CN114685087B - 一种沥青路面用双相变自调温材料及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沥青路面用双相变自调温材料及使用方法，采用以下原料及其重量份配比复配得到一种复合双相变材料。高温复合相变材料：5％～20％；低温复合相变材料：5％～20％；上述的高温复合相变材料和低温复合相变材料均为聚醚类化合物与碳素材料复合而成的复合材料，两种复合相变材料中碳素材料载体质量均占复合材料总质量的6％～10％，两种复合相变材料颜色均为黑色。本发明所需原料具有低碳环保、来源广泛，市场价格低廉等特点，复合双相变材料的制备工艺简单，实验条件温和，不需要大型制备仪器，易于实现产业化。此外，经过大量的研究证实，得到的复合双相变材料可以有效延沥青混合料的升/降温速率，减少沥青路面病害的产生，提高路面的使用寿命。

Description

一种沥青路面用双相变自调温材料及使用方法

技术领域

本发明涉及一种新型道路工程材料，特别是一种由具有不同分子量的聚醚类化合物和功能性碳素材料复合而成的兼具高低温相变温度的双相变复合相变材料及其使用方法，适用于调节沥青路面温度，延缓沥青路面升/降温速率，延长沥青路面的使用寿命。

背景技术

沥青路面因其铺装效果好、工程造价低、维修养护方便等优点，已经成为我国高等级道路的主要路面形式，在我国高等级路面中的占有率超过了90％。但由于沥青是一种具有温度敏感性的粘弹性材料，在实际工程应用中会面临着温度变化带来的负面影响。研究发现，沥青混合料的力学性能受温度影响明显，沥青路面在高温环境下受到车辆荷载作用时易发生车辙，而在低温环境下又易发生收缩开裂。此外，温度变化引起的应力循环还会加速沥青路面的老化，从而降低沥青路面的使用寿命。

近年来，研究人员开发了许多有效的技术来缓解温度变化引起的沥青路面病害，主要包括路面热反射技术、路面保水降温技术、热阻路面技术、路面能量转化技术等。然而，目前上述各种路面调温技术仅能做到单独在高温环境或者低温环境下的路面温度调控，无法同时实现高温环境下延缓路面升温、低温环境下延缓路面降温的路面温度调控效果，对我国部分夏季炎热、冬季寒冷的地区来说并不适用。因此，急需寻找一种能够同时实现高温环境下延缓路面升温、低温环境下延缓路面降温的沥青路面温度调控方法。

发明内容

本发明针对上述状况，以聚醚类化合物为主要功能芯样，以碳素材料为载体基质，分别制备了一种具有高温相变温度的复合相变材料及一种具有低温相变温度的复合相变材料，通过将两种复合相变材料进行复配，提出了一种在高温和低温2个路面服役温度区间均具有自调温作用的复合双相变材料及其使用方法。其目的在于：开发出一种新的沥青路面自调温材料，使其赋予沥青路面夏季延缓道路升温和冬季延缓道路降温的能力，以提高沥青路面的路用性能和安全性。

本发明为了实现上述目标，采取的技术方案是采用以下原料及其重量份(相对于沥青质量)配比复配得到一种复合双相变材料。

高温复合相变材料： 5％～20％

低温复合相变材料： 5％～20％

上述的高温复合相变材料和低温复合相变材料均为聚醚类化合物与碳素材料复合而成的复合材料，两种复合相变材料中碳素材料载体质量均占复合材料总质量的6％～10％，两种复合相变材料颜色均为黑色。

高温复合相变材料：聚乙二醇/膨胀石墨(PEG1500/EG)；组成：由分子量为1500的聚乙二醇和50目的膨胀石墨复合而成。温度范围：相变吸热区间为39.7℃～46.0℃，相变放热区间为24.2℃～29.0℃。

低温复合相变材料：聚乙二醇/膨胀石墨(PEG400/EG)；组成：由分子量为400的聚乙二醇和50目的膨胀石墨复合而成。温度范围：相变吸热区间为1.4℃～-14.7℃，相变放热区间为-18.8℃～-12.8℃。

复合双相变材料的制备及使用方式如下：

复合双相变材料的制备：首先将碳素载体材料105℃烘干至恒重，然后将60℃熔融的聚醚类相变芯样以及烘干后的碳素载体材料按照本发明的重量比混合添加至烧杯中，60℃恒温水浴条件下利用高扭矩电动搅拌器以1000r/min的转速搅拌1小时，使其充分混合，然后将样品放入60℃真空干燥箱内真空浸渍处理6小时，制备得到一种具有较高相变温度的复合相变材料和一种具有较低相变温度的复合相变材料。将两种复合相变材料按照本发明的复配比例进行复配，得到一种复合双相变材料。

本发明主要用于延缓沥青路面的升/降温速率，需添加至沥青及沥青混合料中使用。复合双相变材料的使用方式为：

双相变沥青制备：将原样沥青在135℃±5℃的烘箱中加热至流动状态，然后移入140℃±5℃恒温油浴锅中并缓慢加入制备好的复合双相变材料，用玻璃棒以大约60r/min的转速手动搅拌10min使双相变材料均匀溶解到沥青中，然后使用高扭矩电动搅拌器以500r/min的转速搅拌45min，最后再用玻璃棒以大约60r/min的转速手动搅拌10min以排除双相变沥青中的气泡，即制备得到双相变沥青样品。

双相变沥青混合料制备：将沥青混凝土拌合机预热至180℃，随后加入预热的粗、细集料及沥青，开动搅拌机，拌合90s后加入热矿粉及常温双相变材料，继续拌合90s，并确保混凝土在拌合温度范围内；将拌合好的含相变材料沥青混凝土从拌合锅中倒出，利用击实法或轮碾法成型双相变沥青混合料试件。

本发明所需原料具有低碳环保、来源广泛，市场价格低廉等特点，复合双相变材料的制备工艺简单，实验条件温和，不需要大型制备仪器，易于实现产业化。此外，经过大量的研究证实，得到的复合双相变材料可以有效延沥青混合料的升/降温速率，减少沥青路面病害的产生，提高路面的使用寿命。

附图说明

图1为(a)沥青路面用高温复合相变材料、(b)沥青路面用低温复合相变材料和(c)高、低温复合相变材料复配后的复合双相变材料；

图2为添加5％、10％、15％、20％(沥青质量比)高温复合相变材料的相变沥青的25℃～65℃室内升/降温试验调温效果曲线；

图3为添加5％、10％、15％、20％(沥青质量比)低温复合相变材料的相变沥青的-20℃～20℃室内升/降温试验调温效果曲线；

图4为添加10％、20％、30％、40％(沥青质量比)双相变材料(高温复合相变材料与低温复合相变材料复配比例为1:1)的相变沥青混合料的20℃～65℃室内升/降温试验调温效果曲线；

图5为添加10％、20％、30％、40％(沥青质量比)双相变材料(高温复合相变材料与低温复合相变材料复配比例为1:1)的相变沥青混合料的-15℃～20℃室内升/降温试验调温效果曲线。

具体实施方式

下面结合以下实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明，但本发明不限于以下实施例。

实施例1：

在原样沥青中分别加入5％、10％、15％、20％(沥青质量比)四个掺量的高温复合相变材料，以提升500g原样沥青调温性能所需复合相变材料为例。

制备方式：

首先将复合相变材料常温下充分搅拌均匀，然后分别称取25g、50g、75g、100g高温复合相变材料至容器中，将原样沥青在135℃±5℃的烘箱中加热至流动状态，然后移入140℃±5℃恒温油浴锅中并缓慢加入复合相变材料，用玻璃棒以大约60r/min的转速手动搅拌10min使复合相变材料均匀溶解到沥青中，然后使用高扭矩电动搅拌器以500r/min的转速搅拌45min，最后再用玻璃棒以大约60r/min的转速手动搅拌10min以排除抗老化沥青中的气泡，即制备得到相变沥青样品。

然后分别将烧杯中的原样沥青及含不同掺量高温复合相变材料的相变沥青利用环境箱共同进行20℃～65℃室内升/降温试验，并分别将PT100铂电阻传感器***各组沥青中，保持传感器探头处于沥青的中间位置，通过传感器与温度记录仪记录各组沥青的温度变化情况，比较不同高温复合相变材料掺量的沥青在升/降温过程中的升/降温速率，以评价不同掺量复合相变材料对相变沥青高温调温效果的影响。

实施效果：高温复合相变材料能够有效延缓沥青在25℃～65℃温度区间内的升/降温速率。

实施例2：

在原样沥青中分别加入5％、10％、15％、20％(沥青质量比)四个掺量的低温复合相变材料，以提升500g原样沥青调温性能所需复合相变材料为例。

制备方式：

首先将复合相变材料常温下充分搅拌均匀，然后分别称取25g、50g、75g、100g低温复合相变材料至容器中，将原样沥青在135℃±5℃的烘箱中加热至流动状态，然后移入140℃±5℃恒温油浴锅中并缓慢加入复合相变材料，用玻璃棒以大约60r/min的转速手动搅拌10min使复合相变材料均匀溶解到沥青中，然后使用高扭矩电动搅拌器以500r/min的转速搅拌45min，最后再用玻璃棒以大约60r/min的转速手动搅拌10min以排除抗老化沥青中的气泡，即制备得到相变沥青样品。

然后分别将原样沥青及含不同掺量低温复合相变材料的相变沥青利用环境箱共同进行-20℃～20℃室内升/降温试验，并通过PT100铂电阻传感器与温度记录仪记录各组沥青的温度变化情况，比较不同低温复合相变材料掺量的沥青在升/降温过程中的升/降温速率，以评价不同掺量复合相变材料对相变沥青低温调温效果的影响。

实施效果：低温复合相变材料能够有效延缓沥青在-20℃～20℃温度区间内的升/降温速率。

实施例3：

在沥青混合料中分别加入10％、20％、30％、40％(沥青质量比)四个掺量的双相变材料(高温复合相变材料与低温复合相变材料复配比例为1:1)，以提升标准沥青混合料马歇尔试件(直径101.6±0.2mm×高度63.5±1.3mm圆柱体)调温性能所需双相变材料为例。

制备方式：

首先将沥青混凝土拌合机预热至180℃，随后加入设定质量的预热的粗、细集料及沥青，开动搅拌机，拌合90s后加入设定质量的热矿粉及常温双相变材料，继续拌合90s，并确保混凝土在拌合温度范围内；将拌合好的含相变材料沥青混凝土从拌合锅中倒出，利用击实法成型含不同掺量双相变材料的标准马歇尔试件。

然后分别将不含相变材料的原样沥青混合料及含不同掺量双相变材料的相变沥青混合料标准马歇尔试件利用环境箱进行20℃～65℃室内升/降温试验及-20℃～15℃室内升/降温试验，并将PT100铂电阻传感器***标准马歇尔试件内部，保持传感器探头处于试件内部中间位置，通过传感器与温度记录仪记录各组沥青混合料试件的温度变化情况，比较不同双相变材料掺量的沥青混合料在升/降温过程中的升/降温速率，以评价不同掺量双相变材料对相变沥青混合料调温效果的影响。

实施效果：双相变材料能够有效延缓沥青混合料在-15℃～20℃及20℃～65℃两个温度区间内的升/降温速率。

实施例4:

某夏季炎热(路面温度超过45℃)、冬季寒冷(路面温度低于0℃)地区高速公路路面施工，采用本发明的双相变材料(高温相变材料占比为30％～50％，其余全部为低温相变材料)，具体实施方式如下。

施工材料：符合现行行业标准《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40的SBS改性沥青、粗集料、细集料和填料，本发明的双相变材料。

施工准备：按照现行行业标准《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40的规定的热拌沥青混合料路面有关的施工准备、配合比设计进行。

施工过程：按照现行行业标准《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40的规定的热拌沥青混合料路面有关的施工过程进行路面施工。在混合料拌制阶段，满足JTG F40规定的同时，在投放矿粉阶段采用机械投放的方式将设定质量的充分混合均匀的双相变材料投放至沥青混合料中进行拌和，预先调试投料器投放速度，并采取必要保障措施，使得双相变材料的实际掺加量的误差精度为设计掺量的±0.5％。

施工效果：施工一年后观察，施工处路面表面完好，未发生车辙、开裂和不均匀沉降等现象。

为了确定相变材料掺量与沥青及沥青混合料调温效果的关系，发明人做了大量的实验研究。实验结果如下：

高温复合相变材料的室内调温性能试验结果如图2所示，随着高温复合相变材料掺量的增加，相变沥青调温效果有明显的增强。各组沥青从25℃开始共同随环境箱升温，不含复合相变材料的沥青在升温2500s后温度达到64.9℃，而相变沥青在升温2500s后的温度随复合相变材料掺量依次降低，即沥青的升温速率随着复合相变材料的掺量增加而降低；其中，高温复合相变材料掺量为20％的相变沥青在升温2500s后温度仅为58.5℃，即其升温速率为0.804℃/min，小于原样沥青0.958℃/min的升温速率；另外，2500s至25000s期间，各组沥青共同通过环境箱进行降温试验，从表1中可以看出，沥青的降温速率也随着复合相变材料的掺量增加而降低，说明高温复合相变材料能够有效延缓沥青在25℃～65℃温度区间内的升/降温速率。

表1

低温复合相变材料的室内调温性能试验结果如图3所示，随着低温复合相变材料掺量的增加，相变沥青调温效果有明显的增强。各组沥青从20℃开始共同随环境箱降温，不含复合相变材料的沥青在降温7700s后温度达到-19.9℃，而相变沥青在降温7700s后的温度随复合相变材料掺量依次升高，即沥青的降温速率随着复合相变材料的掺量增加而降低；其中，低温复合相变材料掺量为20％的相变沥青在降温7700s后温度为-17.4℃，即其降温速率为0.291℃/min，小于原样沥青0.311℃/min的降温速率；另外，7700s至16800s期间，各组沥青共同通过环境箱进行升温试验，从表2中可以看出，沥青的升温速率也随着复合相变材料的掺量增加而降低，说明低温复合相变材料能够有效延缓沥青在-20℃～20℃温度区间内的升/降温速率。

表2

双相变材料(高温相变材料与低温相变材料复配比例为1：1)的室内调温性能试验结果如图4、图5所示。各组沥青混合料试件首先利用环境箱进行20℃～65℃室内升/降温试验，从20℃开始各组沥青混合料试件共同随环境箱升温，如图4所示，不含双相变材料的沥青混合料马歇尔试件在升温8000s后温度达到66.2℃，而双相变沥青混合料在升温8000s后的温度随双相变材料掺量依次降低，即沥青混合料的升温速率随着双相变材料的掺量增加而降低；其中，双相变材料掺量为40％的相变沥青混合料在升温8000s后温度为64.6℃，即其升温速率为0.324℃/min，小于原样沥青0.340℃/min的升温速率；另外，8000s至26400s期间，各组沥青混合料共同通过环境箱进行降温试验，从表3中可以看出，双相变沥青混合料的降温速率也随着双相变材料的掺量增加而降低，说明双相变材料能够有效延缓沥青混合料在20℃～65℃温度区间内的升/降温速率。

表3

然后，各组沥青混合料试件利用环境箱进行-15℃～20℃室内升/降温试验，从20℃开始各组沥青混合料试件共同随环境箱降温，如图5所示，不含双相变材料的沥青混合料马歇尔试件在降温5600s后温度达到-14.4℃，而双相变沥青混合料在降温5600s后的温度随双相变材料掺量依次升高，即沥青混合料的降温速率随着双相变材料的掺量增加而降低；其中，双相变材料掺量为40％的相变沥青混合料在降温5600s后温度为-10.4℃，即其降温速率为0.276℃/min，小于原样沥青0.311℃/min的降温速率；另外，5600s至16800s期间，各组沥青混合料共同通过环境箱进行升温试验，从表4中可以看出，双相变沥青混合料的升温速率也随着双相变材料的掺量增加而降低，说明双相变材料能够有效延缓沥青混合料在-15℃～20℃温度区间内的升/降温速率。

表4

Claims (1)

1.一种含双相变自调温材料的沥青混合料，其特征在于：采用以下原料及其重量份相对于沥青质量，进行配比复配；具体地，

高温复合相变材料：5%~20%；

低温复合相变材料：5%~20%；

高温复合相变材料：聚乙二醇/膨胀石墨；组成：由分子量为1500的聚乙二醇和50目的膨胀石墨复合而成；温度范围：相变吸热区间为39.7℃~46.0℃，相变放热区间为24.2℃~29.0℃；

低温复合相变材料：聚乙二醇/膨胀石墨；组成：由分子量为400的聚乙二醇和50目的膨胀石墨复合而成；温度范围：相变吸热区间为1.4℃~-14.7℃，相变放热区间为-18.8℃~-12.8℃；

双相变自调温材料的制备方法如下：首先将各自所需的膨胀石墨载体材料105℃烘干至恒重，然后将60℃熔融的聚乙二醇芯样以及烘干后的膨胀石墨载体材料按照复合相变材料要求的重量比例混合添加至烧杯中，60℃恒温水浴条件下利用高扭矩电动搅拌器以1000r/min的转速搅拌1小时，使其充分混合，然后放入60℃真空干燥箱内真空浸渍处理6小时，分别制备得到高温复合相变材料和低温复合相变材料；将高温复合相变材料和低温复合相变材料按照复配比例进行复配，得到双相变自调温材料；

含双相变自调温材料的沥青混合料的制备方法如下：将沥青混合料拌合机预热至180℃，随后加入设定质量的预热粗集料、细集料及沥青，开动沥青混合料搅拌机，拌合90s后加入设定质量的热矿粉及常温的所述双相变自调温材料，继续拌合90s，并确保含双相变自调温材料的沥青混合料在拌合温度范围内；将拌合好的含双相变自调温材料的沥青混合料从拌合锅中倒出，利用击实法或轮碾法成型含双相变自调温材料的沥青混合料试件；所述双相变自调温材料能够延缓由粗集料、细集料及沥青组成的沥青混合料在-15℃~20℃及20℃~65℃两个温度区间内的升/降温速率。

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