放出所储存的热量。in the Development of Sustainable Asphalt Pavements. Xi'an4.2相变沥青混合料高温稳定性Xi'an Jiaotong University Press, 2010: 65-71.相变沥青混合料高温稳定性试验结果见表3。[8] Biao Ma, Shasha Wang, Jin Li. Study on application of PCM in表3基质沥青和相变沥青混合料的高温稳定性试验结果asphalt mixture[C]. Advanced Materials Research, 2011, Vols.AC-13 PCAC-1 PCAC-2160-170:2625-2630技术指标[9]李超相变材料对沥青混合料温度与性能的影响研究[D].西马歇尔稳定度KN16.0410.16安:长安大学,2010动稳定度/(次/mm[10]汪莎莎.沥青混合料用复合定形相变材料制备与性质研究[D].注:PCAC1和PCAC2分别由15%和20%聚乙二醇相变沥青拌西安:长安大学,2011.制的相变沥青混合料试件[11]胡曙光,李潜,黄绍龙,丁庆军相变材料聚乙二醇应用于沥青混合料可行性的研究[J].公路,2009,(7):291295由表3可看出,相变沥青混合料的马歇尔稳定度和动稳[12] Cocu X, Nicaise D, Rachidi S. The use of phase change materialsto delay pavement freezing [C]. Transport Research Arena定度均比基质沥青混合料稍低,但仍能满足当前规范要求。Brussels, 2010这是由于聚乙二醇是一种典型的固液相变材料,在其发生相[13] Chen Mei Zhu, Hong jing, Wu Shao Peng, et al. Optimization of转变时,由固体结晶态转变成流动态的液体,沥青变软,高温phase change materials used in asphalt pavement to Prevent rut-稳定性稍下降,且随着聚乙二醇摻量的增加,影响增大,因此ting[C] 2011 International Conference on Information Science,必须严格控制聚乙二醇的掺量。Automation and Material System, Advanced Materials Re-search,2011,V219220:1375-13785结论[14 Chen M Z, Wan L, Wu SP, et a. Effect of phase change materi-利用聚乙二醇发生物相转变的热能储存和温度调节控制al on temperature susceptibility of asphalt [C]. Proceedings of的特性,将聚乙二醇掺加到基质沥青中,可减小基质沥青的温he International Conference on Heterogeneous Material Me-度敏感性,且相变沥青混合料具有一定的储热性能,当聚乙chanics, 3rd, Shanghai, China, 2011, 576-579[15] Chen Meizhu, Xu Guangji, Wu Shaopeng, Wan Lu. Preliminary醇有效掺量为0.8%时,可实现1.4℃的降温幅度。由于聚乙study on asphalt mortar containing shaped-stabled phase change二醇为固液相变材料,发生相转变时会形成流动的液态,使沥material[C]. 1" International Congress on Advanced Materials青变软,因此相变沥青混合料高温稳定性较基质沥青混合料2011, Advanced Materials Research, 2011, V306-307: 1702-有所降低,但在论文中的掺量条件下仍能满足规范要求。由1706.上可知,直接掺加聚乙二醇的方法制备相变沥青混合料,聚乙16]张一博朱洪洲李菁若,何丽红储热降温沥青路面用相变材二醇的掺量受限,也制约了降温的幅度料的选择[].郑州大学学报(工学版),2012,33(3):1014.如将聚乙二醇与其它材料复合制得定形相变材料,在相收稿日期:2012-1224变过程仍保持固体状态,不泄漏液体,且具有与沥青路面相适修稿日期:201301-18应的相变温度和较高的相变潜热,将可有效地解决掺量与储热能力和高温稳定性的问题,这将是我们下一步研究的方向