CN102515650B - 相变调温水泥沥青复合式混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及相变调温水泥沥青复合式混凝土及其制备方法，将掺有相变材料的水泥胶浆以自流平的方式灌注到大孔隙沥青混凝土中以保证其空隙被完全填满，其中大孔隙沥青混凝土各组分计为：集料88～91%，矿粉5～7%，改性沥青4～5%，其孔隙率为20%～30%；掺有相变材料的水泥胶浆各组分为水泥40～45%，细砂15～20%，粉煤灰5～7%，水25～30%，膨胀剂0.6～1.5%，复合相变材料5～10%，减水剂0.3～0.5%。本发明具有以下有益效果：工艺简单、成本低、易实施；可使路面具有较强抵抗车辙能力，同时具有降低路面温度功能；避免了传统热拌沥青混凝土的高温拌合摊铺过程对相变材料的热损伤。

Description

相变调温水泥沥青复合式混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于高性能路面材料技术领域，特别是涉及相变调温水泥沥青复合式混凝土及其制备方法。

背景技术

沥青路面由于平整度高、噪音小、行车舒适等优点已经越来越多的应用在高等级路面中。沥青是一种典型的粘弹性材料，决定了沥青路面性能易受荷载与温度的影响。同时，沥青又是一种吸热材料，对太阳热辐射的吸收率高达0.80～0.95，导致夏季沥青路面温度远高于气温。路面高温是产生车辙的最直接诱因，同时路面受到高温炙烤，会降低司乘人员的舒适度，并易引发车辆爆胎甚至自燃，造成严重交通事故。路面高温还会加剧城市的热岛效应，而城市热岛效应加剧城市污染，降低人居环境质量，同时加大城市能耗及地表大气的热扩散，影响人们身体健康。城市道路在城市面积中所占的比例较大，其中基本上都是沥青路面，沥青路面的黑颜色对光的反射率非常低，在太阳直射下，沥青路面上的温度比绿地上高18℃，如果能降低路面温度，无疑会缓解城市热岛效应。

对于降低路面温度已经有相关文献和专利，中国专利CN201010140756.8“降低路面温度的集料及利用其制备沥青混合料的方法”采用粒径为4.75mm～9.5mm的废旧陶瓷颗粒按体积比18%～22%替换该粒径范围的石料，制备的混合料的导热系数0.680W/m·K～0.690W/m·K，减少了车辙病害和城市热岛效应，但该方法制备的混合料中陶瓷颗粒与沥青粘附性较差，路用性能有待提高。中国专利CN200920206701.5“降低路面温度的光热反射型沥青混凝土路面结构”采用在路面层上表面喷涂光热反射型涂层，在光热反射型涂层上表面撒布抗滑集料层，该路面具有高的光热反射率，从而减少了路面热吸收率，降低路面的温度。但考虑到路表的磨耗，该反射型涂层的使用寿命较短。

利用相变材料(PCM，Phase Change Materials)的相变潜热来实现能量的储存和利用，同时利用其相变时温度近似恒定的特性，可以实现体系温度的控制。目前国内外有一些对采用PCM来调节、控制沥青路面温度的相关文献。中国专利CN 200710090229.9“一种自调温公路相变材料及生产方法”，提到了采用PCM对太阳能储释，调控路面温度，以避免路面冬季霜冻安全隐患和冰冻产生裂缝，提高道路行驶安全，但没有特指沥青路面。在有关介绍PCM应用领域时，有提到了含有PCM的沥青路面可以防止道路、桥梁结冰。中国专利CN200810048628.3“一种相变沥青路面材料的制备方法”提出了由相变材料、促凝剂、支撑材料、偶联剂以及集料、填料、纤维与沥青制备相变沥青路面材料，其特征是将相变材料加入到沥青中制备相变改性沥青，并将这种相变改性沥青用于热拌沥青混合料中制备相变路面材料，但该相变路面材料高温稳定性不好。中国专利201110042023.5“自调温冷拌沥青混凝土及其制备方法”提出了将复合相变材料加入到基于微表处技术的冷拌沥青混合料中，采用冷拌方式有效避免高温拌合条件下复合相变材料的泄漏，制备的混凝土能有效降低路面温度。但该方法是基于微表处技术，与本发明所采用的技术路线不同。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提供一种工艺简单、成本低、易实施的具有降低路面温度功能的相变调温水泥沥青复合式混凝土及其制备方法。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：相变调温水泥沥青复合式混凝土，其特征在于其是将掺有相变材料的水泥胶浆以自流平的方式灌注到大孔隙沥青混凝土中以保证其空隙被完全填满，其中大孔隙沥青混凝土各组分掺加比例以质量百分比计为：集料88～91%，矿粉5～7%，改性沥青4～5%，其孔隙率为20%～30%；掺有相变材料的水泥胶浆各组分掺加比例以质量百分比计为：水泥40～45%，细砂15～20%，粉煤灰5～7%，水25～30%，膨胀剂0.6～1.5%，复合相变材料5～10%，减水剂0.3～0.5%。

按上述方案，所述的集料压碎值应不大于20%，针片状含量不大于10%。

按上述方案，所述的矿粉为石灰石矿粉，且符合《公路沥青路面施工技术规范》中对填料的技术要求。 

按上述方案，所述的改性沥青为高粘度TPS改性沥青，60℃粘度为90000 Pa.s。

按上述方案，所述的细砂为机制砂或河砂，且其粒径≤0.6mm。

按上述方案，所述的粉煤灰为Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰，粒径≤0.6mm。

按上述方案，所述的膨胀剂为UEA膨胀剂。

按上述方案，所述的复合相变材料为石蜡和膨胀石墨复合而成，膨胀石墨与石蜡的质量比为1：8~9，所述的复合相变材料的相变温度为40~50℃，相变热为150~160kJ/kg。 

按上述方案，所述的减水剂为VIVID-500聚羧酸超塑化剂。

相变调温水泥沥青复合式混凝土的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：

1）按各原料所占重量百分数为：集料88～91%，矿粉5～7%，改性沥青4～5%，选取集料、矿粉和改性沥青，备用；

2）将集料烘至170～180℃后，再加入矿粉和改性沥青拌合制备沥青混合料，按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的轮碾法成型大孔隙沥青混凝土，保证孔隙率在20%～30%； 

3）按各原料所占重量百分数为：水泥40～45%，细砂15～20%，粉煤灰5～7%，水25～30%，膨胀剂0.6～1.5%，复合相变材料5～10%，减水剂0.3～0.5%，称取水泥、细砂、粉煤灰、水、膨胀剂、复合相变材料和减水剂备用；

4）将步骤3）中所述水泥、细砂、粉煤灰、膨胀剂和复合相变材料拌合均匀，再加入水和减水剂搅拌均匀后得到流动度适宜10s～14s的水泥胶浆；

5）将步骤4）中制备的水泥胶浆以自流平的方式灌注到步骤2）中所制备的大孔隙沥青混凝土中，灌注过程中采用平板振动器辅助贯入，整个灌注过程应在20分钟内完成，灌注充分以保证其空隙被完全填满后，用橡胶刮板刮除多余的浆液，以暴露出沥青混合料试件表面的凹凸不平为宜，养护3天后即得相变调温水泥沥青复合式混凝土。

本发明的基本原理为：复合相变材料通过相态转变过程中的潜热形式的热量储存与释放，可以进行热能贮存和温度调节控制，使材料的温度能够在合理温度范围内保持较长时间，且控制材料的高温和低温极值及其出现时间，减小温度变化速率和温度梯度。据此，可以将相变材料掺入沥青混凝土中，开发自调温沥青混凝土。当环境气温升高或外部有热流进入沥青混凝土路面时，路面温度将随之升高，温度高于相变材料相变温度后，相变材料将进行相态转换，吸收并储存部分热量，用于提高混凝土温度的热量将相应减少，混合料升温速率降低，相同时间内沥青混凝土路面与混合料达到的高温温度减小，达到削峰的效果。当环境气温降低或外部有冷流进入沥青混凝土路面时，与此过程相反，相变材料的掺入可以达到填谷的效果。同时，在高低温交替变化过程中，沥青混凝土路面的温度变化幅度将相应减小，使沥青混凝土路面在一定时间段内维持在某一稳定温度变化范围。在沥青混合料中掺入相变材料，可以主动改善沥青混凝土路面的使用温度状况。

该相变调温水泥沥青复合式混凝土在满足路用性能的基础上，利用其组成中相变材料的近似恒温储能与释能的特点，以调控路面温度，降低夏季高温时路面温度，从而有效预防沥青路面高温对行驶车辆及人员造成的危害，同时可避免路面高温所导致的沥青老化，并减弱因路面高温所加剧的城市热岛效应。该相变调温冷拌沥青混凝土的成功应用，可保证路面质量、延长其服役寿命。

本发明具有以下有益效果：

1、该方法工艺简单、成本低、易实施；

2、该方法可使路面具有较强抵抗车辙能力，同时具有降低路面温度功能，可缓解沥青路面高温带来的城市热岛效应等危害，延长沥青路面使用寿命；

3、该方法避免了传统热拌沥青混凝土的高温拌合摊铺过程对相变材料的热损伤，有效解决了相变材料这沥青混凝土中的植入技术问题。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1：

相变调温水泥沥青复合式混凝土由大孔隙沥青混凝土和掺有相变材料的水泥胶浆组成，大孔隙混凝土中，各原料所占重量百分比为：集料88%，矿粉7%，改性沥青5%；水泥胶浆中，各原料所占重量百分比为水泥40%，细砂20%，粉煤灰7%，水27%，膨胀剂0.7%，复合相变材料5%，减水剂0.3%；

所述集料压碎值为10%，针片状含量为3%，级配如表1；

所述的矿粉为石灰石矿粉，且符合《公路沥青路面施工技术规范》中对填料的技术要求；

所述改性沥青为高粘度TPS改性沥青，其60℃粘度为90000 Pa.s；

所述细砂为河砂，粒径≤0.6mm；

所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，粒径≤0.6mm；

所述膨胀剂为UEA膨胀剂；

所述的复合相变材料为购买的商用xiang002型固-固复合定形相变材料，为石蜡和膨胀石墨复合而成，膨胀石墨与石蜡的质量比为1：9，其相变温度为45℃，相变热为156kJ/kg；

所述减水剂为VIVID-500聚羧酸超塑化剂。

上述相变调温水泥沥青复合式混凝土的制备方法，包括如下步骤：

1）将集料烘至170～180℃后，分别加入矿粉和改性沥青拌合制备沥青混合料，按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的轮碾法成型大孔隙沥青混凝土，其孔隙率为23%；

2）将所述水泥、细砂、粉煤灰、膨胀剂和复合相变材料拌合均匀，再加入水和减水剂搅拌均匀后得到流动度适宜10s～14s的水泥胶浆； 

3）将制备的水泥胶浆灌注到大孔隙沥青混凝土中，灌注过程中采用平板振动器辅助贯入，整个灌注过程应在20分钟内完成，灌注充分以保证其空隙被完全填满后，用橡胶刮板刮除多余的浆液，以暴露出沥青混合料试件表面的凹凸不平为宜，养护3天后即得相变调温水泥沥青复合式混凝土，其相关性能列于表2。 

实施例2：

相变调温水泥沥青复合式混凝土由大孔隙沥青混凝土和掺有相变材料的水泥胶浆组成，大孔隙混凝土中，各原料所占重量百分比为：集料90%，矿粉5.5%，改性沥青4.5%；水泥胶浆中，各原料所占重量百分比为水泥42%，细砂17%，粉煤灰6%，水28%，膨胀剂0.7%，复合相变材料6%，减水剂0.3%；

所述集料压碎值为10%，针片状含量为3%，级配如表1；

所述改性沥青为高粘度TPS改性沥青，其60℃粘度为90000 Pa.s；

所述细砂为河砂，粒径≤0.6mm；

所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，粒径≤0.6mm；

所述膨胀剂为UEA膨胀剂；

所述的复合相变材料为购买的商用xiang002型固-固复合定形相变材料，为石蜡和膨胀石墨复合而成，膨胀石墨与石蜡的质量比为1：9，其相变温度为45℃，相变热为156kJ/kg；

所述减水剂为VIVID-500聚羧酸超塑化剂。

上述相变调温水泥沥青复合式混凝土的制备方法，包括如下步骤：

1）将集料烘至170～180℃后，分别加入矿粉和改性沥青拌合制备沥青混合料，按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的轮碾法成型大孔隙沥青混凝土，其孔隙率为24%；

2）将所述水泥、细砂、粉煤灰、膨胀剂和复合相变材料拌合均匀，再加入水和减水剂搅拌均匀后得到流动度适宜10s～14s的水泥胶浆； 

3）将制备的水泥胶浆灌注到大孔隙沥青混凝土中，灌注过程中采用平板振动器辅助贯入，整个灌注过程应在20分钟内完成，灌注充分以保证其空隙被完全填满后，用橡胶刮板刮除多余的浆液，以暴露出沥青混合料试件表面的凹凸不平为宜，养护3天后即得相变调温水泥沥青复合式混凝土，其相关性能列于表2。 

实施例3：

相变调温水泥沥青复合式混凝土由大孔隙沥青混凝土和掺有相变材料的水泥胶浆组成，大孔隙混凝土中，各原料所占重量百分比为：集料91%，矿粉5%，改性沥青4%；水泥胶浆中，各原料所占重量百分比为水泥43%，细砂15%，粉煤灰5%，水29%，膨胀剂0.6%，复合相变材料7%，减水剂0.4%；

所述集料压碎值为10%，针片状含量为3%，级配如表1；

所述改性沥青为高粘度TPS改性沥青，其60℃粘度为90000 Pa.s；

所述细砂为河砂，粒径≤0.6mm；

所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，粒径≤0.6mm；

所述膨胀剂为UEA膨胀剂；

所述的复合相变材料为购买的商用xiang002型固-固复合定形相变材料，为石蜡和膨胀石墨复合而成，膨胀石墨与石蜡的质量比为1：9，其相变温度为45℃，相变热为156kJ/kg；

所述减水剂为VIVID-500聚羧酸超塑化剂。

上述相变调温水泥沥青复合式混凝土的制备方法，包括如下步骤：

1）将集料烘至170～180℃后，分别加入矿粉和改性沥青拌合制备沥青混合料，按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的轮碾法成型大孔隙沥青混凝土，其孔隙率为26%；

2）将所述水泥、细砂、粉煤灰、膨胀剂和复合相变材料拌合均匀，再加入水和减水剂搅拌均匀后得到流动度适宜10s～14s的水泥胶浆； 

3）将制备的水泥胶浆灌注到大孔隙沥青混凝土中，灌注过程中采用平板振动器辅助贯入，整个灌注过程应在20分钟内完成，灌注充分以保证其空隙被完全填满后，用橡胶刮板刮除多余的浆液，以暴露出沥青混合料试件表面的凹凸不平为宜，养护3天后即得相变调温水泥沥青复合式混凝土，其相关性能列于表2。 

实施例4：

相变调温水泥沥青复合式混凝土由大孔隙沥青混凝土和掺有相变材料的水泥胶浆组成，大孔隙混凝土中，各原料所占重量百分比为：集料89%，矿粉6.5%，改性沥青4.5%；水泥胶浆中，各原料所占重量百分比为水泥45%，细砂15%，粉煤灰5%，水25%，膨胀剂1.5%，复合相变材料8%，减水剂0.5%；

所述集料压碎值为10%，针片状含量为3%，级配如表1；

所述改性沥青为高粘度TPS改性沥青，其60℃粘度为90000 Pa.s；

所述细砂为河砂，粒径≤0.6mm；

所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，粒径≤0.6mm；

所述膨胀剂为UEA膨胀剂；

所述的复合相变材料为购买的商用xiang002型固-固复合定形相变材料，为石蜡和膨胀石墨复合而成，膨胀石墨与石蜡的质量比为1：9，其相变温度为45℃，相变热为156kJ/kg；

所述减水剂为VIVID-500聚羧酸超塑化剂。

上述相变调温水泥沥青复合式混凝土的制备方法，包括如下步骤：

1）将集料烘至170～180℃后，分别加入矿粉和改性沥青拌合制备沥青混合料，按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的轮碾法成型大孔隙沥青混凝土，其孔隙率为28%；

2）将所述水泥、细砂、粉煤灰、膨胀剂和复合相变材料拌合均匀，再加入水和减水剂搅拌均匀后得到流动度适宜10s～14s的水泥胶浆； 

3）将制备的水泥胶浆灌注到大孔隙沥青混凝土中，灌注过程中采用平板振动器辅助贯入，整个灌注过程应在20分钟内完成，灌注充分以保证其空隙被完全填满后，用橡胶刮板刮除多余的浆液，以暴露出沥青混合料试件表面的凹凸不平为宜，养护3天后即得相变调温水泥沥青复合式混凝土，其相关性能列于表2。 

实施例5：

相变调温水泥沥青复合式混凝土由大孔隙沥青混凝土和掺有相变材料的水泥胶浆组成，大孔隙混凝土中，各原料所占重量百分比为：集料91%，矿粉5%，改性沥青4%；水泥胶浆中，各原料所占重量百分比为水泥40%，细砂15%，粉煤灰6%，水28%，膨胀剂0.6%，复合相变材料10%，减水剂0.4%；

所述集料压碎值为10%，针片状含量为3%，级配如表1；

所述改性沥青为高粘度TPS改性沥青，其60℃粘度为90000 Pa.s；

所述细砂为河砂，粒径≤0.6mm；

所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，粒径≤0.6mm；

所述膨胀剂为UEA膨胀剂；

所述的复合相变材料为购买的商用xiang002型固-固复合定形相变材料，为石蜡和膨胀石墨复合而成，膨胀石墨与石蜡的质量比为1：9，其相变温度为45℃，相变热为156kJ/kg；

所述减水剂为VIVID-500聚羧酸超塑化剂。

上述相变调温水泥沥青复合式混凝土的制备方法，包括如下步骤：

1）将集料烘至170～180℃后，分别加入矿粉和改性沥青拌合制备沥青混合料，按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的轮碾法成型大孔隙沥青混凝土，其孔隙率为27%；

2）将所述水泥、细砂、粉煤灰、膨胀剂和复合相变材料拌合均匀，再加入水和减水剂搅拌均匀后得到流动度适宜10s～14s的水泥胶浆； 

3）将制备的水泥胶浆灌注到大孔隙沥青混凝土中，灌注过程中采用平板振动器辅助贯入，整个灌注过程应在20分钟内完成，灌注充分以保证其空隙被完全填满后，用橡胶刮板刮除多余的浆液，以暴露出沥青混合料试件表面的凹凸不平为宜，养护3天后即得相变调温水泥沥青复合式混凝土，其相关性能列于表2。 

附表：

表1 集料级配

表2 各实施例相关性能

 通过表2说明本发明可降低路面的温度，同时具有较强抵抗车辙能力。

Claims (6)

1.相变调温水泥沥青复合式混凝土，其特征在于其是将掺有相变材料的水泥胶浆以自流平的方式灌注到大孔隙沥青混凝土中以保证其空隙被完全填满，其中大孔隙沥青混凝土各组分掺加比例以质量百分比计为：集料88～91%，矿粉5～7%，改性沥青4～5%，其孔隙率为20%～30%，所述的改性沥青为高粘度TPS改性沥青，60℃粘度为90000 Pa˙s；掺有相变材料的水泥胶浆各组分掺加比例以质量百分比计为：水泥40～45%，细砂15～20%，粉煤灰5～7%，水25～30%，膨胀剂0.6～1.5%，复合相变材料5～10%，减水剂0.3～0.5%，所述的复合相变材料为石蜡和膨胀石墨复合而成，膨胀石墨与石蜡的质量比为1：8~9，所述的复合相变材料的相变温度为40~50℃，相变热为150~160kJ/kg。

2.根据权利要求1所述的相变调温水泥沥青复合式混凝土，其特征在于：所述的集料压碎值应不大于20%，针片状含量不大于10%。

3.根据权利要求1所述的相变调温水泥沥青复合式混凝土，其特征在于：所述的细砂为机制砂或河砂，且其粒径≤0.6mm。

4.根据权利要求1所述的相变调温水泥沥青复合式混凝土，其特征在于：所述的粉煤灰为Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰，粒径≤0.6mm。

5.根据权利要求1所述的相变调温水泥沥青复合式混凝土，其特征在于：所述的膨胀剂为UEA膨胀剂。

6.根据权利要求1所述的相变调温水泥沥青复合式混凝土，其特征在于：所述的减水剂为VIVID-500聚羧酸超塑化剂。