0 引言

沥青作为一种黏弹性材料，其路用性能受到温度的影响。在夏季，我国大部分地区气温可达到30 ℃以上，沥青路面温度可达60 ℃以上，已经达到我国大部分路用沥青的软化点，在荷载作用下，往往会出现坑槽、推移、拥包等病害，大大缩短了路面的使用寿命^[1]。沥青作为一种典型的黏弹性材料，对温度具有较为强烈的敏感性，其路用性能会随着温度与荷载的变化而随之改变。当前公路学者主要从掺加改性剂及调整级配等方法入手，被动式地解决沥青路面的高温病害问题^[2-4]，但这些方法都是基于被动应对沥青路面高温病害问题的设计理念。

相变材料(Phase Change Materials，PCMs)，作为潜热能储存系统(LHTES)最常用的新材料，能够在其相转变过程中吸收或释放热量而维持自身温度不变，因而具有优异的调控温度及废弃能源利用的作用^[5-8]。近年来，随着沥青路面高温病害及城市热岛效应问题的日趋严重，道路研究者基于沥青路面的使用条件及相变材料的储热特性研制出不同类型的复合相变材料，将其应用至沥青混合料中以期改善沥青路面的高温病害及发挥储热调温的功效，并取得了良好的使用效果^[9]。Chen M Z等^[10-12]研究了月桂酸/有机改性蒙脱土定形相变材料对沥青胶浆技术性能的影响，研究结果表明将掺有定形相变材料的沥青胶浆的硬度与脆性显著增大，而且具有一定的相变储热调温特性，因而得出定形相变材料能够延缓沥青路面升温速率的可能性。何丽红等^[13]通过物理吸附法制备出膨胀石墨/石蜡定形，室外模拟降温试验表明，相变沥青混合料的降温效果与相变材料的掺量相关，降温幅度最大可达5.2 ℃。李文虎等^[14]将采用温度促凝法成功制备出PEG/SiO₂定形相变材料，研究了PEG/SiO₂相变颗粒对基质沥青及沥青混合料的路用性能及降温效果的影响，目前，关于定形相变材料对沥青胶浆性能的影响，以及相变沥青混合料路面长期降温效果研究较少。

本研究将自制复合定形相变材料以等体积替代细集料方式加入到沥青及沥青混合料中，研究不同掺量下相变沥青胶浆的降温效果和流变性能，探索相变沥青混合料导热系数、室内降温效果和室外长期降温性能。

1 原材料 1.1 沥青

本研究所使用的沥青为韩国进口的SK-70基质沥青，根据规范要求对沥青的技术性能进行测试，结果如表 1所示。

1.2 集料

集料矿粉为重庆产石灰岩破碎与研磨而得，各项指标均符合规范要求。

1.3 PEG/SiO₂复合定形相变颗粒

本研究所用PEG/SiO₂相变颗粒是由聚乙二醇2000(PEG2000，江苏省某石化厂)和硅溶胶(浙江某化工有限公司)通过溶胶凝胶法(温度促凝方式)所得^[15]，在经过烘干、磨细获得小于0.6 mm相变颗粒，如图 1所示，该相变颗粒中PEG2000:SiO₂=7:3，各项性能参数如表 2所示。

2 复合定形相变颗粒对沥青胶浆性能的影响

沥青胶浆在混合料中起粘结和填充作用，对沥青混合料的技术性能起粘结和填充作用，同时对于本研究相变沥青混合料降温效果起到关键作用，为了探究定形相变材料对沥青胶浆温度敏感性、流变性能的影响，本研究对不同定形相变材料掺量的沥青胶浆进行升温降温试验和流变试验。

2.1 温度敏感性

将PEG/SiO₂ FS-PCMs掺量分别为5%，10%，15%及20%的基质沥青均加热至熔融状态，随后将温度传感器埋入沥青试样的内部中间位置，待冷却后，采用加热-冷却试验分析沥青试验的升温曲线，以研究PEG/SiO₂相变颗粒对沥青温度敏感性的影响，如图 2所示。

由图 2可以看出，在试验开始阶段，沥青试件由于受到加热而逐渐升温，此时尚未达到相变调温材料的相转变温度，因而各试件的升温速率基本接近；当温度逐渐上升至55 ℃左右时，掺有相变材料的沥青试件的温度上升速率逐渐放缓，这是因为此时相变材料开始发生固-液相转变，吸收部分热量并以潜热的形式储存其中，相应地，沥青胶浆受到的热量随之减小，此时相变沥青试件的温度明显低于基质沥青。在升温阶段，掺有不同含量相变颗粒的沥青试样温度的差值最大可达到10 ℃左右^[16]，这说明相变颗粒的掺入可有效降低沥青的温度。

2.2 沥青胶浆DSR车辙因子

本研究利用动态剪切流变仪对沥青胶浆进行温度扫描试验，以探究粉胶比及PEG/SiO₂ FS-PCMs掺量对沥青胶浆流变特性及黏弹性的影响。试验参数：应变γ为12%；温度范围为46~82 ℃，每间隔6 ℃测量一次；角速度为10 rad/s，试验的评价指标为抗车辙因子G^*/sin δ与相位角δ。试验结果中的G^*/sin δ为高温劲度系数(车辙因子)作为评价沥青高温特性的技术指标。不同掺量PEG/SiO₂及矿粉的沥青胶浆不同温度下车辙因子如表 3、表 4所示。

由表 3、表 4可以看出：当粉胶比相同时，相变沥青胶浆与普通矿粉胶浆的G^*/sinδ均随温度的上升而呈现出逐渐减小的趋势，表明两种沥青胶浆均具有显著的温度敏感性，然而与普通矿粉胶浆相比，相变沥青胶浆的降低幅度较为缓慢。当PEG/SiO₂掺量与测试温度相同时，相变沥青胶浆的G^*/sinδ大于普通矿粉胶浆，这可能是因为：一方面，由于PEG/SiO₂颗粒表面具有部分未被填充的微孔结构，能够吸附沥青中诸如芳香分和油分等轻质组分，从而间接增大沥青重质组分的相对含量；另一方面，在测试温度内，PEG/SiO₂颗粒因发生固-液相转变而吸收部分热量，这也降低了沥青胶浆的吸热量，综合以上两方面可知，使用PEG/SiO₂颗粒替代矿粉，可增强沥青胶浆的高温抗车辙性能。

3 相变沥青混合料

相变材料作为一种节能材料，具有保温储热性能，将其运用于沥青混合料中制备相变沥青混合料，使得沥青混合料具有相变材料的特性。

3.1 级配

PEG/SiO₂相变颗粒在高温条件下会受热变软，且其力学强度也低于常规集料，因此若将其替代部分细集料掺入至沥青混合料中，势必会对沥青混合料的整体性能造成加大影响。因而选择沥青混合料的级配时尽量选择骨架密实型级配，使得PEG/SiO₂相变颗粒在混合料结构中发挥填充作用，对矿料形成骨架或嵌挤结构相对影响较小。FAC型级配是一种沥青用量和粗集料用量较多的沥青混合料级配类型，基于此，本研究选择具有骨架结构的13型级配作为研究对象(记做FAC-13)，分析评价相变颗粒掺入后对沥青混合料导热性能、室内外降温效果，级配组成如表 5所示。

3.2 PEG/SiO₂相变颗粒掺入方式

根据前期的研究成果可知，PEG/SiO₂相变颗粒的密度约为细集料的一半，且相变颗粒的力学强度较低，因此为减小因相变材料替代细集料而造成的混合料力学强度的降低，故本研究采用等体积替代法对FAC13级配中的0.3，0.15 mm和0.075 mm的细集料进行替代，替代后的细集料级配分布如表 6所示。

3.3 相变沥青混合料性能测试

通过车辙试件研究相变颗粒在3%，5%掺量下的室内外降温效果，通过马歇尔试验方法确定最佳油石比，再根据JTG E20—2011规程中T 0703方法成型100 mm×100 mm×50 mm车辙试件。在距试件表面2 cm处埋置温度传感器，置于室内模拟试验箱和楼顶，如图 3所示，根据试件温度变化情况来评价相变颗粒对沥青混合料的降温效果。

4 相变沥青混合料降温效果评价 4.1 相变沥青混合料降温过程

在持续高温季节，气温达到35 ℃以上，此时路面温度通常在60 ℃以上，达到大部分沥青的软化点，在交通荷载的作用下更容易出现车辙、拥包等病害。将相变材料加入到沥青混合料中，制备相变沥青混合料，降温过程如图 4所示^[17]。

从零时刻开始，随着温度的升高两种混合料温度与时间呈线性增长关系，温度达到T₀时，相变材料开始吸收热量，发生升温相变，由于阻尼效应，相变混合料比一般混合料温度上升速率更慢，并逐渐形成温差(降温幅度)，在t₁时刻达到最大降温幅度，t₀-t′₂为相变材料的温度调节时间。加入相变材料的沥青混合料高温作用时间缩短，减小沥青路面产生高温病害的风险，延长使用寿命。

4.2 相变沥青混合料比热容

比热容可用来评价材料的吸热量，且其值大小与温度有着较为紧密的关联，因此本研究采用差示扫描量热仪对不同温度下各组成材料的比热容进行测量^[18]，得到如图 5所示结果。

如图 5所示，集料、矿粉、沥青在20~70 ℃范围内比热容相差不大，而相变颗粒有较大变化，主要因为相变颗粒中PEG2000发生相变吸热造成比热容增大。相变沥青混合料主要由粗细集料、矿粉、沥青和相变颗粒组成。根据其在沥青混合料中的用量，可以推算出沥青混合料比热容计算公式，如式(1)所示。

(1)

式中，c_ρ为相变沥青混合料比热容；m_i为各组分的质量；c_ρi为各组分的比热容；M为相变沥青混合料的质量。计算得到相变颗粒掺量为3%，5%的相变沥青混合料在不同温度下的比热容，如图 6所示。

FAC-13型普通沥青混合料的比热容变化幅度非常有限，表明其比热容与温度之间的关联性不大，当掺入PEG/SiO₂相变颗粒后，在初始温度时，混合料的比热容基本未发生变化，而随着温度的持续升高至相变温度后，混合料试样的比热容显著增大，且随着相变颗粒掺量的增大，其增幅越为显著，表明本研究制备的PEG/SiO₂相变颗粒对沥青混合料的比热容具有较大的影响，将其掺入至沥青混合料中仍然能够发挥储热与调节温度的作用。

4.3 室内降温效果

将相变沥青混合料放入温度模拟箱中，将温度传感器埋置于车辙试件中(距表面2 cm处)，如图 3所示，对0%，3%，5%PEG/SiO₂相变颗粒掺量下的沥青混合料进行降温效果评价，结果如图 7所示。

由图 7可知，将PEG/SiO₂相变颗粒掺入至混合料试样后，能够充分发挥其相变储热特性，起到了良好的调温效果，其升温速率与温度峰值均出现明显的下降，且随着PEG/SiO₂ FS-PCMs掺量的增加，调温效果越为显著。在试验开始阶段，沥青混合料试件由于受到光照而逐渐升温，此时尚未达到相变调温材料的相转变温度，因而各混合料试件的升温速率基本接近。当温度达到相变温度后，由于相变颗粒吸收并存储热量，使相变沥青混合料的温度可变化速率小于普通沥青混合料，同一时间其温度低于普通沥青混合料。对比图中各混合料试样的温度峰值，PEG/SiO₂ FS-PCMs掺量为5%的混合料试样的温度峰值最低，最大降温幅度达到5 ℃左右，这说明PEG/SiO₂ FS-PCMs掺入沥青混合料浆中仍旧能够发挥其相变储热的特性，可以吸收外界的热量，降低沥青混合料的升温速率，起到良好的储热调温作用。

4.4 室外降温效果

测试室外降温效果时，一次试验不能说明相变沥青混合料的降温效果，本研究对相变沥青混合料进行1个月跟踪观察，得到0%，3%，5%相变颗粒掺量下的试件最高温度曲线和最高降温幅度，如图 8所示。

如图 8(a)所示，当PEG/SiO₂ FS-PCMs相变颗粒掺入沥青混合料后，具有非常可靠的材料耐久性，在经历约1个月的测试周期后，相变沥青混合料的降温效果依旧非常显著。可明显看出，当温度较低时，由于相变材料的相转变程度较低，吸收热量较少，因而混合料试样的降温效果不显著，而当温度较高时，相变材料的相转变基本全部完成，储热能力达到饱和，因此降温效果更为明显。如图 8(b)所示，相变沥青混合料降温效果与相变颗粒的掺量有关，且掺量越多降温幅度越大，3%掺量下降温幅度最大为3 ℃左右，5%掺量下最大降温幅度为6 ℃左右，经过了1个月的试验观测，本研究所制备相变沥青混合料室外降温效果良好，具有优异热循环性能。

5 结论

将复合定形相变材料加入到基质沥青中制备相变胶浆，随着相变材料掺量的增加，沥青胶浆温度敏感性降低，且抗车辙因子较同一掺量下矿粉胶浆高。将复合定形相变材料等体积替代FAC-13级配中0.075，0.15，0.3 mm筛孔粒径集料制备相变沥青混合料，在达到相变温度之前，相变沥青混合料与普通混合料导热系数相当，达到相变温度后，相变材料发生相变，吸收热量，相变沥青混合料比热容逐渐增大，5%掺量下最高比热容可达1.35 J/(g·K)。室内外降温效果表明，随着相变材料掺量的增加，降温幅度越大，其中5%掺量下室内最高降温幅度可达5 ℃，室外最高降温幅度为6 ℃，经长期观测，相变沥青混合料相变循环性好，具有较好的降温效果。