长安大学（Chang’an University）王小庆、司伟等学者关于新型环氧树脂复合相变材料及其在沥青混合料中应用的研究报告
本研究由王小庆（第一作者）、司伟（通讯作者）、马骉、王薇、于淼共同完成。作者单位包括长安大学公路学院、西藏天路股份有限公司博士后科研工作站、四川久马高速公路有限责任公司以及西安公路研究院有限公司。研究成果以题为《新型环氧树脂复合相变材料对沥青混合料调温性能影响》的论文形式，发表于《长安大学学报（自然科学版）》（Journal of Chang’an University (Natural Science Edition)） 2024年3月第44卷第2期。
一、 研究的学术背景
本研究属于道路工程材料与储能材料的交叉领域。其核心科学问题是：如何提升相变材料（PCM）在沥青路面工程中的适用性，以主动调控路面温度，从而缓解因温度应力导致的高温车辙、低温开裂等病害。
研究的背景知识清晰指出：传统沥青路面技术（如改性沥青、添加纤维、优化级配）虽能一定程度提升温度稳定性，但在全球气候变化导致的极端温度频发背景下，仍显不足。将具有储热/放热能力的相变材料引入沥青混合料，被视为一种主动调控路面温度的新思路。然而，现有用于沥青混合料的相变材料（如多孔吸附、微胶囊封装型）在拌和与压实过程中的高温、高机械作用下，存在芯材泄露、热稳定性与力学性能不足的严重缺陷，限制了其工程应用。
本研究旨在解决上述瓶颈问题。其具体研究目标是：1） 制备一种兼具高储热性能、优异热稳定性和足够力学强度的新型环氧树脂复合相变材料；2） 系统表征该材料的热物理特性（相变行为、热稳定性、导热系数、比热容）；3） 将该材料掺入沥青混合料，评估其对混合料温度调控性能的影响规律；4） 验证掺入该相变材料后沥青混合料的路用性能是否满足规范要求。最终，为实现相变材料在沥青路面中的实际应用提供理论和实验依据。
二、 详细的研究流程
本研究包含三个主要且逻辑连贯的流程：材料制备与表征、温度调控性能试验、路用性能验证。
流程一：环氧树脂复合相变材料的制备与热物理特性表征 * 研究对象与样本：以正十五烷为芯材，通过吸附封装（使用纳米二氧化硅、乙基纤维素等）与环氧树脂（E44）复合，制备出圆柱形（直径3mm，高2mm）的复合相变材料样本。制备过程采用了浇筑法，并特别采用了50℃预热环氧树脂和分阶段固化的关键工艺，以避免初始复合阶段的高温和机械搅拌对吸附定形材料的破坏。 * 实验方法与分析： 1. 相变特性测试：使用差示扫描量热仪（DSC），在氮气氛下以3°C/min的速率进行升降温（-20°C至20°C）循环，获取材料的相变温度与相变焓值。 2. 热稳定性测试：使用热重分析仪（TG），在氮气氛下以10°C/min的速率升温，分析材料的热分解温度与质量损失曲线。 3. 导热系数测试：使用导热系数仪，在-10°C、5°C、30°C三个典型温度点测量材料的导热系数，每个温度点进行6次平行试验。 4. 表观比热容测试：采用DSC法，以3°C/min的速率测试材料的表观比热容随温度的变化。 * 数据处理流程：从DSC曲线读取熔融/结晶的起始、峰值、终止温度及焓值；从TG曲线分析失重起始温度与失重峰；计算各温度下导热系数的平均值；绘制升降温过程的表观比热容曲线。
流程二：相变沥青混合料的制备与温度调控性能试验 * 研究对象与样本： * 材料设计：采用AC-13级配，将制备好的复合相变材料视为特殊“集料”，采用等体积替换法替代2.36mm档细集料，设计了相变材料掺量（质量分数）分别为0%、2%、4%、6%的四种沥青混合料。通过马歇尔设计方法确定了各掺量下的最佳油石比。 * 试验试件：制备了两种尺寸的试件用于温度调控试验：①标准马歇尔试件（φ101mm × 62.4mm），用于研究掺量影响；②大型圆柱体试件（φ150mm × 200mm），用于研究温度场沿深度方向的变化。在大型试件内部沿径向布置了5个温度测点（T1-T5）。 * 实验方法与分析： 1. 温度调控试验系统：搭建了由环境箱、PT100热阻传感器、多通道巡检仪和电脑组成的测温系统。 2. 试验方案： * 对标准马歇尔试件，在环境箱中进行-30°C至40°C的完整升降温循环，记录试件中心点温度变化。 * 对大型圆柱体试件，进行-10°C至15°C的升降温循环，记录不同深度（0.5cm, 3.0cm, 5.5cm, 7.5cm）测点的温度变化。 3. 数据分析：绘制各掺量、各测点的温度-时间曲线，计算相变沥青混合料与基准混合料的最大温差、温差持续时间；对温度数据进行微分处理，得到温度变化速率曲线，分析相变过程对升/降温速率的延缓效果。 * 工作流的逻辑：此流程旨在将流程一中表征过的材料应用于实际基质（沥青混合料）中，并通过可控的环境试验，量化其在实际应用场景（模拟路面温度变化）中的性能。
流程三：相变沥青混合料的路用性能验证 * 研究对象与样本：采用与流程二相同的四种掺量（0%， 2%， 4%， 6%）的沥青混合料，按照规范成型各项路用性能试验的标准试件。 * 实验方法与分析：完全依据中国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）进行。 1. 高温稳定性：进行60°C车辙试验，获取动稳定度（DS）。 2. 水稳定性：进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，获取残留稳定度比（MS₀）和冻融劈裂抗拉强度比（TSR）。 3. 低温抗裂性：进行-10°C低温小梁弯曲试验，获取弯拉强度、最大弯拉应变和弯曲劲度模量。 * 数据分析：将各掺量相变沥青混合料的测试结果与基准混合料（0%掺量）进行对比，判断其是否满足规范要求，并分析性能随掺量的变化趋势。
三、 主要研究结果
结果一：环氧树脂复合相变材料具备优异的储热性能和热稳定性。 * 数据支持：DSC测试表明，该材料熔融温度为-5.2°C ~ 13.4°C，结晶温度为7.3°C ~ -14.8°C，熔融焓和结晶焓分别达到63.5 J/g和64.1 J/g。TG测试显示，材料在180°C之前几乎无质量损失，主要失重发生在280°C之后。 * 结果解释与逻辑关系：高相变焓值（>60 J/g） 意味着单位质量材料能储存/释放大量潜热，这是实现有效温度调控的物理基础。优异的热稳定性（耐温180°C） 则确保材料能经受沥青混合料拌和、摊铺（通常160°C-180°C）的高温过程而不分解或泄露，解决了传统相变材料应用的致命缺陷。此结果为将该材料安全地掺入沥青混合料（流程二）提供了前提保障。
结果二：材料的热物参数揭示了其温度调控的机理。 * 数据支持：导热系数测试显示，材料在-10°C、5°C、30°C下的平均导热系数分别为0.245、0.222、0.169 W/(m·℃)，随温度升高略有下降。表观比热容测试显示，在相变温度区间内，升/降温过程的表观比热容出现显著峰值，最大值分别达10.9和6.7 J/(g·℃)，远高于非相变区间的1.1-1.9 J/(g·℃)。 * 结果解释与逻辑关系：相变区间内表观比热容的急剧增大是相变材料调温功能的直接体现。当环境温度变化至相变区间时，材料通过发生相变吸收或释放大量潜热，其“热惯性”显著增大，从而延缓自身及周围介质的温度变化速率。这为理解后续温度调控试验中观察到的现象（如温度平台、速率降低）提供了理论依据。
结果三：相变沥青混合料的温度调控效果与材料掺量呈正相关，且受位置深度影响。 * 数据支持： * 掺量影响：在标准试件升温过程中，2%、4%、6%掺量试件中心点相对于基准试件的最大降温值分别为2.1°C、4.2°C、6.2°C；温差超过1°C的持续时间分别为54、138、190分钟。降温过程呈现相似规律，最大升温值分别为1.7°C、3.3°C、4.8°C。 * 深度影响：在大型试件（4%掺量）升温过程中，深度0.5cm、3.0cm、5.5cm、7.5cm处相对于基准试件的最大温差分别为1.4°C、2.0°C、2.9°C、3.1°C。各深度位置升温速率最大降低百分比在48%到73%之间。 * 结果解释与逻辑关系：掺量越大，单位体积混合料中储热单元越多，调温能力越强，效果呈近似线性增长。调温效果沿深度累积的现象，是由于热量传递的滞后性和内部相变材料吸/放热过程的叠加效应所致。这些定量关系为实际工程中根据调温需求（如缓解表面车辙或深层温度应力）优化材料掺量和铺设厚度提供了关键设计参数。
结果四：在适当掺量下，相变沥青混合料在具备显著调温效果的同时，能满足路用性能要求。 * 数据支持：论文指出（根据试验结果），当环氧树脂复合相变材料掺量小于4% 时，相变沥青混合料的各项路用性能（高温、低温、水稳）均可满足规范要求。 * 结果解释：此结果是本研究兼具科学与工程价值的关键。它表明，通过环氧树脂复合技术增强相变材料的力学性能和稳定性后，可以在不牺牲沥青混合料基本路用性能的前提下，成功赋予其主动调温功能，解决了长期存在的“性能”与“功能”之间的矛盾。
四、 研究结论与价值
本研究成功制备并验证了一种适用于沥青路面工程的新型环氧树脂复合相变材料。主要结论如下： 1. 所制备的材料相变焓值高（>60 J/g）、热稳定性好（耐温180°C）、具有可逆的相变能力，且力学强度满足作为“集料”使用的要求。 2. 将该材料掺入沥青混合料能产生显著的主动调温效果：延缓升/降温过程，降低温度变化速率，减小温度峰值和谷值。调温效果与材料掺量正相关，并沿混合料深度方向增强。 3. 关键应用边界条件：当材料掺量控制在4%以内时，相变沥青混合料在具备良好调温功能的同时，其高低温性能和水稳定性仍能满足规范要求。
研究的科学价值在于：深化了相变材料-沥青基复合材料体系的热力学与传热学认识，明确了复合相变材料在非均匀介质中的温度场响应规律及影响因素（掺量、深度），为构建该类材料的性能预测模型奠定了基础。
研究的应用价值尤为突出：为解决沥青路面温度病害提供了一种切实可行的新材料和新技术路径。该技术有望应用于对温度敏感的特殊路段（如大桥桥面、高原冻土区、城市热岛效应显著区域），通过智能化调温延长路面使用寿命，降低养护成本，具有重要的工程实践意义和经济效益。
五、 研究亮点