SiO2复合相变材料制备及在半柔性路面中的应用研究论文电子版下载

SiO2SiO2复合相变材料制备及在半柔性路面中的应用研究论文复合相变材料制备及在半柔性路面中的应用研究论文 电子版下载电子版下载 DESIGN AND TESTi000 033X xx 01 0063 04定形PEG SiO2复合相变材料制备及在半柔性路面中的应用沙莎 三江学院土木工程学院 江苏南京210012 摘要为了缓解城市热岛效 应 通过试验制备定形PEG SiO复合相变材料并将其应用于半柔性 路面 研究相变材料对半柔性路面路用性能和调温性能的影响 结果表明 相变材料对半柔性沥青路面的低温抗裂性有改善作用 但会降低高温稳定性和水稳定性 当掺量较小时 相变材料对半柔 性路面的调温性能改善较弱 而掺量较大时 对调温性能的改善效 果显著 关键词半柔性路面 相变材料 路用性能 调温性能U414 1文献标 志码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引言随着中国城市 化进程的日益加快 城市热岛效应日趋明显 对大气环境 区域气 候和生态以及人体健康都造成了一定的不良影响口 而城市里大量铺筑的沥青路面进一步加剧了城市的热岛效应 3 43 半柔性路面是指以大空隙率 20 25 沥青混合料为基体 通过灌注一定比例的水泥砂浆 最终硬化形 成的一种高性能路面 与普通路面相比 半柔性路面不仅具有良好的路用性能 而且是一 种低吸热路面 能在一定程度上能降低路面温度 改善城市xx07 20热岛效应 7 但目前的半柔性路面技术对于降低路面温度 进而减缓城市热岛效 应的效果远低于预期 因此 开发新的半柔性路面降温技术具有十分重要的现实意义 由于相变材料在温度升高时将发生相变而吸收能量 且在相变后能 保持温度恒定 因此将其应用于半柔性路面降低路面和环境温度具 有广阔的前景 基于此 本文通过试验 得到相变温度符合半柔性路面服役温度范 围的相变材料 并研究其对沥青混合料路用和调温性能的影响 为 缓解城市热岛效应提供新的理论依据 63DESIGN AND TEST1试验材料准备2相变材料分析1 1原材料制备PEG Si02复合相 变材料所用的聚乙二醇 PEG 正硅酸乙酯 TEOS 无水乙醇 CH CH2 H 异辛烷 CH CHCH CH 氢氧化钠 Na H 和浓盐酸均为天津市津东天正精细化学试剂厂 生产 沥青选用AS70沥青 其主要技术指标如表1所示 粗细集料均选用玄 武岩碎石 其性质均符合相关要求 昆合级配组成和主要参数分别 如表 2 3所示 水泥采用普通硅酸盐水泥 水泥砂浆用细砂为普通河砂 减水剂为聚羧酸系减水剂 水泥砂浆的配合比如表4所示 其中相变材料的加入量以相变材料占水泥的质量百分数记 表1基质沥青的基本技术指标针人度 25 软化点 延度沥青旋转 薄膜试验项目1O0g 5s 5cm rni n1 闪点 加热试验后 0 1mlil5 cm质量损失 实测值65 8 55 O 1O02850 35技术标准60 0 8O O 46 0 loo 260 0士0 8表2沥青混合料合成级配通过下列筛孔 r am 的质量百分率 级配类型l9 013 24 752360 60 30 450 075通过率上限lO010O32 022 015 0l2 08 06 0通过率下限10 096 521 013 59 57 55 03 5合成级配1O090 010 O5 04 03 02 01 0表3沥青混合料的物理力学参数最佳空隙率 稳定 度 流值 视相对密度油石比 kN0 1miD 3 01 93520 29 524 65表4水泥浆配合比水泥水砂减水剂水胶比砂胶比1 000 450 2 50 30 450 251 2 G SiO复合相变材料的合成方法以TEOS为前 驱体 PEG为相变材料 乙醇为溶剂 盐酸为催化剂 利用溶胶凝胶 法制备复合相变材料 试验时先称取一定量的PEG加入适量的乙醇中 并加热使其溶融 然 后加入适量的TEOS并搅拌均匀 之后再加入盐酸并调节溶液的PH值 到1 最后将复合溶液在室温条件下搅拌5h 静置形成凝胶 最后在 80 条件下将凝胶干燥3d得到PEG SiO 复合相变材料 642 1PEG分子量和含量对胶凝时间的影响测定不同的PEG分子量 1500 2000 4000 6000和10000 和含量 30 40 5O 60 70 80和9O 的复合相变材料的胶凝时间 优选合适的PEG含量 结 果如图1所示 3U40506U70U UPEG含量 图1胶凝时间随PEG含量的变化从图1可以看出 随着PE G含量的增多 相变材料发生胶凝所需的时间逐渐增加 其中当PEG 含量小于70时 胶凝时间随PEG含量的变化幅度较小 当PEG含量超 过70时 随着PEG含量的增多 胶凝时间大幅延长 当PEG含量超过8 0时 除PEG1500 SiO外 其他复合相变材料均不能发生胶凝 其原因为 复合相变材料发生胶凝与TEOS发生水解反应生成的Si OH 的缩合作用有关口 当PEG含量小于70时 随着PEG含量的增加 TE s相对含量降低 生 成的Si OH 浓度降低 不利于缩合形成凝胶 因此胶凝时间逐渐增 加 同时 PEG分子链嵌入SiO的三维网络结构中 并形成互穿网络 结构 从一定程度上阻碍了缩合反应的发生 而此时Si OH 浓度对 凝胶的影响远大于PEG分子链对凝胶的影响 因此胶凝时间变化不大 而当PGE含量超过7O时 PGE分子链对Si OH 缩合反应的阻碍作用增 加 难以形成凝胶 因此胶凝时间大幅延长 当PEG含量超过80时 PGE分子链严重阻碍了Si OH 缩合反应的进行 相变材料已不能发生胶凝 因此 建议PEG最大含量不应超过80 2 2PEG分子量对相变焓和相变温度的影响将相变材料用于半柔性路 面中 要求相变材料具有足够的调温能力和合适的相变温度 其中相变材料的调温能力主要与其相变焓密切相关 相变焓越大表 明相变材料的调温能力越强l l 选择PEG DESIGNANDTEST含量为8O 测定不同PGE分子量复合相变材料的相变 焓和初始相变温度T 相变温度T 试验结果分别如图 2 3所示 0袋制p赠图2相变焓随PEG分子量的变化PEG分子量图3相变温 度随PEG分子量的变化从图2可以看出 不同PEG分子量的复合相变材 料的相变焓位于75 6 l16 3J g之间 随着PEG分子量的增大 相变焓逐渐增大 当PEG分子量大于4000时 相变焓趋于稳定 这是因为 当PEG分子量小于4000时 PEG分子链的节数较少 而端 点数较多 实际参与结晶的链节比例较低 且结晶体中存在较多的 缺陷 因此结晶度较低 此时增大PEG分子链 能增大参与结晶的PE G链节比例 使结晶度提高 因此相变焓逐渐增大 而当PEG分子量超过4000时 虽然较大的PEG链节比例能促进结晶的 发生 然而此时PEG长分子链之间容易发生相互缠结 阻碍形成完整 的结晶体 从一定程度上削弱了相变焓的进一步增长 因此相变焓 趋于稳定引 从图3可以看出 随着PEG分子量的增大 复合相变材料的初始相变 温度T 和相变温度T都逐渐增大 这主要是因为随着PEG分子量的增大 在形成的三维网路结构中 Si O 对PEG分子链的约束作用逐渐增大 对结晶的阻碍程度增加 因此相 变温度逐渐提高 1 对应到半柔性路面中相变材料的相变温度应在4O 5O 之间 因 此PEG的分子量不应大于6000 综合相变焓和相变温度考虑 选取PE G的最佳分子量为4000 3相变材料对沥青混合料路用性能的影响相变材料的加入会引起半柔 性路面混合料材料组成的改变 进而引起沥青混合料路用性能的变 化 相变材料虽然具有良好的调温能力 但必须在保证路用性能的 前提下才能将其应用于半柔性路面 通过试验测定不同相变材料掺量时混合料的动稳定度 弯拉强度 低温弯曲应变 残留稳定度和冻融劈裂强度比 研究相变材料掺量 对混合料路用性能的影响 结果如表5所示 表5相变材料掺量对半柔 l生路面混合料路用性能的影响相变高温 稳定性低温抗裂性水稳定性材料动稳定度 弯拉强度 低温弯曲残 留稳定冻融劈裂掺量 次 mm 1 MPa应变 度 强度tg O145199 358145093 295 6113565 8 615158091 493 42129358 432163590 191 13118568 1561 69689 490 241O1327 879175287 388 6585397 65818l985 9 86 3从表5可以看出 随着相变材料掺量的增多 沥青混合料的动 稳定度逐渐降低 高温稳定性逐渐变差 弯拉强度随着相变材料掺量的增多逐渐降低 而低温弯曲应变随相 变材料掺量的增多逐渐增大 低温弯曲应变表征了沥青混合料在低温下的变形协调能力 是沥青 混合料低温抗裂性的最主要评价指标 表明相变材料的加入能明显 改善半柔性路面沥青混合料的低温抗裂性 且掺量越大改善效果越 好 残留稳定度和冻融劈裂强度比都随相变材料掺量的增多呈现减小趋 势 表明相变材料掺量越多 沥青混合料水稳定性越差 在半柔性路面中 相变材料是替代砂浆中的部分水泥而掺入的 相 变材料掺量越多 水泥含量越小 混合料整体的强度和刚度越小 因此高温荷载作用时越容易发生变形 高温稳定性越差 水泥含量 的减少使水泥水化产物数量减少 对混合料空隙的填充作用减弱 因此混合料水稳定性降低 1 相变材料之所以能起到改善混合料低 温抗裂性的作用 是由于水泥砂浆为脆性材料 随着相变65隧跚国 豳l DESIGNANDTESTU3U6o9o J2U J U lU2lU240时I Uq min图4不同相变材料掺量时半柔性路面的升温曲 线从图4可以看出 60r ain之前 半柔性路面内部温度缓慢增长 60r ain之后随着时间的延长路面内部温度大幅升高 当时间相同时 相变材料掺量越多 路面内部温度越低 其中相变 材料掺量为0和1时的路面升温曲线极为接近 表明低掺量的相变材 料对半柔性路面的调温性能改善不显著 当相变材料掺量大于2时 相变材料的加入对路面调温性能的改善效 果显著 吸热60min和240min后 掺加5相变材料的路面相比未掺加 相变材料的路面 其温度分别降低14 2 和11 5 高温时 半柔性路面中的相变材料发生相变 由固相变为液相 吸 收并储存能量 发挥了潜热作用 起到了良好的降温效果 5结语 1 随着PEG掺量的增多 复合相变材料的胶凝时间逐渐延长 其中 当PEG掺量超过70时 胶凝时间急剧增大 直至掺量大于8O后 相变 材料已无法发生胶凝 因此PEG最大含量不应超过8O 2 随着PEG分子链的增大 复合相变材料的相变焓和相变温度逐渐 增大 材料微观表面裂缝逐渐减少 连续相逐渐增多 材料粒径逐 渐变小 当66PEG分子量大于4000时 相变焓趋于稳定 相变温度接 近甚至超过6O 综合考虑最佳PEG分子量为4000 3 随着相变材料掺量的增多 沥青混合料的高温稳定性和水稳定性 逐渐降低 而低温抗裂性得到改善 且掺量越多 改善效果越好 综合来看 即使相变材料掺量为5时 沥青混合料的各项路用性能指 标也均能满足要求 4 相变材料能从一定程度上改善半柔性路面的调温性能 当相变掺 量较小时 改善效果不明显 而当掺量大于2时 改善效果显著 掺加5的相变材料会使半柔性路面在吸热4h后的温度降低11 5 参考文献 1 寿亦萱 张大林 城市热岛效应的研究进展与展望EJ 气象学报 2O12 70 3 338 353 2 彭少麟 叶有华 城市热岛效应对城市规划的影响 J 中 山大学学报自然科学版 xx 46 5 59 63 3 张新 孔永健 关彦斌 等 沥青路面对城市大气受热的影 响分析EJ3 金陵科技学院学报 xx 22 2 l618 4 郭仪南 张宏超