CN103508701B

CN103508701B - 一种复合相变降温沥青路面材料

Info

Publication number: CN103508701B
Application number: CN201210198503.5A
Authority: CN
Inventors: 朱洪洲; 何丽红; 唐伯明; 尚婷; 陈辉强; 李菁若; 陈晨
Original assignee: Individual
Current assignee: Chongqing Jiaotong University
Priority date: 2012-06-17
Filing date: 2012-06-17
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2032-06-17
Also published as: CN103508701A

Abstract

本发明提出一种复合相变降温沥青路面材料，该材料将具有储能功效的相变材料通过溶胶凝胶法制备定形复合相变材料，干燥、研磨、表面疏水改性，干燥后得定形复合相变颗粒，筛分后用以替代一定粒径的集料或填料应用于沥青混合料中，获得复合相变降温沥青路面材料，该材料具有良好的降低沥青路面温度的效果，提高沥青路面的高温稳定性，同时可缓解城市热岛效应。

Description

一种复合相变降温沥青路面材料

技术领域

本发明涉及一种复合相变降温沥青路面材料的制备方法，该复合相变降温沥青材料可应用于道路工程领域。

背景技术

随着社会经济与公路交通运输事业的的迅速发展，沥青路面以其平整度高、行车舒适性好、噪音低等多种优点被广泛应用于公路、城市道路以及机场等交通设施的建设中。据统计，我国现有道路中沥青路面约占50%，其中在建、重建或大中修的高速公路中90%以上采用了沥青路面。但沥青作为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。特别随着全球气候变暖和气候异常，在我国大部分地区夏季炎热，气温往往超过35℃甚至达到40℃以上，而沥青又是一种吸热材料，它的太阳热吸收率达到0.85～0.95，使沥青路面表面温度高达60℃以上，已超过道路沥青的软化点温度，且随着温度升高，变形量愈大，使沥青路面的高温稳定性受到严峻的考验，从而产生车辙、拥包、推挤、泛油、搓板等热稳性病害，严重影响沥青路面的路用性能及交通安全；同时，高温的沥青路面还释放出大量的沥青挥发物，影响人居环境，且蓄积了大量热量的沥青路面不断释放热量导致周围气温升高，加剧了城市热岛效应。若能采取某种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影响。

相变材料（phasechangematerials，PCM）或称相变储能材料，是指在一定温度范围内，即相变温度范围内改变其相态（如从固态到液态或从液态到固态），以潜热的形式吸收、贮存或释放大量热量而本身温度保持不变的材料。相变材料具有热能贮存和温度调节控制的特性，使其在许多领域具有应用价值，如太阳能利用、电力调峰、废热利用、跨季节储热和储冷、食物保鲜、建筑隔热保温、电子器件热保护、纺织服装、农业等。但相变材料在公路交通领域的应用尚处于探索研究阶段，日本和我国对相变材料在水泥混凝土路面中的应用进行了尝试，而对其在沥青混凝土路面中的应用研究则刚刚开始。

中国专利CN101029216A“一种自调温公路相变材料及生产方法”，提出一种由脂肪酸、硫酸钾、壳聚糖、聚丙烯酰胺、漂珠、水镁石、叶蜡石、有机硅乳液、石蜡和氢氧化钠十种材料按一定质量比例复合而成的相变材料，从理论上分析了调温机理，但并未提到如何应用到公路中。中国专利CN101333094A“一种相变沥青路面材料的制备方法”，中国专利CN101333094A“一种相变沥青路面材料的制备方法”，提出在有促凝剂的条件下由相变材料、硅溶胶、支撑材料、偶联剂制备出相变沥青改性剂，其中为氯化钙或氯化镁，但二氧化硅溶胶在有氯化钙类促凝剂的加入会降低降乙二醇的结晶性能，甚至形成络合结构，使聚乙二醇的结晶度大大降低，导致相变潜热下降（参考文献见刘少华等，聚乙二醇与钙离子的相互作用研究，生物医学工程杂志，1990，7（4）；庄锦树，聚乙二醇与氯化钙形成配合物的表征，福建师范大学学报（自然科学版）1991，7（2））。中国专利CN102134829A“自调温冷拌沥青混凝土及其制备方法”，提出由集料、填料、石蜡与膨胀石墨复合相变材料、水和改性乳化沥青获得自调温冷拌沥青混凝土，是一种冷拌沥青混凝土。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无促凝剂二氧化硅定形复合相变材料应用于热拌沥青混合料中，获得复合相变降温沥青路面材料，该路面材料具有良好的降低路面温度的效果，提高沥青路面的高温稳定性，同时可缓解城市热岛效应。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：复合相变降温路面材料由粗集料、细集料、填料、无促凝剂二氧化硅定形复合相变材料、纤维和沥青或改性沥青按一定质量比例热拌而成，各原材料所占质量百分数为：粗集料50～80%，细集料10～30%，填料0～10%，无促凝剂二氧化硅定形复合相变材料2～10%，纤维0～0.5%，沥青4～7%。

所述粗集料、细集料为玄武岩、石灰岩或花岗岩等，填料为石灰石矿粉，纤维为木质素纤维、矿物纤维或聚合物化学纤维，沥青为道路石油沥青或SBS改性沥青。

所述定形复合相变材料由二氧化硅、有机固-液相变材料和偶联剂复合、改性而成，其中二氧化硅作为载体基质，有机固-液相变料作为相变物质，偶联剂作为表面疏水改性剂；其中各原材料的质量比为硅溶胶︰有机固-液相变材料︰偶联剂=100︰15～200︰0.15～3。

该定形复合相变材料的相变温度为40～70℃，相变潜热为100～180J/g。

所述的载体基质二氧化硅为硅溶胶，pH值为8～10.5。硅溶胶的质量浓度为15%～50%，有机固-液相变材料为聚乙二醇（分子量为2000～200000）、脂肪醇类（十二醇、十四醇、十八醇等）、脂肪酸类（十二烷酸、十四烷酸、棕榈酸、硬脂酸、二十二烷酸、月桂酸、葵酸、肉豆蔻酸等）、脂肪酸酯类（硬脂酸丁酯、二硬脂酸乙二醇酯等），偶联剂为硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂。

所述定形复合相变材料的制备方法是将相变材料分散于硅溶胶中，在40～60℃水浴下强力搅拌使其凝胶化，70～90℃的烘箱中鼓风干燥12～24h，冷却至室温，研磨成粉末，粉末加入偶联剂的稀释液中，于80～100℃温度下强力搅拌反应2～4h，使其表面疏水改性，除去溶剂，所得表面疏水粉末置入70～80℃烘箱中鼓风干燥4～6h，研磨后得定形复合相变材料，粉末粒径≤0.6mm。

上述复合相变降温路面材料的制备方法，它包括如下步骤：

1）按各原材料所占质量百分数为：粗集料50～80%，细集料10～30%，填料0～10%，定形复合相变材料2～10%，纤维0～0.5%，沥青4～6%，准备材料备用；

2）将粗集料、细集料、填料、定形复合相变材料、纤维于160～180℃烘箱中预热2～24h，优选4～6h；

3）烘热的集料、定形复合相变材料和纤维在试验盆中进行手工搅拌分散后，倒入搅拌锅中搅拌均匀，拌和温度设为140～175℃，添加热沥青拌和均匀，得混合料；

4）将上述混合料按试验规程要求压实成型试件，养护脱模后，得复合相变降温路面材料。

本发明将相变材料应用到沥青混合料中，形成复合相变降温沥青路面材料，在高温条件下可降低路面温度2～10℃。其工作原理是当外界环境温度剧烈升高时，复合相变降温路面材料利用其相变过程将白天高温时的太阳能进行转化，减缓路面温度的变化，避免路面长时间处于高温状态，不但减少路面热稳性病害，而且减少路面向环境散热，降低周边环境温度。此外，据统计如果夏季城区气温降低1℃，空调用电可节约10%，全国可节约1000亿千瓦时，折合1700万吨标煤。所以，将相变材料应用到沥青路面中形成相变自调温路面，可有效避免热稳性病害的产生、延长道路使用寿命、减少道路的维修费用、提高交通安全；同时，可有效缓解热岛效应、节省能源、改善人居环境。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施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。

复合相变降温路面材料由粗集料、细集料、定形复合相变材料、70#SBS改性沥青热拌而成，各原材料所占质量百分数为：粗集料70.0%，细集料18.0%，定形复合相变材料7.0%，SBS改性沥青5.0%。

粗、细集料均为玄武岩，最大公称粒径为13.2mm。

定形复合相变材料是将聚乙二醇2000分散于30%硅溶胶中，其中硅溶胶与聚乙二醇2000的质量比为100∶120，于50℃水浴温度下强力搅拌使其凝胶化，85℃的烘箱中鼓风干燥24h，冷却至室温，研磨成粉末，粉末加入质量比为粉末样品1.0%硅烷偶联剂KH-570的无水乙醇溶液中，90℃下强力搅拌反应3h，使其表面疏水改性，所得表面疏水粉末置入80℃烘箱中鼓风干燥6h，研磨后得定形复合相变材料，粉末粒径＜0.3mm。

该定形复合相变材料的相变温度为45.3℃，相变潜热为120J/g。本发明的热特性参数均采用耐驰综合热分析仪STA449C，以下同此。

上述复合相变降温路面材料的制备方法，它包括如下步骤：

1）按各原材料所占质量百分数为：粗集料70.0%，细集料18.0%，定形复合相变材料7.0%，SBS改性沥青5.0%，准备材料备用；

2）将粗集料、细集料、定形复合相变材料于180℃烘箱中预热4h；

3）烘热的集料和定形复合相变材料在试验盆中进行手工搅拌分散后，倒入搅拌锅中搅拌90s，拌和温度设为170℃，添加热SBS改性沥青拌和90s，得混合料；

4）将上述混合料按试验规程要求压实成型马歇尔试件，养护脱模后，得复合相变降温路面材料。相关技术性能如表1所示。

实施例2。

复合相变降温路面材料由粗集料、细集料、定形复合相变材料、70#沥青热拌而成，各原材料所占质量百分数为：粗集料70%，细集料19%，定形复合相变材料6.2%，70#沥青4.8%。

所述粗、细集料为石灰岩，最大公称粒径为13.2mm。

所述定形复合相变材料是将聚乙二醇4000分散于40%硅溶胶

中，其中硅溶胶与聚乙二醇2000的质量比为100∶120，于50℃水浴温度下强力搅拌使其凝胶化，85℃的烘箱中鼓风干燥24h，冷却至室温，研磨成粉末，粉末加入质量比为粉末样品1.0%硅烷偶联剂KH-570的无水乙醇溶液中，90℃下强力搅拌反应3h，使其表面疏水改性，所得表面疏水粉末置入80℃烘箱中鼓风干燥6h，研磨后得定形复合相变材料，粉末粒径＜0.15mm。

该定形复合相变材料的相变温度为47.2℃，相变潜热为130.1J/g。

上述复合相变降温路面材料的制备方法，它包括如下步骤：

1）按各原材料所占质量百分数为：各原材料所占质量百分数为：粗集料70%，细集料19%，定形复合相变材料6.2%，70#沥青4.8%，准备材料备用；

2）将粗集料、细集料、定形复合相变材料于165℃烘箱中预热4h；

3）烘热的集料和定形复合相变材料在试验盆中进行手工搅拌分散后，倒入搅拌锅中搅拌90s，拌和温度设为150℃，添加热70#沥青拌和90s，得混合料；

实施例3。

复合相变降温路面材料由粗集料、细集料、定形复合相变材料、矿粉、SBS改性沥青热拌而成，各原材料所占质量百分数为：粗集料70.0%，细集料14.0%，定形复合相变材料7.0%，矿粉3.9%，SBS改性沥青5.1%。

所述粗、细集料为花岗岩，最大公称粒径为13.2mm。

所述定形复合相变材料是将十八醇分散于30%硅溶胶中，其中硅溶胶与十八醇的质量比为100∶120，于55℃水浴温度下强力搅拌使其凝胶化，80℃的烘箱中鼓风干燥24h，冷却至室温，研磨成粉末，粉末加入质量比为粉末样品0.8%钛酸酯偶联剂的无水乙醇溶液中，80℃下强力搅拌反应2.5h，使其表面疏水改性，所得表面疏水粉末置入80℃烘箱中鼓风干燥4h，研磨后得定形复合相变材料，粉末粒径＜0.6mm。

该定形复合相变材料的相变温度为55.1℃，相变潜热为160J/g。

上述复合相变降温路面材料的制备方法，它包括如下步骤：

1）按各原材料所占质量百分数为：各原材料所占质量百分数为：粗集料70.0%，细集料14.0%，定形复合相变材料7.0%，矿粉3.9%，SBS改性沥青5.1%，准备材料备用；

3）烘热的集料、定形复合相变材料和矿粉在试验盆中进行手工搅拌分散后，倒入搅拌锅中搅拌90s，拌和温度设为170℃，添加热SBS改性沥青拌和90s，得混合料；

实施例4。

复合相变降温路面材料由粗集料、细集料、定形复合相变材料、矿粉、聚酯纤维、SBS改性沥青热拌而成，各原材料所占质量百分数为：粗集料71.0%，细集料8.0%，定形复合相变材料5.0%，矿粉10.0%，聚酯纤维0.3%，SBS改性沥青5.7%。

所述粗、细集料为石灰岩，最大公称粒径为13.2mm。

所述定形复合相变材料是将二十二烷酸分散于40%硅溶胶中，其中硅溶胶与二十二烷酸质量比为100∶160，于60℃水浴温度下强力搅拌使其凝胶化，80℃的烘箱中鼓风干燥24h，冷却至室温，研磨成粉末，粉末加入质量比为粉末样品1.0%钛酸酯偶联剂的无水乙醇溶液中，80℃下强力搅拌反应2.5h，使其表面疏水改性，所得表面疏水粉末置入80℃烘箱中鼓风干燥4h，研磨后得定形复合相变材料，粉末粒径＜0.6mm。

该定形复合相变材料的相变温度为42℃，相变潜热为150J/g。

上述复合相变降温路面材料的制备方法，它包括如下步骤：

1）按各原材料所占质量百分数为：各原材料所占质量百分数为：粗集料71.0%，细集料8.0%，定形复合相变材料5.0%，矿粉10.0%，聚酯纤维0.3%，SBS改性沥青5.7%，准备材料备用；

2）将粗集料、细集料、定形复合相变材料、矿粉、聚酯纤维于180℃烘箱中预热4h；

3）烘热的集料、定形复合相变材料、矿粉和聚酯纤维在试验盆中进行手工搅拌分散后，倒入搅拌锅中搅拌90s，拌和温度设为170℃，添加热SBS改性沥青拌和90s，得混合料；

表1各实施例相关技术性能

实施例	降温^①/℃	稳定度/KN	流值/mm
				1	5.2	8.1	3.7
2	4.6	10.2	3.2
				3	8.1	8.7	2.9
4	5.3	6.5	3.5

注：①在自制温度试验采集箱进行碘钨灯辐照试验，将制作的沥青混合料马歇尔试件底部中央钻孔，通过预埋温度记录仪探头来测试一个温度循环12h中复合相变降温沥青混合料与未未添加定形复合相变材料的相同级配的基质沥青混合料的温度差值。

Claims

1.一种复合相变降温沥青路面材料，该路面材料由粗集料、细集料、填料、无促凝剂二氧化硅定形复合相变材料、纤维和沥青按照如下质量比例热拌而成：粗集料50～80％，细集料10～30％，填料0～10％，无促凝剂二氧化硅定形复合相变材料2～10％，纤维0～0.5％，沥青4～7％；

其中，所述无促凝剂二氧化硅定形复合相变材料由硅溶胶、有机固-液相变材料和偶联剂复合、改性而成，其中二氧化硅作为载体基质，载体基质二氧化硅为硅溶胶，有机固-液相变料作为相变物质，偶联剂作为表面疏水改性剂；且各原材料的质量比为硅溶胶︰有机固-液相变材料︰偶联剂＝100︰15～200︰0.15～3；

所述无促凝剂二氧化硅定形复合相变材料通过如下方法制备得到：将有机固-液相变材料分散于硅溶胶中，在40～60℃水浴下强力搅拌使所述硅溶胶凝胶化，于70～90℃的烘箱中鼓风干燥12～24h，冷却至室温，研磨成粉末；将所述粉末加入偶联剂的稀释液中，于80～100℃温度下强力搅拌反应2～4h，使所述粉末的表面疏水改性，除去溶剂，置入70～80℃烘箱中鼓风干燥4～6h，研磨后得无促凝剂二氧化硅定形复合相变材料，粉末粒径≤0.6mm。

2.权利要求1所述的复合相变降温沥青路面材料，所述粗集料和细集料均为玄武岩、石灰岩或花岗岩，所述的填料为石灰石矿粉，所述的沥青为道路石油沥青或SBS改性沥青，所述的纤维为木质素纤维、矿物纤维或聚合物化学纤维。

3.权利要求1所述的复合相变降温沥青路面材料，所述硅溶胶的质量浓度为15％～50％；有机固-液相变材料选自聚乙二醇、脂肪醇、脂肪酸、脂肪酸酯中的一种或多种；所述偶联剂为硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂。

4.一种权利要求1-3任一项所述的复合相变降温路面材料的制备方法，包括如下步骤：

1)按质量百分数为：粗集料50～80％，细集料10～30％，填料0～10％，无促凝剂二氧化硅定形复合相变材料2～10％，纤维0～0.5％，沥青4～7％，准备材料备用；

2)将所述粗集料、细集料、填料、无促凝剂二氧化硅定形复合相变材料、纤维于160～180℃烘箱中预热2～24h；

3)将烘热的粗集料、细集料、填料、无促凝剂二氧化硅定形复合相变材料和纤维在试验盆中进行手工搅拌分散后，倒入搅拌锅中搅拌均匀，拌和温度为140～175℃，添加热沥青拌和均匀，得混合料；

4)将上述混合料按试验规程要求压实成型试件，养护脱模后，得复合相变降温路面材料。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中将所述粗集料、细集料、填料、无促凝剂二氧化硅定形复合相变材料、纤维于160～180℃烘箱中预热4～6h。