本研究由吉林建筑大学市政与环境工程学院的赵嵩颖教授与张鹏共同完成，相关论文《相变路面抑制降温效果研究》发表于《吉林建筑大学学报》2024年4月第41卷第2期。该研究聚焦于土木工程材料与道路工程交叉领域，具体针对相变材料在路面控温除冰中的应用。我国北方冬季路面结冰问题严重，影响交通安全与经济发展。传统的融雪除冰方法存在能耗高、环境污染或效率低下等局限。因此，探索一种能够主动调节路面温度、延缓或抑制结冰的新型路面材料具有重要的现实意义。相变材料（Phase Change Material， PCM）能够在特定温度下发生相态转变（如从液态变为固态），并在此过程中吸收或释放大量潜热，从而在环境温度变化时起到缓冲和调温作用。基于此背景，本研究旨在探究将复合相变材料（Composite Phase Change Materials， PCMS）掺入混凝土路面中，制备相变储能路面，并通过数值模拟方法，系统研究不同PCMS掺量对路面抑制降温效果的影响规律，以期找到最优掺量，为相变储能路面的实际应用提供理论依据和数据支持。

本研究的工作流程清晰，主要包含材料制备与参数确定、数学模型建立、有限元模型构建及数值模拟分析四个核心步骤。首先，在材料制备阶段，研究团队以聚乙二醇300（PEG300）和聚乙二醇400（PEG400）为相变主体，采用溶液共混法制备了一种相变温度略高于0℃的二元PEG相变材料。随后，选用多孔层状的膨胀石墨作为封装载体，通过吸附法制备了PEG/膨胀石墨复合相变材料（PCMS）。利用差示扫描量热仪（DSC）和热重分析仪对材料的热性能进行了关键参数测定，测得封装后PCMS的相变温度为2.81℃，相变焓为89.38 J/g。这些参数是后续数值模拟的物理基础。研究设定了三种PCMS掺量水平（4%、8%、12%的质量比）以及一个空白对照组（0%掺量的普通水泥混凝土路面），用于对比分析。

其次，在理论建模层面，研究建立了描述路面内部传热过程的控制方程。将外界低温环境视为面热源，路面内部的导热过程遵循经典的傅里叶导热定律，其控制方程如文中的公式（1）所示。此外，为了描述PCMS在相变区间内的固液相变过程，研究引入了液相线方程（公式（2）），该方程通过一个介于0到1之间的液相分数函数来表征材料在相变温度区间内的状态，从而将相变潜热的影响以等效比热容的形式耦合进传热方程中。这是模拟相变材料温度平台效应的关键。

第三，在数值模拟实施阶段，研究利用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件进行。为了简化计算并抓住主要矛盾，研究对实际路面情况进行了合理假设：将三维路面简化为二维平面模型（长80厘米，深20厘米）；忽略太阳辐射、风速、湿度等次要环境因素；假设路面底部和侧边绝热；假设PCMS均匀分布且相变不改变路面整体宏观物理性质（密度、导热系数等）。基于这些假设和前期测得的材料参数（密度、比热容、导热系数、相变温度与焓值，详见表1），建立了四种不同PCMS掺量路面的有限元模型。网格均划分为四面体单元，网格数为6250，确保了计算的精度。模拟的初始条件设定为路面初始温度7℃（280.15K），环境温度设定为-3℃（270.15K），模拟目标为分析在此降温过程中路面的温度场变化。

最后，在数据分析流程上，研究主要从两个维度对模拟结果进行提取和对比分析：一是空间温度对比，即在相同传热时间（3小时后）下，比较不同路面在同一深度处的温度差异；二是时间对比，即比较不同路面在特定深度（4厘米）处温度降至0℃所需的时间差异。此外，研究还通过软件的后处理功能，可视化展示了不同掺量路面在不同时刻的固-液相状态分布图，直观反映了相变过程的推进情况。

本研究取得了系统且富有洞见的结果，各步骤结果环环相扣，共同支撑了最终结论。 在空间温度对比方面，模拟传热3小时后，绘制了不同掺量路面沿深度方向的温度分布曲线（对应文中图2）。结果显示，在同一深度下，随着PCMS掺量的增加，相变储能路面的温度均高于普通水泥混凝土路面，证实了PCMS抑制降温的有效性。一个关键的发现是，在深度为6.76厘米处，不同路面间的温差达到最大。具体数据为：与0%掺量的水泥路面（温度1.9℃）相比，4%、8%、12%掺量的相变路面温度分别高出1℃、1.4℃和1.6℃。然而，深入分析增量趋势发现，从0%增至4%时，温升为1℃；从4%增至8%时，温升增量为0.4℃（即1.4-1.0）；从8%增至12%时，温升增量仅为0.2℃（即1.6-1.4）。这表明，PCMS掺量每增加4%，所带来的额外温升效益是递减的。初始的4%掺量贡献了最大的单位掺量温升效果。

在时间对比方面，研究选取了普通水泥路面在传热3小时后温度降至0℃的深度（4厘米）作为分析基准点。结果显示（对应文中图3、图4），普通水泥路面在4厘米深度达到0℃需时3小时。而PCMS掺量为4%、8%、12%的相变路面达到同一条件所需时间分别延长至4.4小时、5.6小时和6.6小时，即分别延缓了1.4小时、2.6小时和3.6小时。同样分析延缓时间的增量：从0%增至4%，延缓时间增加1.4小时；从4%增至8%，增加1.2小时（即2.6-1.4）；从8%增至12%，仅增加1.0小时（即3.6-2.6）。这再次明确地呈现出边际效益递减的规律：PCMS掺量每增加4%，所获得的额外延缓时间在不断减少。其中，从无到有添加4%PCMS所产生的延缓效益（1.4小时）是最为显著的。

此外，通过对固-液相状态分布图（文中图5-7）的分析，研究还获得了相变过程完成时间的数据。在-3℃恒温环境下，PCMS掺量为4%、8%、12%的相变储能路面，其内部PCMS完全由液态相变为固态（即释放完全部潜热）所需的时间分别为15小时、23小时和30小时。这说明提高PCMS掺量虽然能延长总体的调温时间，但相变完成所需的时间也同步大幅增加。

基于上述详实的模拟结果，本研究得出了明确而重要的结论：相变储能路面确实具备抑制降温、延缓路面温度降至冰点时间的能力，从而能有效抑制结冰，减少路面冻害。然而，研究的关键发现在于，PCMS的掺量并非越高越好，其抑制降温的效果随着掺量的增加呈现明显的边际效益递减趋势。综合考虑单位掺量带来的温升效益和延缓结冰时间的效益，从0%到4%掺量的提升带来的性能增益最大。因此，在本研究设定的材料体系、环境条件和评价指标下，最优的PCMS掺量为4%。这一结论为工程应用中的材料配比提供了直接的经济与技术优化依据，避免盲目追求高掺量带来的成本增加而效益增长有限的问题。

本研究的价值体现在多个层面。在科学价值上，它系统量化了PEG/膨胀石墨复合相变材料在水泥混凝土路面中的热行为，特别是揭示了掺量与控温性能之间非线性的边际效应关系，深化了对相变储能路面工作机理的理解。在应用价值上，研究结果为冬季道路抗凝冰提供了一种新的被动式、节能环保的技术思路，所确定的最优掺量（4%）对实际工程中相变路面的材料设计与成本控制具有直接的指导意义。研究提出的通过数值模拟（COMSOL）预测相变路面性能的方法，也为后续相关研究和工程评估提供了可借鉴的技术路径。

本研究的亮点突出。首先，在研究目标上，它没有停留在简单验证相变材料有效性的层面，而是深入探究了不同掺量下的性能变化规律，致力于寻找“性价比”最优的配比，具有明确的工程优化导向。其次，在研究方法上，熟练运用了多物理场仿真软件COMSOL，并合理简化模型、准确设置材料属性与相变模型，实现了对复杂相变传热过程的有效模拟，这种方法比纯实验研究更高效、更易于参数化分析。第三，在研究发现上，明确揭示了PCMS掺量增加带来的“边际效益递减”规律，这是一个具有普遍参考价值的重要结论，避免了性能评价中可能出现的“线性外推”误区。最后，研究结合了空间温度场和时间进程两个维度进行分析，并辅以相态分布可视化，使得结果更加全面、直观和具有说服力。