SiO2SiO2復合相變材料制備及在半柔性路面中的應用研究論文復合相變材料制備及在半柔性路面中的應用研究論文 電子版下載電子版下載 DESIGN AND TESTi000 033X xx 01 0063 04定形PEG SiO2復合相變材料制備及在半柔性路面中的應用沙莎 三江學院土木工程學院 江蘇南京210012 摘要為了緩解城市熱島效 應 通過試驗制備定形PEG SiO復合相變材料并將其應用于半柔性 路面 研究相變材料對半柔性路面路用性能和調溫性能的影響 結果表明 相變材料對半柔性瀝青路面的低溫抗裂性有改善作用 但會降低高溫穩定性和水穩定性 當摻量較小時 相變材料對半柔 性路面的調溫性能改善較弱 而摻量較大時 對調溫性能的改善效 果顯著 關鍵詞半柔性路面 相變材料 路用性能 調溫性能U414 1文獻標 志碼B Studyon Preparationand Applicationof PEG SiO2Compound PhaseChange Materials forSemi flexible PavementSHA Sha School ofCivil Engineering SaNiang University Nanjing210012 Jiangsu China AbstractIn orderto alleviatethe urbanheat islandeffect the PEG SiO2pound phase change materials wereprepared byexperim entsand appliedto semi flexible pavement The effect of phase change materials on roadperformance andtemperature control performance of sem i flexible pavement wasstudied The resultsshow thatthe phasechange materials improvethe anti cracking performance ofsem i flexible asphaltpavement atlow tem perature while reducingthe hightemperature stabilityand waterstability And theeffectofphasechangematerialsontemperature controlperformanceofsemi flexible pavementis relatedto themixing amount Key wordssemi flexible pavement phasechangematerial pavement performance temperaturecontrolperformance0引言隨著中國城市 化進程的日益加快 城市熱島效應日趨明顯 對大氣環境 區域氣 候和生態以及人體健康都造成了一定的不良影響口 而城市里大量鋪筑的瀝青路面進一步加劇了城市的熱島效應 3 43 半柔性路面是指以大空隙率 20 25 瀝青混合料為基體 通過灌注一定比例的水泥砂漿 最終硬化形 成的一種高性能路面 與普通路面相比 半柔性路面不僅具有良好的路用性能 而且是一 種低吸熱路面 能在一定程度上能降低路面溫度 改善城市xx07 20熱島效應 7 但目前的半柔性路面技術對于降低路面溫度 進而減緩城市熱島效 應的效果遠低于預期 因此 開發新的半柔性路面降溫技術具有十分重要的現實意義 由于相變材料在溫度升高時將發生相變而吸收能量 且在相變后能 保持溫度恒定 因此將其應用于半柔性路面降低路面和環境溫度具 有廣闊的前景 基于此 本文通過試驗 得到相變溫度符合半柔性路面服役溫度范 圍的相變材料 并研究其對瀝青混合料路用和調溫性能的影響 為 緩解城市熱島效應提供新的理論依據 63DESIGN AND TEST1試驗材料準備2相變材料分析1 1原材料制備PEG Si02復合相 變材料所用的聚乙二醇 PEG 正硅酸乙酯 TEOS 無水乙醇 CH CH2 H 異辛烷 CH CHCH CH 氫氧化鈉 Na H 和濃鹽酸均為天津市津東天正精細化學試劑廠 生產 瀝青選用AS70瀝青 其主要技術指標如表1所示 粗細集料均選用玄 武巖碎石 其性質均符合相關要求 昆合級配組成和主要參數分別 如表 2 3所示 水泥采用普通硅酸鹽水泥 水泥砂漿用細砂為普通河砂 減水劑為聚羧酸系減水劑 水泥砂漿的配合比如表4所示 其中相變材料的加入量以相變材料占水泥的質量百分數記 表1基質瀝青的基本技術指標針人度 25 軟化點 延度瀝青旋轉 薄膜試驗項目1O0g 5s 5cm rni n1 閃點 加熱試驗后 0 1mlil5 cm質量損失 實測值65 8 55 O 1O02850 35技術標準60 0 8O O 46 0 loo 260 0士0 8表2瀝青混合料合成級配通過下列篩孔 r am 的質量百分率 級配類型l9 013 24 752360 60 30 450 075通過率上限lO010O32 022 015 0l2 08 06 0通過率下限10 096 521 013 59 57 55 03 5合成級配1O090 010 O5 04 03 02 01 0表3瀝青混合料的物理力學參數最佳空隙率 穩定 度 流值 視相對密度油石比 kN0 1miD 3 01 93520 29 524 65表4水泥漿配合比水泥水砂減水劑水膠比砂膠比1 000 450 2 50 30 450 251 2 G SiO復合相變材料的合成方法以TEOS為前 驅體 PEG為相變材料 乙醇為溶劑 鹽酸為催化劑 利用溶膠凝膠 法制備復合相變材料 試驗時先稱取一定量的PEG加入適量的乙醇中 并加熱使其溶融 然 后加入適量的TEOS并攪拌均勻 之后再加入鹽酸并調節溶液的PH值 到1 最后將復合溶液在室溫條件下攪拌5h 靜置形成凝膠 最后在 80 條件下將凝膠干燥3d得到PEG SiO 復合相變材料 642 1PEG分子量和含量對膠凝時間的影響測定不同的PEG分子量 1500 2000 4000 6000和10000 和含量 30 40 5O 60 70 80和9O 的復合相變材料的膠凝時間 優選合適的PEG含量 結 果如圖1所示 3U40506U70U UPEG含量 圖1膠凝時間隨PEG含量的變化從圖1可以看出 隨著PE G含量的增多 相變材料發生膠凝所需的時間逐漸增加 其中當PEG 含量小于70時 膠凝時間隨PEG含量的變化幅度較小 當PEG含量超 過70時 隨著PEG含量的增多 膠凝時間大幅延長 當PEG含量超過8 0時 除PEG1500 SiO外 其他復合相變材料均不能發生膠凝 其原因為 復合相變材料發生膠凝與TEOS發生水解反應生成的Si OH 的縮合作用有關口 當PEG含量小于70時 隨著PEG含量的增加 TE s相對含量降低 生 成的Si OH 濃度降低 不利于縮合形成凝膠 因此膠凝時間逐漸增 加 同時 PEG分子鏈嵌入SiO的三維網絡結構中 并形成互穿網絡 結構 從一定程度上阻礙了縮合反應的發生 而此時Si OH 濃度對 凝膠的影響遠大于PEG分子鏈對凝膠的影響 因此膠凝時間變化不大 而當PGE含量超過7O時 PGE分子鏈對Si OH 縮合反應的阻礙作用增 加 難以形成凝膠 因此膠凝時間大幅延長 當PEG含量超過80時 PGE分子鏈嚴重阻礙了Si OH 縮合反應的進行 相變材料已不能發生膠凝 因此 建議PEG最大含量不應超過80 2 2PEG分子量對相變焓和相變溫度的影響將相變材料用于半柔性路 面中 要求相變材料具有足夠的調溫能力和合適的相變溫度 其中相變材料的調溫能力主要與其相變焓密切相關 相變焓越大表 明相變材料的調溫能力越強l l 選擇PEG DESIGNANDTEST含量為8O 測定不同PGE分子量復合相變材料的相變 焓和初始相變溫度T 相變溫度T 試驗結果分別如圖 2 3所示 0袋制p贈圖2相變焓隨PEG分子量的變化PEG分子量圖3相變溫 度隨PEG分子量的變化從圖2可以看出 不同PEG分子量的復合相變材 料的相變焓位于75 6 l16 3J g之間 隨著PEG分子量的增大 相變焓逐漸增大 當PEG分子量大于4000時 相變焓趨于穩定 這是因為 當PEG分子量小于4000時 PEG分子鏈的節數較少 而端 點數較多 實際參與結晶的鏈節比例較低 且結晶體中存在較多的 缺陷 因此結晶度較低 此時增大PEG分子鏈 能增大參與結晶的PE G鏈節比例 使結晶度提高 因此相變焓逐漸增大 而當PEG分子量超過4000時 雖然較大的PEG鏈節比例能促進結晶的 發生 然而此時PEG長分子鏈之間容易發生相互纏結 阻礙形成完整 的結晶體 從一定程度上削弱了相變焓的進一步增長 因此相變焓 趨于穩定引 從圖3可以看出 隨著PEG分子量的增大 復合相變材料的初始相變 溫度T 和相變溫度T都逐漸增大 這主要是因為隨著PEG分子量的增大 在形成的三維網路結構中 Si O 對PEG分子鏈的約束作用逐漸增大 對結晶的阻礙程度增加 因此相 變溫度逐漸提高 1 對應到半柔性路面中相變材料的相變溫度應在4O 5O 之間 因 此PEG的分子量不應大于6000 綜合相變焓和相變溫度考慮 選取PE G的最佳分子量為4000 3相變材料對瀝青混合料路用性能的影響相變材料的加入會引起半柔 性路面混合料材料組成的改變 進而引起瀝青混合料路用性能的變 化 相變材料雖然具有良好的調溫能力 但必須在保證路用性能的 前提下才能將其應用于半柔性路面 通過試驗測定不同相變材料摻量時混合料的動穩定度 彎拉強度 低溫彎曲應變 殘留穩定度和凍融劈裂強度比 研究相變材料摻量 對混合料路用性能的影響 結果如表5所示 表5相變材料摻量對半柔 l生路面混合料路用性能的影響相變高溫 穩定性低溫抗裂性水穩定性材料動穩定度 彎拉強度 低溫彎曲殘 留穩定凍融劈裂摻量 次 mm 1 MPa應變 度 強度tg O145199 358145093 295 6113565 8 615158091 493 42129358 432163590 191 13118568 1561 69689 490 241O1327 879175287 388 6585397 65818l985 9 86 3從表5可以看出 隨著相變材料摻量的增多 瀝青混合料的動 穩定度逐漸降低 高溫穩定性逐漸變差 彎拉強度隨著相變材料摻量的增多逐漸降低 而低溫彎曲應變隨相 變材料摻量的增多逐漸增大 低溫彎曲應變表征了瀝青混合料在低溫下的變形協調能力 是瀝青 混合料低溫抗裂性的最主要評價指標 表明相變材料的加入能明顯 改善半柔性路面瀝青混合料的低溫抗裂性 且摻量越大改善效果越 好 殘留穩定度和凍融劈裂強度比都隨相變材料摻量的增多呈現減小趨 勢 表明相變材料摻量越多 瀝青混合料水穩定性越差 在半柔性路面中 相變材料是替代砂漿中的部分水泥而摻入的 相 變材料摻量越多 水泥含量越小 混合料整體的強度和剛度越小 因此高溫荷載作用時越容易發生變形 高溫穩定性越差 水泥含量 的減少使水泥水化產物數量減少 對混合料空隙的填充作用減弱 因此混合料水穩定性降低 1 相變材料之所以能起到改善混合料低 溫抗裂性的作用 是由于水泥砂漿為脆性材料 隨著相變65隧跚國 豳l DESIGNANDTESTU3U6o9o J2U J U lU2lU240時I Uq min圖4不同相變材料摻量時半柔性路面的升溫曲 線從圖4可以看出 60r ain之前 半柔性路面內部溫度緩慢增長 60r ain之后隨著時間的延長路面內部溫度大幅升高 當時間相同時 相變材料摻量越多 路面內部溫度越低 其中相變 材料摻量為0和1時的路面升溫曲線極為接近 表明低摻量的相變材 料對半柔性路面的調溫性能改善不顯著 當相變材料摻量大于2時 相變材料的加入對路面調溫性能的改善效 果顯著 吸熱60min和240min后 摻加5相變材料的路面相比未摻加 相變材料的路面 其溫度分別降低14 2 和11 5 高溫時 半柔性路面中的相變材料發生相變 由固相變為液相 吸 收并儲存能量 發揮了潛熱作用 起到了良好的降溫效果 5結語 1 隨著PEG摻量的增多 復合相變材料的膠凝時間逐漸延長 其中 當PEG摻量超過70時 膠凝時間急劇增大 直至摻量大于8O后 相變 材料已無法發生膠凝 因此PEG最大含量不應超過8O 2 隨著PEG分子鏈的增大 復合相變材料的相變焓和相變溫度逐漸 增大 材料微觀表面裂縫逐漸減少 連續相逐漸增多 材料粒徑逐 漸變小 當66PEG分子量大于4000時 相變焓趨于穩定 相變溫度接 近甚至超過6O 綜合考慮最佳PEG分子量為4000 3 隨著相變材料摻量的增多 瀝青混合料的高溫穩定性和水穩定性 逐漸降低 而低溫抗裂性得到改善 且摻量越多 改善效果越好 綜合來看 即使相變材料摻量為5時 瀝青混合料的各項路用性能指 標也均能滿足要求 4 相變材料能從一定程度上改善半柔性路面的調溫性能 當相變摻 量較小時 改善效果不明顯 而當摻量大于2時 改善效果顯著 摻加5的相變材料會使半柔性路面在吸熱4h后的溫度降低11 5 參考文獻 1 壽亦萱 張大林 城市熱島效應的研究進展與展望EJ 氣象學報 2O12 70 3 338 353 2 彭少麟 葉有華 城市熱島效應對城市規劃的影響 J 中 山大學學報自然科學版 xx 46 5 59 63 3 張新 孔永健 關彥斌 等 瀝青路面對城市大氣受熱的影 響分析EJ3 金陵科技學院學報 xx 22 2 l618 4 郭儀南 張宏超