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原文传递复合相变储热沥青路面材料研制及降温机理

论文题名：	复合相变储热沥青路面材料研制及降温机理
关键词：	沥青路面;降温效果;相变储热材料;聚乙二醇;复合定形相变材料
摘要：	沥青路面在高温气候条件下易产生车辙、推移等热稳性病害，同时高温沥青路面释放的有机挥发物和大量热量，既污染环境又加剧了城市热岛效应。本文依托国家自然科学基金项目(51178491)，基于相变储热理论，研制出一种适用于沥青路面的复合定形相变材料，将其替代细集料应用于热拌沥青混合料中，形成具有相变储热功能的沥青路面材料，在高温季节，主动降低沥青路面温度。　　首先，结合相变储热材料选择依据和沥青路面工程用材料技术要求，分析了沥青路面用相变储热材料应具备的技术性能;对常低温固-液相变储热材料的结构与性能进行表征，优选出相变温度适宜、相变潜热高，热稳定性和相变循环稳定性好、结晶性能和化学稳定性强的聚乙二醇(PEG)作为相变储热材料。采用步冷曲线法和DSC（差示扫描量热仪）测试PEG二元相变体系的相变行为，其相变温度分布在一定温度区间内，并具有可调性，可以适应对温度有不同需求的实际应用。将PEG直接掺加到沥青及沥青混合料中，探讨了PEG对沥青及其混合料技术性能的影响。PEG的掺入可降低沥青及沥青混合料的温度敏感性，当PEG2000掺量为20％的直掺相变沥青可降温10℃左右，混合料中PEG2000有效掺量为0.6％、0.8％时，可分别实现1.3℃、1.4℃降温幅度。此外，PEG2000与沥青的作用仅为物理作用，但PEG2000掺量直接影响直掺相变沥青、直掺沥青混合料技术性能，使PEG2000的掺量受限，从而也制约了降温的幅度。　　其次，采用反离子（氯化钙）促凝法和温度促凝法制备PEG/SiO2复合定形相变材料，对比分析两种促凝方法对复合定形相变材料储热性能的影响，结果表明，反离子（氯化钙）促凝法中由于Ca2+与聚乙二醇通过化学键形成配位化合物，使部分聚乙二醇分子链段丧失相变储热功能，相变潜热损失大，故采用温度促凝法制备复合定形相变材料;并运用DSC、XRD（X射线衍射）、FT-IR（红外光谱）、TG（热重分析）、POM（偏光显微镜）及SEM（扫描电子显微镜）等分析手段，对复合定形相变材料的储热性能、储/放热效率、热物性、热稳定性、相变循环稳定性、结晶性能和相变行为、表面形貌进行测试与表征，分析PEG不同分子量与不同质量分数对复合定形相变材料性能的影响。温度促凝法制备的不同分子量PEG/SiO2复合定形相变材料相变开始温度为39.5℃～49.4℃，熔融焓、结晶焓分别为98.1J/g～108.1J/g，95.2J/g～108.9J/g，随着分子量的增大，相变起始温度升高，相变潜热先增后平缓;30％～80％PEG/SiO2复合定形相变材料相变起始温度为37.0℃～39.8℃，熔融焓、结晶焓为27.0J/g～118.3J/g，27.2J/g～118.2J/g，随着PEG2000质量分数的增加，相变起始温度升高，相变潜热增大;复合定形相变材料具有良好的热稳定性和相变循环稳定性，储/放热效率高，30％～70％PEG/SiO2复合定形相变材料定形效果好，形成了以PEG为核，SiO2凝胶为载体骨架的复合结构。　　然后，将PEG/SiO2复合定形相变材料研磨成粒径小于0.6mm的相变颗粒加入到沥青中，讨论了相变颗粒对沥青的基本性能、动态流变性能、降温性能的影响，结果表明，相变颗粒作用机制类似于无机粒子，相变颗粒的掺入提高了沥青胶浆的高温性能;有效降低了沥青试样的温度，相变颗粒掺量为5％～20％时，最大降温幅度达3.6℃～7.9℃。沥青定形相变材料具有良好的储热性能与热稳定性，PEG/SiO2相变颗粒与沥青仅为物理吸附作用，化学兼容性和结晶性能良好。　　最后，将相变颗粒以等体积替代法替代部分细集料应用于热拌沥青混合料中，采用室外室内两种降温测试方法评价其降温性能，复合相变储热沥青混合料降温幅度与相变颗粒掺量相关，当相变颗粒替代量为5％时，相变储热沥青混合料最大降温幅度达5℃以上，级配类型影响不大;室内加速热循环试验表明，复合相变储热沥青混合料相变循环稳定性良好;通过不同聚乙二醇分子量的复合定形相变颗粒共混，还可获得不同温度区间的错位相变储热，削弱峰温。相变颗粒替代量对混合料路用性能有一定的影响，随着替代量的增加，在等效温度下，动稳定度提高，其变化率为2.9％～35.6％，骨架密实型级配动稳定度高于悬浮密实型级配;相变储热沥青混合料低温抗裂性、水稳定性良好，并基于相变传热理论，分析相变降温机理。　　论文针对沥青路面工程技术要求，自主研制适用于沥青路面的复合定形相变材料，并将其应用于热拌沥青混合料中，不仅实现了路面新材料的自主创新，还拓展了相变储热材料的应用领域，为相变储热沥青路面材料的应用提供理论依据和技术支持。
作者：	何丽红
专业：	交通运输工程；道路与铁道工程
导师：	唐伯明
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文