0 引言
由于机场建设规模的增加以及未来养护任务的加重,具有减震、施工后能快速投入使用、易维修等优点的沥青路面已成为机场道面的首选形式
[1‑2]。机场道面作为飞机降落和滑行的重要载体,受飞机荷载冲击、发动机热气流等恶劣环境影响,其强度和耐久性至关重要
[3‑5]。机场道面与公路路面所受到的沥青病害类型没有显著差异,但是机场道面受外界影响所产生的松散物质——异物碎片(Foreign Object Debris,FOD)
[2],会威胁飞机、乘客和资产的安全
[6‑8],而热蚀是主要原因之一。目前机场沥青路面设计以承载性能为主要设计指标,较少考虑喷气烧蚀对机场路面造成的耐久性损伤,飞机发动机工作时的最高喷射温度接近700 ℃,最终传递到路面的温度达到175 ℃以上,而实际在夏季高温环境下,沥青路面的最高温度远低于此温度
[9‑10]。温度的升高不仅加快了沥青老化反应的速度,而且增加了老化反应的种类,例如,具有较低活化能的含氧基团形成反应可以在较低温度下发生,而具有较高活化能的共价键的均质裂解反应只能在高温下发生
[11‑12]。Sun等
[13]使用分子动力学模拟和密度泛函理论研究喷射烧蚀和燃料腐蚀下沥青‒集料界面的失效行为,研究发现在高温射流烧蚀作用下,沥青老化产生的极性含氧基团增加了分子间结合能,限制了沥青分子的流动性,降低了沥青路面的抗疲劳开裂性能。深入研究机场道面在高温环境下的老化机制,如何有效降低热蚀对机场道面使用性能的影响,增强机场道面耐久性及使用寿命,对于提高航空运输系统的安全和效率具有非常重要的意义。
相变储能技术可以通过降低沥青混合料的极端温度来延长路面的使用寿命,降低养护成本
[14]。相变材料是指在相变过程中伴随潜热的吸收或释放而改变其相态的材料,根据相变形式可分为固‒固相变材料、固‒液相变材料、固‒气相变材料、液‒气相变材料
[15],它们具有储存热量和控制温度的能力
[16‑19],相变材料在发生不同相之间转变时的临界温度为相变温度,相变材料的相变允许这种周期性发生的余热的积累,从而稳定(保持较低)考虑对象的温度
[20]。Yılmaz等
[21]研究了溶剂辅助浸渍法制备的脂肪酸基(癸酸)定形复合相变材料,在其中添加浮石作为支撑材料,并制备不同掺量改性沥青,试验结果表明研发的相变材料对沥青弹性性能、抗疲劳性能有一定改善;Dai等
[22]将硬脂酸(SA)/棕榈酸(PA)二元共晶相变材料直接掺入沥青中,并研究了与相变材料相互作用对流变特性的影响,结果表明其对冷却路面有良好的适用性,但是相变产生液化对沥青流变性能的影响需要更有效的方法解决;Betancourt‐Jimenez等
[23]考虑到相变材料在实际应用中可能存在的泄漏和低含量的问题,对相变材料进行微胶囊化,含有10%和20%PCM的样品比对照混合料表现出5~10 ℃的温度滞后,证实了其温度调节能力,但是对沥青混合料刚度有不良影响;Guo等
[24]对目前相变材料研究现状进行了综述,提出需要加强相变材料在使用过程中存在的损耗以及泄漏问题的探究。虽然相变材料可以带来调温性能提升,但对沥青的物理性能有不利影响;Sha等
[9]对聚氨酯进行两步聚合反应合成一系列具有优良的热稳定性和可靠性的聚脲,并通过室外试验验证了用于主动冷却沥青路面的可行性,结果表明比普通混合料温度低4.8 ℃;Zhang等
[25]发现膨胀石墨/聚乙二醇与SBS改性沥青具有良好的相容性,加入膨胀石墨/聚乙二醇后,导热系数及热扩散系数均有所提升,同时提高了沥青的高温抗车辙性能;Liu等
[26]开发了两种结构稳定且热效率高的煤矸石复合相变剂,试验表明适量的煤矸石复合相变剂可以明显改善沥青的流变性能、高温抗剪切性能等性能。
综上所述,机场道面抗热蚀性能已引起业界关注,但其影响机理及优化措施尚需深化。故本文将根据相变材料在道路调温方面的实际应用,在高掺量SBS改性沥青的基础上,将适量相变材料与高掺量SBS改性沥青复合,以获得具有良好的抗热蚀性能的复合改性沥青,延长机场道面的使用寿命。
1 试验方案
1.1 原材料
试验选用东海70
#基质沥青,主要技术指标如
表 1所示。
选用中国石化产YH‑791H线型SBS改性剂,SBS改性剂主要技术指标如
表 2所示。
根据前期文献汇总及市场调研,最终选择了PCM‑G‑98(A)、LB‑2(B)、TH‑HC‑120(C)3种相变材料,主要技术指标如
表3所示。
1.2 改性沥青制备
SBS改性沥青中SBS改性剂掺量一般为4%~6%
[28‑30],考虑到机场道面的实际需求,本研究选用6%掺量改性剂制备SBS改性沥青作为基体。
(1) SBS改性沥青制备
首先称取一定质量沥青,再称取相对沥青质量6%的SBS改性剂,将70#基质沥青置于140 ℃烘箱中加热1 h呈流动状后,将SBS改性剂少量多次添加于基质沥青,其间使用玻璃棒进行粗搅,添加完成后设置剪切速率为4 000 r/min,剪切温度为(160±5) ℃,剪切时间40 min,剪切完成后置于120 ℃烘箱中溶胀30 min,再在(180±5) ℃下以8 000 r/min速度剪切20 min,完成SBS改性沥青的制备。
(2) SBS/PCM复合改性沥青制备
采用熔融共混法制备改性沥青,在已制备好SBS改性沥青基础上,添加相对基质沥青质量5%、10%两种掺量的3种相变材料。将已经称量好的相变材料少量多次加入已经制备好的SBS改性沥青中,其间使用玻璃棒进行粗搅,使用剪切机以200 r/min低速搅拌15~20 min,试验温度维持为160~165 ℃,制得6组SBS/PCM复合改性沥青。
1.3 试验方法
1.3.1 室内热蚀模拟试验
在飞机加速起飞阶段机场道面温度一般为175 ℃
[13],本研究根据沥青短期老化试验方式、温度及时间,开展室内热蚀模拟试验。本文将由于飞机尾焰、发动机热气流等引起机场道面温度远高于正常路面温度的外界环境定义为热蚀环境,在热蚀环境下机场道面远高于正常路面温度的温度范围即为热蚀温度。飞机在机场道面上怠速、加速起飞等不同状态下存在的不同热蚀温度,考虑到短期老化试验后沥青性能发生显著变化,试验温度为163 ℃,故适当降低温度,确定热蚀温度范围下限温度为140 ℃;在试验初期上限温度为240 ℃,但是长时间加热会导致冒出浓烟甚至沥青燃烧,存在安全隐患,选择适当降低温度,最终确定本研究室内热蚀模拟试验温度为140~190 ℃。考虑到试验的可行性,在适当压缩加热时间的前提下选择上限温度作为试验温度,即确定室内模拟热蚀对机场道面影响的试验温度为190 ℃、加热时间为10 h。
本研究使用烘箱作为加热工具,准备内径(140±1) mm、壁厚0.7~1.0 mm、深9.5~10.0 mm,内面平滑的盛样皿,分别称量(50±0.5) g不同类型沥青试样,控制试验温度及加热时间,以此来模拟机场道面的热蚀过程。
1.3.2 TG‑DSC试验
采用德国Netzsch STA449F3型同步热重分析仪,试验气氛为氮气,升温速率5 ℃/min,升温至400 ℃。试验温度范围(25~400 ℃)是根据1.3.1确定的热蚀温度范围扩大后确定,更符合实际环境。
为定量评价材料失重特征,选用初始失重温度、终止失重温度和累积质量损失3个参数,其中初始失重温度为材料质量开始减少时的温度(℃);终止失重温度为后期材料质量稳定时的温度(℃);累积质量损失为试验温度范围内质量损失量(%)。为评价相变材料的储热性能,选用熔融焓为参数,熔融焓是物质熔融所需要的热量(kJ/mol);相变温度为物质从一个相态转变为另一个相态时的温度(℃)。熔融焓越大,材料储热性能越强。
1.3.3 储热‒放热试验
储热‒放热试验为本研究自拟试验,通过测试放置在一定温度条件下相变材料的温度变化情况,评价各相变材料的储/放热性能。试验选择沥青为SBS改性沥青,其软化点在80 ℃左右,同时,考虑到相变材料的稳定性,在SBS改性沥青制备温度的基础上适当降低试验温度,确定进行80 ℃和140 ℃两个温度下的调温性能。为直观评价材料储热/放热效果,选用储热速率和放热速率两个参数,储/放热速率是指材料吸收/放出热量的速率,从时间‒温度曲线上看,就是曲线斜率,吸热阶段斜率越大速率越快,放热阶段斜率越大速率越慢。平衡温度为材料持续吸/放热后温度稳定时的温度。
首先,称量相同质量的相变材料,将已经裁剪后的隔温棉盖上烧杯,以此减少外部环境的热交换影响;通过隔温棉中心裁剪处的空隙放入温度传感器,方便实时记录相变材料温度;将组装好装置放入已经预热至试验温度的烘箱中,开始试验,每10 s记录一次相变材料温度,直至温度稳定,达到平衡温度;将温度稳定后装置移入室温环境,每10 s记录一次相变材料温度,直至温度稳定,达到平衡温度,根据试验数据绘制时间‒温度曲线。
1.3.4 DSR试验
本研究采用MCR 302动态剪切流变仪对沥青试样进行温度扫描试验,测定试样在52~94 ℃的复数模量(G*)和相位角(δ),温度间隔6 ℃。试验选用平行板直径为25 mm,两板间隙为1 mm,试验采用应变控制,在12%的应变水平下,以10 rad/s的频率施加正弦振荡荷载。
采用MCR 302对沥青试样进行MSCR试验,根据美国公路和运输协会(AASHTO)
[31]的MPl9‑10分级标准,试验温度为64 ℃。试验选用平行板直径为25 mm,两板间隙为1 mm,分别采用两种蠕变应力水平(0.1 kPa、3.2 kPa)进行连续的“加载‒卸载”循环测试,采用蠕变恢复率(
R)和不可恢复蠕变柔量(
Jnr)来评价沥青试样的蠕变特性。
1.3.5 FTIR试验
本研究采用美国Thermo Scientific公司生产的Nicolet iZ10型傅里叶变换红外光谱仪(FTIR),设定仪器的分辨率为4 cm-1,波数范围为4 000~500 cm-1,并执行32次扫描。
2 相变材料性能分析
针对3种相变材料热稳定性、储热特性以及化学组成进行试验,分析相变机理以及相变效果。
2.1 储热-放热测试分析
对3种相变材料开展储热‒放热试验,结果如
图1所示。
从吸/放热速率看,涉及的两个试验温度中,A材料调温效果更好。在本研究拟定的试验环境下,各材料的温度会持续升高至烘箱设置的温度,考虑到实际操作以及烘箱的老旧,材料最终平衡温度至多略低于设定温度。
由
图1(a)可知:在80 ℃试验条件下,A、B材料展现出了相同的吸/放热速率,而C材料的吸热速率相对较慢,这一现象表明相较于A、B材料,其能更有效地延缓温度的上升,提供一定的调温效果,但C材料平衡温度比环境温度低5 ℃,这暗示了其可能已经遭受了损伤。由
图1(b)可知,在115 ℃的条件下,A材料吸热速率稳定,而B材料在这一温度点上却出现了吸热速率的减缓,这一变化表明,高温环境可能会影响B材料的吸热效率,这是因为其在这一温度区间内发生了相态转变,导致其吸热效率发生了变化;与80 ℃试验结果相同,C材料平衡温度仍低于烘箱设置温度,同样出现了损坏的情况,意味着其可能并不适用于热蚀温度更高的机场道面。
2.2 FTIR测试分析
3种相变材料的官能团组成有明显差异,C材料化学组成最复杂。如
图2所示:A材料主要特征峰在2 850 cm
-1及2 910 cm
-1处,均属于正构烷烃CH
2特征峰,区别在于对称伸缩振动及反对称伸缩振动;B材料特征峰为3 220 cm
-1处的宽峰,由氧氢键伸缩振动导致,氢键的存在导致其流动性更小,黏度更大;C材料FTIR图峰最多,表明其化学组成更加复杂,3 340 cm
-1处为醇酚氧氢键伸缩振动导致,有氢键;2 690 cm
-1处为羧酸氧氢键伸缩振动导致;1 420 cm
-1处=C-H为烯烃面内变形振动导致;548 cm
-1、692 cm
-1、854 cm
-1 3处特征峰表示C相变材料内可能存在C-Cl、C-Br、C-I共3种有机卤化物,更复杂的化学组成意味着可能影响更多方面的性能,在实际制备S-C类型复合改性沥青过程中存在沸腾现象。
2.3 TG-DSC测试分析
对3种相变材料开展TG‑DSC试验,结果如
图3、
图4所示,
表4为相变材料TG‑DSC试验数据。
(1) 随温度升高,相变材料均存在失重现象,且3种相变材料的失重曲线差异显著。本次试验温度范围内,A材料具有最高的初始失重温度、最小的累积质量损失和最大的热蚀质量稳定率(
表4),高达300 ℃的初始失重温度表明其在热蚀温度范围内仅发生相态的转变,仍能保持较好的完整性。B材料初始失重温度居中,但累积质量损失达到88%,也就是环境温度达到290 ℃时,B材料由于裂解或者挥发等缘故绝大部分材料已经消散,这势必造成材料性能的不可逆损伤。C材料初始失重温度仅为40 ℃,也就是在正常使用环境下材料就存在挥发等行为,可能并不适用于热蚀温度更高的机场道面;此外,C材料存在明显的两阶段失重行为,应是其存在由二元相变材料构成的缘故
[32]。
(2) 从熔融焓角度看,C材料的储热性能优于A、B材料。
图4展示了3种相变材料的DSC图,图中曲线上的峰值展示了相变材料发生相变的过程。3种相变材料的相变温度均低于热蚀下限温度,说明3种材料均发生了完全相变,充分吸收热量。在热蚀环境下,结合各材料初始失重温度可知,A材料仅发生相态的转变,未对材料造成损伤;B材料初始失重温度处于热蚀温度范围,在发生相态转变的同时,长时间高温作用会造成一定损伤,对材料的性能造成轻微影响;C材料相变温度高于其初始失重温度,也就是还未开始相变就出现质量损失。
由
表4可知:3种相变材料的熔融焓差距非常明显,其中A材料熔融焓最低,针对机场道面抗热蚀性能的有效性尚需后续试验验证;B材料熔融焓居中,C材料熔融焓最大,在相同温度环境下能够吸收更多的热量,储热性能更好。至于随温度升高出现的新峰,推测是残余物质发生相变导致,而并非相变材料本身的相变,这也是其峰面积较小的原因。
3 SBS/PCM复合改性沥青抗热蚀性能分析
在实际制备S‑C系列复合改性沥青时,由于试验温度较高,沥青溅出,存在安全风险,因此本研究选择剔除C相变材料。根据添加的试验材料以及掺量,将制备的复合改性沥青分别编号为S、S‑A‑5、S‑A‑10、S‑B‑5、S‑B‑10,从高温流变性能、抗变形能力以及复合后化学组成三方面分析相变材料对SBS改性沥青抗热蚀性能的影响。结果如
图5、
图6所示。文中统一采用下标a表示热蚀后沥青试样。
3.1 温度扫描测试分析
(1) 相变材料类型对SBS改性沥青黏弹特性改善效果存在明显差异。相位角
δ可用于表征沥青的黏弹成分占比,
δ值越大,说明沥青的黏性成分越多,弹性成分越少。由
图5可知:随着温度升高,沥青样品的
δ增大,这主要是因为沥青在中高温条件下会由黏弹态向黏流态转变。相同温度条件下,S‑A‑5改性沥青
δ值最小,说明适量A材料能促进其与SBS形成弹性网络,改善沥青抗变形能力;而S‑B类型改性沥青
δ值明显大于其他沥青试样,表明B材料的加入会提升沥青中的黏性成分,与FTIR测试结果相符。
(2) 不同相变材料对热蚀后SBS沥青黏弹性影响有显著差异。由
图5可知:S
a与S
a‑B系列改性沥青的
δ值较原样沥青试样均出现降低,这是因为热蚀后SBS改性剂和B材料均受热分解,改性效果减弱;而S
a‑A系列改性沥青的
δ值不降反增,说明A材料能够与SBS改性剂交联形成比较稳定的结构,能够有效降低热蚀的影响。
(3) 适量A相变材料能加强原样SBS沥青抗车辙性能。车辙因子
G*/sin
δ可用于表征沥青的高温抗剪切能力,该数值越大,表明沥青的抗车辙变形能力越好。由
图6可知:随着温度升高,沥青样品的
G*/sin
δ呈下降趋势,这是由于沥青在高温作用下由黏弹性体向黏性流体转变,抗剪切变形能力和抗车辙性能降低。A材料对沥青抗车辙性能的影响与掺量有较大关系,其本身具有较好的弹性,又与SBS改性剂形成交联结构,有助于约束沥青变形,从而改善SBS改性沥青抗车辙性能,但改善效果与掺量成反比,是因为材料未均匀分散,未形成稳定的结构;S‑B‑10与S的
G*/sin
δ相近,S‑B‑5甚至更低,表明S‑B类型改性沥青抗剪切能力较弱,即B材料对沥青的影响主要是改变其黏弹特性。
(4) 相变材料能改善热蚀后SBS改性沥青抗车辙性能,不同类型材料改善效果有显著差异。由
图6可知:所有热蚀后改性沥青试样车辙因子均大于S
a,是因为相变材料能吸收一定的热量,从而减少热蚀对沥青和SBS改性剂的影响;同时,沥青受热分解,芳香烃含量降低,胶质含量减小,沥青质含量增加,导致沥青高温稳定性增强,流变性减弱,共同提升热蚀后沥青试样车辙因子,抗车辙性能得以增强。原样沥青试样中,S‑A‑5抗车辙性能最好,但热蚀后S
a‑A‑10最优,这是因为热蚀环境导致相变材料发生了相变,高掺量A材料与沥青充分混溶,同时带走更多热量,显著提高高温抗变形能力;S
a‑B系列改性沥青的
G*/sin
δ与掺量成正比,虽然热蚀会对B材料和SBS改性剂造成分解,但也会促进更充分的混溶,形成一定的交联结构。
3.2 MSCR测试分析
(1) 不同相变类型和掺量对SBS改性沥青蠕变恢复能力及抗变形能力的影响存在明显差异。不可恢复蠕变柔量
Jnr反映沥青抵抗永久变形的能力,其值越小,沥青的抗变形能力越强
[33]。蠕变恢复率
R反映沥青变形恢复能力,其值越大,表明沥青变形恢复能力越强。不同应力水平下不同沥青类型的蠕变恢复率
R和不可恢复蠕变柔量
Jnr如
图7、
图8所示。
由
图7、
图8可知:0.1 kPa应力水平下,A材料的加入明显改善了SBS改性沥青的变形恢复能力以及抗变形能力,A材料能加强SBS改性剂形成弹性网络,提升弹性性能,与相位角测试结果相符;而B材料却劣化了这两项性能,这是因为B材料本身黏性成分较多,且与SBS改性剂相容性较差,影响了其改性效果,导致性能劣化。
(2) 适量A材料明显改善了热蚀后SBS改性沥青变形恢复能力及抗变形能力。相变材料的加入使得R均出现了不同程度的降低,尤其是3.2 kPa应力状态下,弹性恢复能力明显降低,说明热蚀会对相变材料和SBS造成了一定程度的分解,影响改性效果;对比不同类型沥青热蚀后的Jnr可知,仅有Sa‑A‑10的Jnr降低了50%,改善效果明显,随着A材料掺量的增加而降低,说明存在改善热蚀后抗变形能力的最佳掺量,具体掺量尚需试验验证。
3.3 FTIR测试分析
相变材料加入沥青中,仅发生物理共混。不同沥青试样原样与热蚀后FTIR测试结果如
图9所示。
由
图9可知:不同的沥青样品在2 915 cm
-1、2 848 cm
-1处均出现了强吸收峰带,该吸收峰主要是由-CH
2-伸缩振动形成。1 592 cm
-1处的吸收峰主要是芳环C═C伸缩振动,1 462 cm
-1处的吸收峰对应-CH
3的不对称变角,1 375 cm
-1的吸收峰对应-CH
3的对称变角。对比各相变材料的FTIR测试结果可知,A材料的特征峰与复合改性沥青的特征峰高度重合,无特殊峰;B材料存在特征峰未被检测的情况,可能是材料分散不均匀,沥青占比较高,导致B材料的特征峰较弱,不易被检测。不同沥青样品的红外特征峰基本无变化,与材料掺量及热蚀状态无关,说明相变材料的添加主要通过物理共混的方式改善沥青抗热蚀能力。
4 结论
本研究针对3种相变材料及其不同掺量下复合改性沥青的储热性能、流变性能与微观组成特性,开展了测试与横向对比分析,得出以下结论:
(1) 3种相变材料的相变温度均低于热蚀温度范围下限。说明在热蚀环境下均可完全相变。随着温度升高,材料出现质量损失;在热蚀温度范围内,A材料表现最佳,B材料次之,C材料失重温度较低,易发生分解,影响材料性能。
(2) A材料吸/放热速率较快,但熔融焓较低,其实际调温效果有待试验验证;高温下B材料的吸热速率降低;C材料熔融焓最高,理论调温效果最佳,但是分解温度较低,影响调温特性,不适合温度较高的机场道面。
(3) B相变材料对SBS改性沥青的抗车辙性能、弹性变形能力及永久抗变形能力均有一定程度的劣化。S‑A‑5原样沥青试样性能最佳,而热蚀后Sa‑A‑10的性能最优,说明其更适合机场道面,但其最佳掺量仍需进一步试验确定。
本研究优选了适用于机场道面的相变材料及掺量。后续研究可从以下两方面开展:① 采用响应面法确定最佳掺量,并提出抗热蚀评价指标;② 考虑到实际应用场景,后续将增加沥青混合料方面的研究。例如,根据最佳掺量确定抗热蚀评价指标,对比热蚀对沥青混合料路用性能的影响,与本研究结果进行互相验证。
国家重点研发计划项目(2021YFB2601000)
广西科技重大专项(2023AA14005)
广西重点研发计划项目(AB21220070)