聚乙二醇對瀝青及其混合料儲熱性能的影響

第41卷第4期化工新型材料Tol. 41 No 42013年4月NEW CHEMICAL MATERIALS13開(kāi)發(fā)與應用聚乙二醇對瀝青及其混合料儲熱性能的影響曹長(cháng)斌!羅陽(yáng)明李文虎2何麗紅2朱洪洲(1.廣西交通投資集團有限公司,南寧5300002.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,重慶400074)摘要利用相變材料物相轉變時(shí)吸收或釋放大量熱量而本身溫度保持不變的特性,將相變材料聚乙二醇應用于瀝青及瀝青混合料中?？疾炝司垡叶紝r青性質(zhì)、相變?yōu)r青混合料降溫性能和高溫穩定性的影響。結果表明,聚乙二醇的摻入可降低瀝青的溫度敏感性,制備的相變?yōu)r青與石灰質(zhì)的集料粘附性良妤;相變?yōu)r青混合料具有良好的儲熱能力,摻量為15%和20%時(shí),相變?yōu)r青混合料在自然光照條件下的能主動(dòng)降溫1.3℃和14℃,其高溫穩定性能滿(mǎn)足當前規范要求。此外,通過(guò)紅外光譜分析得出聚乙二醇與瀝青的相互作用形式僅僅是物理共混。關(guān)鍵詞聚乙二醇,相變材料,儲熱,高溫穩定性Effect of polyethylene glycol on the heat storage performanceof asphalt and asphalt mixtureCao Changbin Luo Yangming Li Wenhu2 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 its featureswhich 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. Inddition,IR showed that the action mechanism of polyethylene glycol and asphalt was physical blendingKey words polyethylene glycol; phase change material; heat storage; high temperature stability瀝青路面以其平整度高、行車(chē)舒適性好噪音低等優(yōu)點(diǎn)被裝農業(yè)等。若將相變材料應用于瀝青路面中,可實(shí)現主動(dòng)廣泛應用于公路建設中口.但在瀝青路面廣泛應用的同時(shí)也調節瀝青路面溫度。當外界環(huán)境溫度劇烈升高時(shí),相變儲熱伴隨著(zhù)一些問(wèn)題的出現特別是隨著(zhù)全球氣候變暖我國大部路面材料利用其相變將白天高溫時(shí)的太陽(yáng)能進(jìn)行轉化,減緩分地區夏季炎熱氣溫往往超過(guò)35℃甚至達到40℃,瀝青路路面溫度的變化,避免路面長(cháng)時(shí)間處于高溫狀態(tài),不但減少路面表面溫度高達60℃以上,使瀝青路面的高溫穩定性受到嚴面熱穩性病害而且減少路面向環(huán)境散熱,降低周邊環(huán)境溫峻的考驗2。同時(shí)高溫的瀝青路面釋放出大量的瀝青揮發(fā)度,緩解城市熱島效應。馬骉等對相變材料應用于瀝青混合物影響人居環(huán)境,且蓄積了大量熱能的瀝青路面不斷釋放熱料展開(kāi)了初步的試驗研究10。胡曙光等討論了相變材料聚量導致周?chē)鷼鉁厣?加劇了城市熱島效應。若能采取某種乙二醇對基質(zhì)瀝青及瀝青混凝土基本性能的影響。比利時(shí)措施降低瀝青路面溫度,則可有效地減輕由高溫帶來(lái)的負面 Cocu X等利用相變材料來(lái)延緩路面冰凝2。陳美祝等研究影響了石蠟/膨脹石墨定形相變材料對瀝青及冷拌瀝青混合料性相變材料是指在一定溫度范圍內將其物相轉變時(shí)吸收或能的影響131.張一博等對應用于瀝青路面的相變材料進(jìn)行釋放的大量熱量以潛熱的形式儲存,而本身溫度保持不變的了優(yōu)選6。材料{]。它具有熱能儲存和溫度調節控制的特性,在許多領(lǐng)本研究利曲溫度調節控制的特域具有應用價(jià)值,如太陽(yáng)能利用、工業(yè)余熱回收、建筑、紡織服性,將相變材料混合料中,以主動(dòng)CNMHG基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(5178491),交通運輸部科技項目(2012319814200)重慶市科技量點(diǎn)攻關(guān)計劃項目( CSTC200AB6067);廣西省交通運輸廳科技計劃項目(桂交科2013-11)。作者簡(jiǎn)介:曹長(cháng)斌(1966--),男高級工程師,主要從事高速公路建設管理工作?！?38·化工新型材料第41卷調節瀝青混合料溫度;研究了聚乙二醇對瀝青溫性質(zhì)瀝青混存在降溫過(guò)程中會(huì )釋放熱量,從而對瀝青的溫度產(chǎn)生影響。合料降溫和高溫穩定性的影響在室溫~70℃升降溫條件下,基質(zhì)瀝青和相變?yōu)r青的溫度變?yōu)r青混合料用相變材料的選擇化曲線(xiàn)如圖1所示。75基質(zhì)瀝青依據瀝青路面施工和路用性能的要求,瀝青路面用相變15%PE2000材料需具有以下性質(zhì):合適的相變溫度(開(kāi)始相變溫度)420%PEG2060℃;較高的相變潛熱;良好的熱穩定性和化學(xué)穩定性;與瀝青的相容性好;相變循環(huán)衰減小,熱傳導系數高,體積變化小等16。選用聚乙二醇(分子量2000為相變材料,由江蘇省海安石油化工廠(chǎng)提供。采用 Netzsch STA449C綜合熱分析儀測時(shí)間/in試其熱物性參數,見(jiàn)表1。測試條件:升溫速度為10℃/min,圖1基質(zhì)瀝青和相變?yōu)r青的溫度曲線(xiàn)氮氣氣氛保護。表1聚乙二醇2000熱物性參數從圖1可看出,相變?yōu)r青的溫度敏感性較基質(zhì)瀝青明顯/tTm/℃T/℃△Hm/J/gTa/℃減小,且升溫階段更為顯著(zhù)。在升溫階段,當溫度低于聚乙二測量值42.496.3188.1370醇相變溫度時(shí),由于瀝青和聚乙二醇導數系數的差異,相變?yōu)r注:T一相變起始溫度;Tm—相變終止溫度;T一相變峰溫青的溫度稍低于基質(zhì)瀝青;在溫度升至約40℃時(shí),聚乙二醇開(kāi)△Hm-相變焓;T-分解溫度始發(fā)生相變,吸收大量熱量,相變?yōu)r青與基質(zhì)瀝青的溫差約l0℃,且隨著(zhù)聚乙二醇摻量的增加溫度差值越大。這是因為由表1可知,聚乙二醇相變潛熱高,具有合適的相變溫聚乙二醇摻量越大吸收的熱量也越多;但隨著(zhù)溫度持續上升,度,且高溫條件下化學(xué)性質(zhì)穩定,能滿(mǎn)足普通熱拌瀝青混合料高溫作用時(shí)間延長(cháng),相變?yōu)r青中聚乙二醇吸收的熱量趨于飽熱拌熱鋪的施工技術(shù)要求。和最終與基質(zhì)瀝青溫度相近。在降溫階段,相變?yōu)r青中聚乙二醇由液態(tài)慢慢轉化為固態(tài),釋放出熱量,延緩了降溫速率,2實(shí)驗部分故相變?yōu)r青的溫度均高于基質(zhì)瀝青,且20%摻量的聚乙二醇2.1聚乙二醇相變?yōu)r青的制備與性能測試相變?yōu)r青比15%摻量的溫度稍高將干燥的聚乙二醇按15%、20%質(zhì)量比例緩慢加入到熔3.2相變?yōu)r青與集料的粘附性融SK70基質(zhì)瀝青中,恒溫低速攪拌10~15min,混合均勻,制相變?yōu)r青集料的水浸法試驗結果顯示,集料顆粒表面瀝備聚乙二醇相變?yōu)r青。青膜完全保存,剝離面積百分率接近于0,粘附性等級為5級將基質(zhì)瀝青與相變?yōu)r青澆注在針入度模中,在試樣中心相變?yōu)r青與石灰質(zhì)集料的粘附性良好。埋入 LGR-WD41溫度記錄儀傳感器,于室溫~70℃升降溫條3.3聚乙二醇與瀝青的作用機理分析件下測試聚乙二醇對瀝青溫度的變化規律。依據水浸法考察基質(zhì)瀝青和相變?yōu)r青的紅外光譜圖見(jiàn)圖2。15%相變?yōu)r青與石灰巖集料的粘附性能。采用 PE Spectrum100紅外光譜儀分析聚乙二醇與瀝青的相互作用機理,測試方20%PEG200法為空白KBr壓片浸漬法15%PE22.2聚乙二醇相變?yōu)r青混合料制備與性能測試采用AC-13型瀝青混合料級配,集料和礦粉均為石灰巖基質(zhì)瀝青礦料組成見(jiàn)表2油石比為4.7%,拌制相變?yōu)r青混合料(記作4000030050010004500PCAC)。分別成型15%和20%聚乙二醇相變?yōu)r青混合料的標準馬歇爾試件和車(chē)轍試件,測試其高溫穩定性;并采用溫度圖2基質(zhì)瀝青與相變?yōu)r青的紅外光譜圖記錄儀觀(guān)測室外自然光照條件下相變?yōu)r青混合料試件溫度的變化。由圖2可知,相變?yōu)r青和基質(zhì)瀝青的特征吸收峰相近,既表2瀝青混合料的礦料級配表無(wú)新特征吸收峰出現,也無(wú)舊特征吸收峰消失,聚乙二醇與基質(zhì)瀝青相互作用過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生化學(xué)變化,僅僅是物理共混D/mm13.29.54.752.361.180.30.150.075<0.075作用。a1/%1022201110.57.55.53.5464聚乙汗會(huì )燦牛的影響3聚乙二醇對瀝青性質(zhì)的影響4.1聚乙CNMHG熱性能室外自然光照條件下,相變?yōu)r青混合料試件的溫度變化3.1聚乙二醇對瀝青的溫度敏感性的影響曲線(xiàn)如圖3所示聚乙二醇在升溫過(guò)程中會(huì )吸收熱量并以潛熱的形式儲第4期曹長(cháng)斌等:聚乙二醇對瀝青及其混合料儲熱性能的影響139參考文獻1]黎明淺談瀝青路面病害成因及對策[].企業(yè)科技與發(fā)展2008,(7):140-1412]徐利梅瀝青路面抗車(chē)轍性能強化技術(shù)研究[D]西安:長(cháng)安大600100014:0018002200200600學(xué),2009[3] Alba B, Marin J M, et al. Review thermal energy storage with圖3自然光下PEG相變?yōu)r青及普通瀝青混合料的溫度曲線(xiàn)ase changes: materials, heat transfer analysis and applications[]. Thermal Applied Engineering, 2003, 23.從圖3可看出,15%和20%聚乙二醇摻量相變?yōu)r青混合[4]張仁元相變材料與相變儲能技術(shù)[M.北京:科學(xué)出版社料在溫度上升過(guò)程中均降低了高溫峰值和減小了升溫速率,2009:2在14:00~16:00降溫幅度最大,分別達到了1.3℃和1.4℃[5]馬骉,王曉曼,李超,等.相變材料在瀝青混凝土路面中的應用前景分析[.公路,2009,(12):115118.其中聚乙二醇的有效含量為0.6%和0.8%,計算的理論降溫[6]劉松濤馬髯李超.相變材料對瀝青性質(zhì)的影響[].黑龍江交值相應為1.2℃和1.5℃,與實(shí)測值吻合;此外,在溫度下降過(guò)通科技,2010,11,46-49程中,相變?yōu)r青混合料的溫度比基質(zhì)瀝青混合料的溫度略高[7] Li Chao, Ma Biao, Wang Xiaoman, Wang Shasha. Experimental這說(shuō)明相變材料在溫度下降時(shí)釋放出了熱量。由此可見(jiàn),相study on self-adjustable. Temperature asphalt mixturelC].Pro-變材料在瀝青混合料中起到了一定的儲熱效果,且能夠在下eedings of International Workshop on Energy and Environment一相變循環(huán)發(fā)生之前釋放出所儲存的熱量in the Development of Sustainable Asphalt Pavements. Xi'an4.2相變?yōu)r青混合料高溫穩定性Xi'an Jiaotong University Press, 2010: 65-7相變?yōu)r青混合料高溫穩定性試驗結果見(jiàn)表3。[8] Biao Ma, Shasha Wang, Jin Li, Study on application of PCM in表3基質(zhì)瀝青和相變?yōu)r青混合料的高溫穩定性試驗結果asphalt mixture[C]. Advanced Materials Research, 2011, Vols.160-170:2625263技術(shù)指標AC-13 PCAC-1 PCAC-2[9]李超相變材料對瀝青混合料溫度與性能的影響研究[D].西馬歇爾穩定度/KN16.040210.16安:長(cháng)安大學(xué),2010.動(dòng)穩定度/(次/mm)1235[1]汪莎莎.瀝青混合料用復合定形相變材料制備與性質(zhì)研究[D]注:PCAC1和PCAC2分別由15%和20%聚乙二醇相變?yōu)r青拌西安:長(cháng)安大學(xué),2011.制的相變?yōu)r青混合料試件[11]胡曙光,李潛,黃紹龍,丁慶軍.相變材料聚乙二醇應用于瀝青混合料可行性的研究[].公路,2009,(7):291295.[12] Cocu X, Nicaise D, Rachidi S. The use of phase change materials由表3可看出,相變?yōu)r青混合料的馬歇爾穩定度和動(dòng)穩to delay pavement freezing [C]. Transport Research Arena定度均比基質(zhì)瀝青混合料稍低,但仍能滿(mǎn)足當前規范要求。這是由于聚乙二醇是一種典型的固液相變材料,在其發(fā)生相13] Chen mei zhu, Hong jing, Wu Shao Peng, et al. Optimization of轉變時(shí),由固體結晶態(tài)轉變成流動(dòng)態(tài)的液體,瀝青變軟,高溫phase change materials used in asphalt pavement to Prevent rut穩定性稍下降,且隨著(zhù)聚乙二醇摻量的增加,影響增大因此ting[C] 2011 International Conference on Information Science必須嚴格控制聚乙二醇的摻量。Automation and Material System, Advanced Materials Re-earch,2011,V219220:13751378.5結論[14 Chen M Z, Wan L, Wu SP,et a. Effect of phase change materi利用聚乙二醇發(fā)生物相轉變的熱能儲存和溫度調節控制al on temperature susceptibility of asphalt[C]. Proceedings of的特性,將聚乙二醇摻加到基質(zhì)瀝青中,可減小基質(zhì)瀝青的溫the International Conference on Heterogeneous Material Me-度敏感性,且相變?yōu)r青混合料具有一定的儲熱性能,當聚乙二醇有效摻量為0.8%時(shí),可實(shí)現1.4℃的降溫幅度。由于聚乙[15 Chen Meizhu, Xu Guangji, Wu Shaopeng, Wan Lu. Preliminarystudy on asphalt mortar containing shaped-stabled phase change二醇為固液相變材料,發(fā)生相轉變時(shí)會(huì )形成流動(dòng)的液態(tài),使瀝naterial[C]. 1a International Congress on Advanced Materials青變軟,因此相變?yōu)r青混合料高溫穩定性較基質(zhì)瀝青混合料2011, Advanced Materials Research, 2011, V306-307: 1702有所降低,但在論文中的摻量條件下仍能滿(mǎn)足規范要求。由170上可知,直接摻加聚乙二醇的方法制備相變?yōu)r青混合料,聚乙[16]張一博朱洪洲,李菁若,何麗紅.儲熱降溫瀝青路面用相變材二醇的摻量受限,也制約了降溫的幅度。料的選擇[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2012,33(3):1014如將聚乙二醇與其它材料復合制得定形相變材料,在相收稿日期:2012-1224變過(guò)程仍保持固體狀態(tài),不泄漏液體,且具有與瀝青路面相適中國煤化工郎日期:201301-18應的相變溫度和較高的相變潛熱,將可有效地解決摻量與儲CNMHG熱能力和高溫穩定性的問(wèn)題,這將是我們下一步研究的方向