基于相变材料的沥青路面应用综述

作者与期刊信息 本文由Xiaoqing Wang、Biao Ma、Siqi Li、Wei Si、Kun Wei、Hongfei Zhang、Xueyan Zhou、Yunfeng Fang、Xingxiang Kang及Wenshuo Shi共同撰写。其中，主要作者来自长安大学交通部特殊地区公路工程重点实验室，其他合作者分别来自西安邮电大学现代邮政学院、东南大学交通学院以及东台市公路发展中心。该综述论文于2023年4月5日在线发表于 Journal of Traffic and Transportation Engineering (English Edition) 期刊第10卷第2期。

论文主题 本文是一篇系统性的综述文章，旨在全面回顾和总结相变材料在沥青路面领域应用的研究进展，识别当前阻碍该技术发展的关键限制因素，并对未来的研究方向提出展望。

主要论点阐述

第一，系统总结了适用于沥青路面的PCMs类型、性能及其复合化策略。 论文指出，虽然可用于沥青路面的相变材料种类繁多，但未经封装的固-液相变材料在直接使用时，存在易挥发、泄漏及损害沥青和混合料性能的问题，这是限制该技术应用的核心挑战之一。文章详细梳理了三大类PCMs：有机类（如石蜡、脂肪酸、聚乙二醇）、无机类（如水合盐、熔盐、合金）以及复合相变材料。其中，重点评述了复合相变材料的制备方法，包括溶胶-凝胶法、多孔基质吸附法、微胶囊法、共聚合法和二次封装法。通过对比分析，论文指出，各种复合方法在提升PCMs热稳定性、防止泄漏和增强机械性能方面各有优劣。例如，微胶囊法和溶胶-凝胶法制备的材料机械性能可能较弱；简单物理吸附法不能完全解决高温泄漏问题；而与热固性聚合物（如环氧树脂、聚氨酯）复合或采用二次封装策略，可以显著增强PCMs的热稳定性和力学性能，但往往以牺牲部分相变焓为代价。作者强调，选择何种复合策略，需要在PCMs的热稳定性、机械性能和储热密度之间寻找平衡点，这为研究人员设计和制备适用于严苛路面环境的PCMs提供了清晰的思路和技术路径。

第二，深入分析了CPCMs对沥青及沥青混合料路用性能的影响，并指出现有评价方法的局限性。 论文通过汇总大量文献数据指出，直接将未封装的纯PCMs掺入沥青会严重劣化其高温和低温性能。相比之下，复合相变材料对沥青性能的影响则较为复杂，其作用机理更接近于物理掺杂。传统评价方法，如针入度、软化点和延度试验，以及动态剪切流变仪和弯曲梁流变仪的恒温测试，虽然能反映PCMs作为物理填料对沥青性能的物理性影响，但未能捕捉其在相变过程中通过吸/放热对沥青性能产生的动态调节效应。例如，有研究表明，在动态剪切流变仪的温度扫描测试中，可以观察到在PCMs的相变温度区间内，改性沥青的动态模量和相位角会发生显著变化，这表明PCMs潜热的释放延缓了沥青在降温过程中的硬化速率。因此，论文强调，为了准确评估PCMs对沥青性能的整体影响，除了常规的恒温性能指标外，必须发展和应用变温测试方法，并将相变温度区间纳入测试范围，以分析和评价PCMs在改善沥青路面高低温性能方面的真实作用。

第三，全面评估了相变沥青混合料的制备、路用性能和热物理性质。 在制备方面，PCMs主要通过干法（直接替换部分集料）或湿法（先制备改性沥青）掺入混合料。论文指出，目前研究多以干法为主，并以等体积替换原则进行级配设计。在路用性能方面，通过分析动态稳定度、弯拉强度与应变、残留稳定度、冻融劈裂强度比等指标的变化，论文指出在不考虑相变温控作用的情况下，PCMs的掺入通常会对混合料的高低温性能和水稳定性产生不同程度的负面影响，其影响程度与PCMs的类型和掺量密切相关。例如，某些硅基吸附型或脂肪酸/硅藻土类CPCMs会降低混合料的高温稳定性；而聚氨酯类或NiTi合金类PCMs则可能对高温抗车辙能力有提升或影响甚微。作者认为，传统的恒温性能试验无法准确表征PCMs通过储放热功能对混合料性能的改善。因此，需要发展等效温度车辙试验、考虑相变过程的低温弯曲应变能密度评价等方法。在热物理性质方面，论文总结了导热系数和比热容的测试方法。通常，有机PCMs的掺入会降低混合料的导热系数，而无机合金类PCMs则会提高导热系数。比热容的测试则更为复杂，差示扫描量热法精度高但受限于样品均质性和测试条件，而基于热平衡原理的热交换系统法则能反映PCMs在真实热环境下的动态响应，但精度控制较难。论文特别提出，由于PCMs在相变过程中存在潜热，其测试结果应被称为“表观比热容”更为准确。这些热物理参数是分析PCMs温控机理和进行数值模拟的关键输入。

第四，重点探讨了相变沥青混合料温控性能的表征方法、评价指标及数值模拟手段。 这是本文的核心贡献之一。论文指出，PCMs通过潜热储存与释放来调节路面温度，主要表现为降低温度变化速率、延迟或避免极端温度的出现。为了量化这一性能，论文介绍了两个关键评价指标：潜热累积温度值和潜热温控指数。这两个指标能够很好地表征PCMs的温度控制能力和效率。在测试方法上，可分为室内模拟环境测试和室外实地测试。论文强调，开发合理的测试方法来分析和评价PCMs的长期温控效能至关重要。在数值模拟方面，论文综述了用于分析相变沥青路面温度场的各种数值模型和方法，如基于等效热参数的整体模型、考虑PCMs相变过程的多物理场耦合模型等。这些模型能够模拟在不同气候和交通荷载条件下，PCMs对路面温度场的时空分布影响，是理解和优化PCMs路面设计的有力工具。然而，目前针对相变沥青混合料有效导热系数等细观参数的模拟研究尚属空白，论文借鉴了相变混凝土领域的三步均质化建模方法，为后续研究提供了重要参考。

第五，识别了当前技术发展的关键瓶颈并展望了未来研究方向。 论文在总结现有研究的基础上，明确指出了制约相变材料在沥青路面中大规模应用的三个主要技术障碍：1. PCMs与沥青路面体系的适配性问题，包括材料相容性、长期耐久性和体积稳定性；2. 相变温控性能的定量表征方法尚不完善；3. 相变储能对改善路面使用性能的效果缺乏系统评估。针对这些问题，作者提出了未来的潜在研究方向，包括：开发与沥青相容性好、热稳定性高、机械性能强的新型复合PCMs；建立和完善能够真实反映PCMs相变过程的沥青及混合料性能测试与评价体系；发展更为精确和高效的相变沥青路面多尺度数值模拟方法；开展长期的路面性能监测与验证，以评估其实际工程效益和全生命周期成本。

论文的意义与价值 本文的发表具有重要的学术价值和工程指导意义。学术上，它首次系统性地从材料体系、性能评价、机理表征到数值模拟等多个维度，对相变材料在沥青路面中的应用研究进行了深度梳理和批判性回顾，填补了以往综述在PCMs物性参数详细统计、不同类型PCMs性能差异对比、温控测试方法比较以及数值模拟方法调研等方面的不足。文中提出的“潜热累积温度值”和“潜热温控指数”为量化评价PCMs温控效能提供了新思路。工程实践上，该综述为道路工程研究人员和从业人员提供了一个全面的“技术路线图”，有助于他们选择合适的相变材料、设计高性能的复合PCMs、选用恰当的测试与模拟方法来揭示其温控机理，并为相变路面的结构设计与选型提供参考。最终，推动相变储能技术在解决沥青路面温度病害、提升道路耐久性、实现智能绿色交通系统方面的实际应用。