本文将介绍由Iman Asadi、Stefan Jacobsen、Mohammad Hajmohammadian Baghban、Mehdi Maghfouri和Mohammad Hashemi五位作者撰写，于2023年12月9日在期刊《Buildings》上发表的一篇综述性文章。文章标题为“Reviewing the Potential of Phase Change Materials in Concrete Pavements for Anti-Freezing Capabilities and Urban Heat Island Mitigation”。该文旨在系统性地回顾和评估相变材料（Phase Change Materials, PCMs）在混凝土路面中应用的潜力，特别是在增强路面抗冻融能力和缓解城市热岛效应两个核心领域。

文章主要内容与观点

1. 研究背景与动机：混凝土路面面临的挑战与PCM的机遇 作者开篇即强调了混凝土路面在现代城市基础设施中的核心地位及其覆盖率之高。然而，路面在使用过程中面临两大关键环境挑战。其一，在寒冷季节，冻融循环会导致混凝土内部产生液压压力、表面剥落等问题，严重损害路面寿命，传统的除冰方法如撒盐和铲雪存在成本高昂、环境污染等弊端。其二，在炎热季节，由大量硬质铺装表面吸收并存储的太阳辐射热量是导致城市热岛效应的主要因素之一，这增加了城市能耗并影响居民健康与舒适度。 基于此背景，作为一种创新的热能存储技术，相变材料因其能够在特定温度范围内发生相变并伴随大量潜热的吸收或释放而备受关注。作者指出，相较于沥青路面，PCM在混凝土路面中的应用研究相对较少，因此有必要对现有知识进行系统梳理，以明确PCM在提升混凝土路面热性能（抗冻与降温）方面的潜力、方法、效果以及存在的挑战。

2. PCM的类型、物性参数及其选择原则 文章详细阐述了应用于混凝土路面的PCM主要类型，包括有机类（如石蜡及其衍生物）、无机类（如水合盐、金属）和共晶混合物。作者通过图表展示了不同PCM的熔化温度与熔融潜热范围，并明确指出，PCM的选择必须与目标应用场景的气候条件严格匹配。具体而言：

   • 用于抗冻/融冰目的：需选用相变温度略高于冰点（通常在-0.5°C至5.7°C之间）的PCM，利用其在降温时释放的潜热来防止路面结冰或融化冰雪。文献中报道的此类应用的PCM潜热值在122至240.5 J/g之间。
   • 用于降低表面温度以缓解热岛效应：则需选用相变温度较高（通常在28°C至51°C之间）的PCM，通过吸收白天太阳辐射的热量（发生固-液相变）来抑制路面温度的过度升高，并在夜间温度下降时释放储存的热量（发生液-固相变），从而降低路面峰值温度并延缓温升过程。 这一部分的核心观点是，PCM的热力学性质（尤其是相变温度和潜热）是其应用有效性的决定性因素，必须因地制宜进行选择。

3. PCM掺入混凝土路面的方法与利弊分析 作者系统总结了将PCM引入混凝土基体的几种主要方法，并详细分析了各自的优缺点，这是本文的一个重点。

   • 浸渍法：将多孔的轻骨料（Lightweight Aggregates, LWA）在真空或常压下浸渍液态PCM，然后作为骨料掺入混凝土。该方法成本相对较低，但最大的缺点是PCM在反复相变循环中可能从骨料孔隙中泄漏，不仅降低热性能，还可能泄漏的PCM与水泥水化产物发生化学反应，导致膨胀和开裂，损害混凝土耐久性。
   • 微胶囊封装法：将PCM包裹在聚合物外壳中形成微米级胶囊，然后掺入混凝土。此方法能有效防止PCM泄漏和与基体的直接接触，且因比表面积大而有利于热交换。然而，微胶囊的聚合物外壳可能存在耐久性（尤其在紫外线、温变和机械荷载下）、热稳定性和化学稳定性问题，且其制备成本较高。此外，微胶囊本身强度低，会成为混凝土中的薄弱点。
   • 管道法：在混凝土路面层内预埋管道，管道内填充液态PCM。此方法几乎完全避免了PCM泄漏和对混凝土基体的不利影响。但其缺点也非常明显：施工复杂、成本高昂，且在极寒地区（如挪威），当气温长期低于PCM相变温度时，管道内PCM可能长期处于固态，其蓄热释热功能将无法有效启动，实用性存疑。 作者通过表格整理了大量文献中采用不同方法、不同PCM的具体物理参数和应用目标，为读者提供了清晰的对比视角。

4. PCM对混凝土力学性能的影响 文章明确指出，无论采用何种掺入方法，PCM的加入通常会对混凝土路面的力学性能（主要是抗压强度和抗弯强度）产生负面影响，这是PCM应用面临的主要挑战之一。

   • 影响机理：对于浸渍法和直接掺入法，PCM或其载体（如LWA）会置换部分水泥浆体或骨料，干扰水泥水化过程，影响水化硅酸钙凝胶的形成，并可能在骨料与浆体的界面过渡区（Interfacial Transition Zone, ITZ）造成缺陷，从而降低强度。微胶囊法则因在基体中引入大量低强度、高孔隙率的胶囊颗粒而成为结构薄弱环节。
   • 影响程度：作者通过总结文献数据指出，掺入PCM可导致混凝土抗压强度降低高达46%。具体来看，使用LWA浸渍PCM通常比直接掺入或微胶囊法对强度的负面影响小。有研究表明，通过对浸渍PCM的LWA进行水泥包覆处理，可以在一定程度上防止泄漏并改善ITZ。
   • 工程可行性：尽管如此，文章也引用了一些研究，表明通过控制PCM的掺量（例如，以水泥质量计，液态PCM掺量不超过6%，固态不超过8%），可以使混凝土仍能满足特定路面标准（如印度规范IRC 58:2015要求的28天抗压强度>40 MPa）的强度要求。这为PCM混凝土路面的实际应用提供了可能的技术窗口。

5. PCM在抗冻融路面中的应用潜力与局限性 回顾相关研究发现，掺入相变温度适宜的PCM能够有效减少混凝土路面经历冻融循环的次数，并能在降温过程中释放潜热，延缓或防止路面温度降至冰点以下，从而起到抗冻和融冰的作用。 然而，作者强调了一个关键局限性：现有研究报道的有效PCM相变温度范围（-0.5°C至5.7°C）对于冬季温和、降雪间歇性强的地区可能是有效的。但对于像北欧国家这样冬季气温长期显著低于冰点（例如连续数月低于-5°C）的严寒地区，PCM的有效性存疑。因为当环境温度长期低于PCM的相变温度时，PCM将始终处于固态，无法通过相变循环来持续提供热量。作者在附录中通过数值模拟，以特隆赫姆、北京、赞詹、柏林和纽约五个城市为例，分析了不同PCM掺量和相变温度对路面表面温度的影响。模拟结果直观地表明，在柏林和纽约这类冬季气温常在冰点附近波动的地区，PCM效果较好；而在特隆赫姆这种严寒地区，即使掺入20%的PCM，也难以将路面温度维持在冰点以上。这部分内容深刻地指出，PCM的应用必须基于对当地气候条件的深入分析，不可一概而论。

6. PCM在缓解城市热岛效应中的应用潜力 文章指出，降低路面表面温度是缓解热岛效应的关键策略之一。PCM通过其高潜热特性，可以增加路面的热容，从而起到“热缓冲”的作用。

   • 作用效果：大量研究表明，掺入PCM的混凝土路面，其表面峰值温度显著降低，达到峰值温度的时间也明显延后。例如，有文献报道，掺入1%、3%、5%的PCM可使砂浆的峰值温度分别降低9%、12%、15%，达到峰值的时间则分别延长15%、18%、22%。另一项研究预测，用PCM替代5%的水泥或骨料，可使混凝土路面峰值温度降低6-10°C。
   • 作用策略：作者引用了一项有趣的研究，该研究表明将PCM仅掺入路面表层（而非整个路面结构）是一种更有效的降温策略。这样可以集中提高最直接吸收太阳辐射的表层材料的热惯性，以更低的PCM用量实现显著的表面降温效果。 除了使用PCM，文章也提及结合高反射率涂层（如使用二氧化钛、浅色材料）是增强降温效果的协同策略。

7. PCM与混凝土基体的化学相容性问题 文章简要探讨了化学相容性的问题。大多数有机PCM化学性质稳定，与建筑材料相容性好。然而，无论是通过浸渍法泄漏的PCM，还是微胶囊外壳（如三聚氰胺甲醛树脂）在混凝土碱性环境中，都可能发生化学反应。例如，有研究发现硫酸根离子会与微胶囊外壳反应，导致胶囊破裂、PCM芯材释放并与孔溶液反应，最终使PCM的潜热值下降高达25%。这强调了确保PCM长期化学稳定性的重要性。

8. 未来研究方向与建议 在总结部分，作者基于现有研究的不足，提出了未来需要重点关注的几个方向：

   • 热导率研究：需深入研究PCM混凝土路面的热导率，及其在不同气候条件下对表面温度波动和热量传递速率的影响。
   • PCM材料改进：需要开发防止泄漏的新型封装技术；评估PCM在交通荷载疲劳作用下的长期稳定性；研究PCM凝固时释放的潜热对夜间路面温度的影响，以避免在温暖的夜晚加剧热岛效应。
   • 综合性能与环境影响评估：需要开展更多研究来量化PCM路面在实际城市尺度上对降低环境温度和建筑能耗的影响；必须进行全生命周期评估，以全面衡量PCM混凝土路面在不同地区的环境效益和成本效益。
   • 创新应用形式：探索除石蜡外的其他类型PCM；研究多层路面结构（例如仅表层掺PCM）的配置；进行更全面的环境与能效评估。

文章的意义与价值

这篇综述文章具有重要的学术价值和实践指导意义。首先，它系统性地整合了分散在大量文献中关于PCM在混凝土路面中应用的研究成果，为相关领域的研究者提供了一个清晰、全面的知识图谱。其次，文章不仅总结了PCM带来的潜在好处（抗冻、降温），更客观、深入地分析了其伴随的挑战（强度损失、泄漏问题、化学相容性、严寒地区适用性限制等），避免了片面乐观。最后，文章提出的未来研究方向具有前瞻性和针对性，为后续科研工作指明了重点。该文对于推动相变材料在可持续、智能路面工程中的理性发展和实际应用具有重要的参考价值。