研究报告：基于宽相变区间复合相变材料的沥青路面温控与抗凝冰性能研究
一、 作者、机构与发表信息
本研究报告基于学术论文《Study on temperature control and anti-icing performance of asphalt pavement based on composite phase change material with wide phase change interval》。该研究由来自山东交通大学土木工程系的Changlin Hou（第一作者）、Wei Zhang（通讯作者）、Renshan Chen 以及 Haonan Sg 共同完成。论文发表于IOP出版社的 《Journal of Physics: Conference Series》 期刊，于2022年出版，会议名称为AMCE-2022，卷号2393，文章编号012031，DOI为10.1088⁄1742-6596/2393/1/012031。
二、 研究背景与目标
本研究属于道路工程与材料科学交叉领域，具体聚焦于功能性路面材料——相变材料（Phase Change Material， PCM）在沥青路面中的应用。相变材料是一种通过自身物态变化（如固-液相变）与环境进行热量交换，从而实现温度调节和能量储存的智能材料。将其应用于沥青路面，旨在改善路面温度场分布，缓解极端温度（高温车辙、低温开裂）对路面的损害，并探索其在冬季抑制路面结冰、辅助融雪除冰方面的潜力，以提升道路安全性与耐久性。
尽管已有研究探索了不同相变材料对沥青及沥青混合料性能的影响，但现有研究仍面临一些挑战：(1) 单一相变材料的相变温度区间较窄，难以在较宽温度范围内持续发挥温控作用；(2) 针对低温抗凝冰（通常关注-5°C至5°C区间）的相变材料研究，其效果有待提升；(3) 相变材料在沥青混合料加热拌合过程中可能存在的芯材挥发与泄漏问题影响使用效果；(4) 现有研究对材料温控效果的持续时间探讨不足。
针对上述问题，本研究设定了明确目标：针对沥青路面抗凝冰和融雪所需的最佳相变温度范围（-5°C至5°C），制备了两种相变材料（A和B）。核心研究思路是采用“温度梯度搭接”的方法，将两种具有不同但部分重叠相变区间的材料进行复合，以期形成具有更宽有效工作温域的复合相变材料，并系统研究其温控性能、对沥青混合料降温的抑制效果，以及确定其在混合料中的最佳掺量。
三、 详细研究流程与方法
本研究遵循了从材料制备、性能优化到工程应用评价的完整实验流程，主要包括以下四个紧密衔接的阶段：
第一阶段：相变材料的制备与基础性能测试 本阶段目标是获得适用于低温抗冰的相变材料。研究优选正构烷烃（n-alkanes） 作为芯材，采用溶胶-凝胶法（sol-gel method），以正硅酸乙酯（tetraethyl orthosilicate） 为硅源，制备了两种二氧化硅包覆的相变微胶囊材料，分别命名为PCM-A和PCM-B。 * 研究方法与对象：对制备好的PCM-A和PCM-B进行差示扫描量热（Differential Scanning Calorimetry， DSC）测试。这是表征相变材料热性能的关键实验，用于获取材料的相变焓（即储能能力，单位J/g）、相变温度区间以及峰值相变温度。 * 数据处理：通过分析DSC曲线，提取了材料在吸热和放热过程中的关键参数。 * 特殊方法说明：采用溶胶-凝胶法包覆制备微胶囊，是一种有效封装有机相变芯材、防止其在后续沥青高温加工过程中泄漏的技术手段，增强了材料的形状稳定性，这是本研究中材料制备环节的特定方法。
第二阶段：复合相变材料的配比优化与温控性能研究 在获得两种基础相变材料后，本研究核心创新点在于对其进行复合优化。 * 研究目的：确定PCM-A与PCM-B的最佳复合比例，以获得在目标温区（-5°C至5°C）内最优的降温抑制和升温储能效果。 * 实验设计：设置了多组复合比例进行对比：5:1， 4:1， 7:3， 3:2， 1:1，同时以单一的PCM-A和PCM-B作为对照组，共计7组。 * 研究方法与流程： 1. 样品准备：按上述比例分别称取5克复合/单一相变材料。 2. 模拟环境设置：配置质量分数20%的氯化钠（NaCl）溶液（模拟融雪盐环境），每份取100ml于烧杯中，并加入相应比例的相变材料，搅拌均匀。 3. 温控测试：将烧杯置于高低温交变试验箱中，插入温度传感器探头。先于室温下保温1小时以上以使系统稳定。 4. 编程循环：启动试验箱，设定程序为：先将温度降至-10°C（模拟降温过程），待溶液温度接近-10°C后，再将试验箱温度升至15°C（模拟升温或白天升温过程）。整个过程中，使用温度采集仪以每分钟1次的频率记录溶液温度变化。 * 数据分析：绘制各组温度-时间变化曲线，重点分析两个过程：(1) 降温段（0-80分钟）：比较不同配比材料对溶液降温速率的延缓能力；(2) 升温段（80-120分钟）：比较不同配比材料在升温过程中的吸热（储能）速率。通过对比曲线形态和关键时间点的温度滞后效应，判断最佳配比。 * 补充验证：对初步确定的最佳配比（5:1）下得到的复合相变材料C进行了DSC测试，验证其相变焓是否衰减以及相变区间是否有效拓宽。
第三阶段：复合相变沥青混合料温控试验 在确定最佳材料配比（A:B=5:1）后，研究进入工程应用层面，即将该复合相变材料掺入沥青混合料中，测试其在实际路面材料体系中的温控效能。 * 研究目的：探究复合相变材料掺量对沥青混合料试件降温过程的抑制作用，并确定最佳工程掺量。 * 研究对象与设计：制备马歇尔试件，设置不同的相变材料掺量（按混合料总质量计）：0‰（空白对照）、3‰、3.5‰、4‰、5‰、6‰。 * 研究方法与流程： 1. 试件制备与改装：在不同掺量的马歇尔试件中心钻孔（孔径略大于传感器探头直径，深约30mm），以埋设温度传感器。 2. 测试设置：将传感器插入孔中固定，试件放入高低温试验箱，传感器连接至温度采集仪。 3. 测试过程：试件在室温下保温2小时以上以达到内部温度均匀。随后，将试验箱温度设定为-10°C，开启温度采集系统，持续记录试件内部温度随时间下降的过程。 * 数据分析：绘制不同掺量试件的冷却曲线。为量化分析，特别选取了目标温区（-5°C至5°C）内的三个特征温度点：5°C、0°C、-5°C，记录各掺量试件温度降至这些点所需的时间，通过计算时间滞后（与空白试件对比）来评价不同掺量的冷却抑制效果。
第四阶段：相变材料对沥青性能的影响研究 相变材料作为一种添加剂，其掺入可能改变沥青胶结料的基本性能，从而影响路面使用性能。因此，必须评估其对沥青技术指标的影响。 * 研究目的：确定复合相变材料掺量对沥青关键性能指标（软化点、针入度、延度）的影响，并结合温控效果，从材料性能角度确定一个兼顾温控效能与路面基本性能的“最佳掺量”。 * 研究方法：将复合相变材料以不同比例（0%， 6%， 7%， 8%， 10%， 12%， 此比例基于沥青质量，与混合料掺量通过油石比5.0换算对应）掺入70#道路石油沥青中。 * 测试内容：对改性后的沥青进行标准化测试，包括软化点（Softening Point）、针入度（Penetration） 和延度（Ductility） 试验。 * 标准依据：参照中国《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中对70#石油沥青的技术要求进行评判。
四、 主要研究结果及其逻辑关联
第一阶段结果：DSC测试表明，制备的PCM-A和PCM-B相变峰值和主要相变温度区间均落在预期的-5°C~5°C范围内，且两者相变焓值均高于100 J/g（A为106.1⁄100.1 J/g， B为102.0/100.3 J/g），是理想的候选材料。这为后续的复合优化提供了合格的原材料基础。
第二阶段结果：温控性能测试曲线清晰地揭示了规律。 1. 降温抑制能力：在降温过程中，随着复合比例中PCM-A占比的增加，复合材料的降温抑制能力逐渐增强。其中，4:1和5:1两种配比的抑制效果显著优于其他比例（图8，9）。当比例从4:1增至5:1时，抑制能力提升已非常微小。 2. 升温储能能力：在升温过程中，所有复合配比材料的升温速率均快于单一材料A和B。在相变焓值相近的前提下，这表明复合材料的储热能力更强，且随着材料B比例的增加，储热能力有增强趋势。 3. 综合决策：在优先保证最佳降温抑制能力的前提下，通过综合比较储热能力，研究最终确定PCM-A与PCM-B的最佳复合比例为5:1。此配比下得到的材料C，其DSC曲线显示相变焓值未降低，且叠加后的相变区间显著增宽，证实了“温度梯度搭接”策略的有效性——复合形成了具有更宽相变区间、温控性能更优的材料。
第三阶段结果：沥青混合料试件的冷却曲线（图11）和特征温度时间表（表2）提供了直观且量化的证据。 1. 显著抑制效果：掺有复合相变材料的试件，其降温速率明显慢于空白试件。 2. 剂量效应：相变材料掺量越大，降温速率越慢，温度滞后效应越明显。例如，达到0°C时，掺量3‰至5‰的试件相比空白试件分别滞后了3、7、11、16分钟；掺量6‰的试件在2小时测试期内甚至未降至-5°C。 3. 初步结论：复合相变材料在沥青混合料中具有显著的冷却抑制作用，且效果随掺量增加而增强。
第四阶段结果：沥青性能测试数据（表3）揭示了掺量对沥青基本性能的影响趋势。 * 随着复合相变材料掺量的增加，沥青的软化点逐渐降低，而针入度和延度逐渐升高。这表明材料掺入使沥青变“软”。 * 根据规范要求，70#沥青的软化点不应低于43°C。测试数据显示，当相变材料掺量达到10%（对应混合料掺量约5‰） 时，软化点（43.29°C）刚好满足规范下限要求；掺量继续增加至12%时，软化点（41.64°C）已不达标。
结果间的逻辑推进：第一阶段制备出合格材料；第二阶段通过溶液体系优化出最佳材料配比（5:1）；第三阶段将该最佳材料应用于混合料体系，证明了其温控效果并呈现剂量效应；然而，第四阶段指出，无限增加掺量虽能提升温控效果，但会损害沥青基本性能。因此，必须寻找一个平衡点。
五、 研究结论与价值
本研究得出以下核心结论： 1. 材料优化结论：采用温度梯度搭接法复合两种相变材料（A和B），形成的复合相变材料相比单一材料具有更好的温控效果、更宽的相变区间，且相变焓值未衰减。PCM-A与PCM-B的最佳复合比例为5:1。 2. 工程应用结论：在沥青混合料中，复合相变材料的冷却抑制效果随掺量增加而增强，但同时会导致沥青针入度指标下降（即高温稳定性可能变差）。综合考虑温控性能与沥青胶结料基本路用性能，复合相变材料在沥青混合料中的最优掺量为混合料总质量的5‰。
研究价值： * 科学价值：提出了通过“温度梯度搭接”策略拓宽相变材料有效工作温区的方法，并验证了其有效性，为开发宽温域、高性能道路用相变材料提供了新思路和实验依据。 * 应用价值：明确了适用于沥青路面抗凝冰（-5°C~5°C）的复合相变材料的具体配比（A:B=5:1）及其在工程中的安全、有效掺量（5‰）。该研究成果可直接指导抗凝冰相变沥青混合料的配方设计与施工，对于提升冬季路面行车安全、减少融雪剂使用、延长路面寿命具有明确的工程应用前景。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
研究在引言部分对相变材料在道路工程中的应用现状与挑战进行了简要综述，引用了多项国内外相关研究，涵盖了不同封装方法（如微胶囊、定形材料）、不同材料体系（如有机、无机、复合）以及其在沥青混合料中的路用性能和温控效果研究，为本研究的立项提供了充分的学术背景支撑，也展示了该领域的活跃度。此外，研究采用了二氧化硅包覆的微胶囊形式，有助于缓解相变芯材在沥青高温拌合过程中的泄漏问题，这一材料形态的选择具有实际工程意义。