本研究是一篇发表在Construction and Building Materials期刊（2024年6月15日在线发表，第438卷，文章号136968）上的原始研究论文，题为《Effect of Phase Change Materials on Thermophysical Properties of Asphalt Mixtures and Snow Melting Performance》。该研究由哈尔滨工业大学交通科学与工程学院的Shuai Li, Yiqiu Tan, Jilu Li, Wanli Ye, Guannan Li, Xinye Liu，以及哈尔滨工业大学城市水资源与环境国家重点实验室的Yiqiu Tan和保利长大海外工程有限公司的Yongkang Fu共同完成。

研究的学术背景与目的 该研究属于建筑材料与道路工程交叉领域，具体关注相变材料在沥青路面中的功能化应用。沥青对温度极为敏感，其性能（如收缩、变形、损坏）受温度变化影响显著，这是导致沥青路面耐久性不足的关键因素之一。相变材料作为一种智能功能材料，能够在特定温度范围内发生相态转变，并通过吸收或释放大量潜热来调控温度，因此在太阳能储存、建筑节能等领域显示出巨大潜力。将该材料引入沥青混合料，理论上可以为路面提供一个“热缓冲”机制，从而减轻温度波动带来的负面影响，并可能衍生出冬季融雪等新的功能。然而，以往的研究多集中于PCMs的宏观应用效果评估，对其掺入后沥青混合料热物理性质（导热系数、热扩散系数、比热容）的深入、系统性表征相对缺乏。本研究旨在填补这一空白，通过精心设计的实验，全面评估相变沥青混合料的微观热物理性质，并结合室内外模拟试验，验证其对路面温度调控及融雪性能的实际影响。其最终目标是为相变材料在沥青混合料中的深入研究和工程应用奠定坚实的理论基础。

详细的研究流程与方法 本研究流程严谨，涵盖了材料制备、热物理性质表征、温度调控效果验证以及融雪功能测试四个主要部分。

1. 材料制备 研究选用辽河生产的90#基质沥青和玄武岩作为主要材料。相变微胶囊由研究团队自行合成，采用十四烷作为芯材，脲醛树脂为壳材。核心创新在于相变沥青的制备：将沥青加热至140-160°C的流动状态，然后均匀掺入占沥青总质量7%的相变微胶囊，通过手工和机械搅拌制备成相变沥青。选择此掺量是权衡了温控效果和成本（约增加2.1%每立方米）后的优化结果。随后，依据JTG E20-2011规范，采用旋转压实法，按照AC-16中值级配（沥青含量4.8%）分别制备了标准沥青混合料试件和相变沥青混合料试件。

2. 热物理性质表征（微观尺度） 此部分是研究的核心，采用了多种互补的实验方法来全面获取热物性参数。

a. 导热系数测试：采用瞬态平面热源法，这是本研究的一个关键技术应用。将旋转压实成型的圆柱体试件切割成直径150mm、高度10mm的薄片试件。使用Hot Disk热常数分析仪进行测量，该仪器通过一个平面的盘状传感器同时充当热源和温度传感器，能够快速、准确地测量材料的导热系数。

b. 热扩散系数测试：这是本研究另一个创新性的自设计实验。实验基于半无限大体非稳态导热原理。首先，对试件进行绝热处理（侧面和底部包裹橡塑保温棉和锡箔纸，仅保留上表面作为换热面），在试件顶部以下3cm, 6cm, 9cm, 12cm深度处钻孔安装温度传感器。然后将试件置于高低温箱中经历温度变化，并记录不同深度传感器的温度数据。数据分析分为两步：(1) 对于每个分析时间段（如0-60分钟），建立四个不同深度点的平均温度随时间变化的线性关系（公式T = b1*t + b2，其中b1是斜率，反映平均降温速率）。(2) 建立同一时间段内，平均温度随深度变化的二次函数关系（公式T = a1*z² + a2*z + a3，其中a1反映温度在垂直方向上的变化率）。最终，利用推导出的公式α = b1 / (2*a1)来计算热扩散系数。这种实验设计巧妙地利用了内部传热的瞬态特性来推导关键参数。

c. 比热容测试：由于沥青混合料尺寸大、成分复杂，无法直接用差示扫描量热仪进行测量。研究采用了间接叠加法，这是应对复杂复合材料热物性测量的一个实用策略。具体方法是：分别使用DSC测量各组分（细集料、矿粉、相变微胶囊、沥青）的比热容。测试在氮气气氛下进行，温度范围为-30°C至30°C，升温速率10°C/min，并以蓝宝石作为比热容标准参考。最后，根据各组分的质量分数，通过叠加原理计算出整个沥青混合料的比热容。

3. 温度调控效果验证（宏观尺度） 这部分研究旨在将微观热物性提升与实际温控性能联系起来。

a. 户外真实环境测试：制备了不同相变微胶囊掺量（1%， 3%， 5%， 7% 沥青质量）的相变沥青混合料车辙板。在车辙板底部中心钻孔安装温度传感器，连接至室内温度采集仪，在冬季户外环境中进行连续的温度监测，并采集中心点的温度数据。研究中还对传感器记录的温度数据进行了修正（修正系数δt为±3.18%），以保证数据的准确性。

b. 室内模拟环境测试：为了在可控条件下更精确地观察相变过程，研究进行了室内升降温循环模拟。由于车辙板尺寸过大，采用了含有相同相变材料的马歇尔试件作为替代。利用加热-冷却设备进行升降温循环，并使用温度采集系统实时监测试件中心温度变化。

4. 融雪性能测试 这是本研究应用价值的直接体现。在冬季降雪天气下，直接观察并比较相变沥青车辙板与普通车辙板表面的积雪情况，评估其“融小雪”的实际效果。

主要结果与发现

1. 热物理性质结果 导热系数：研究发现，普通沥青混合料的导热系数随温度升高略有下降，整体变化平稳。而相变沥青混合料的导热系数在约10°C时出现一个显著峰值，随后急剧下降。这一独特现象与相变过程紧密相关：当温度上升至相变区间，PCMs开始从固态向液态转变并吸收潜热，此过程中分子运动加剧，暂时提升了热传导能力；但当相变完成，材料变为液态后，分子间距离增大，碰撞频率降低，反而导致导热系数下降。

热扩散系数：相变沥青混合料的热扩散系数在升温过程中呈现先上升后下降的非单调变化，这与普通沥青混合料持续下降的趋势截然不同。这再次验证了相变过程的影响：在固液相变吸热阶段，热量传递速率（热扩散系数）因潜热的吸收而暂时提高；相变结束后，材料内部结构变化可能加剧声子散射，导致热扩散率降低。

比热容：关键发现是，在相变温度区间（0°C至15°C），相变沥青混合料的比热容出现急剧的峰值，显著高于普通沥青混合料。这意味着在此温度范围内，相变混合料储存热量的能力大幅增强。计算结果显示，微胶囊掺量越高，比热容峰值越大，热储存能力越强。

2. 温度调控验证结果 户外测试：在冬季夜间降温阶段，掺有7%相变材料的车辙板内部中心温度始终高于普通车辙板，证实了PCMs在降温时释放潜热，有效延缓了冷却过程。最大降温幅度减少了2.8°C，降温速率降至小于0.02°C/分钟。当普通车辙板降温至-10°C时，相变车辙板的冷却延迟时间长达6.5小时。在白天升温阶段，相变车辙板因吸收潜热，其升温速度慢于普通板，与普通板的最大温差达到了7.6°C。红外热像图也直观显示，夜间相变板表面温度更高，白天则相对较低，证明了其双向温度调节能力。研究还发现，微胶囊掺量越高，温控效果越显著。

室内模拟测试：结果与户外测试趋势一致，并量化了相变过程的延迟效应。在降温过程中，相变效应在接近0°C时启动，导致相变试件冷却过程延迟了43.2分钟，最大温差2.3°C。在升温过程中，相变效应在约2.5°C时启动，导致升温过程延迟了57.6分钟，最大温差3.5°C。升温阶段效应更显著，与设备升降温速率差异有关。

3. 融雪性能结果 降雪观测证实，相变沥青车辙板能够促进少量积雪融化，减少雪层与路面的粘结，有效实现了“小雪可融”的效果。在降雪初期，相变板上的积雪厚度明显小于普通板。然而，研究也发现了一个重要应用限制：在长期暴露于-10°C以下的低温环境后，由于相变材料释放热量后无法及时补充，将完全凝固，其融雪功能会显著减弱。这表明相变沥青路面最适合在早冬、早春等环境温度在0°C上下的时期发挥最大效用。

研究的结论、价值与亮点

结论：本研究系统性地证明，相变材料的加入显著改变了沥青混合料的热物理性质。在相变温度区间内，相变沥青混合料表现出更高的导热系数、热扩散系数以及显著增大的比热容。这些微观热物性的提升，在宏观上转化为优异的温度调控性能：能够在降温时延缓冷却、在升温时减缓升温，降低路面温度对环境的敏感度。最终，这种温控能力赋予了路面在适宜温度条件下（约0°C）主动融解少量积雪的新功能。

科学价值与应用价值：从科学价值看，本研究不仅验证了PCMs在沥青混合料中的温控效应，更重要的是通过一套创新的、多尺度结合的实验方法（特别是自设计的热扩散系数测试和间接比热容测量），深入揭示了其背后的热物理机制，为理解复合相变材料在路面中的热行为提供了详实的数据支持和理论解释。从应用价值看，研究结果为开发具有智能温度调节和主动融雪功能的“下一代”沥青路面提供了直接的技术路径和剂量参考（如7%掺量），对于提高寒区道路的行车安全、减少除冰盐使用、延长路面使用寿命具有重要的工程指导意义。

研究亮点： 1. 研究方法的系统性与创新性：研究没有停留在宏观现象观察，而是构建了从微观热物性（导热、热扩散、比热）到宏观性能（温度调控、融雪）的完整证据链。自设计的基于半无限大体原理的热扩散系数实验，是准确获取此类复合材料瞬态热参数的有效方法。 2. 对相变过程热物理机制的深入阐释：研究结果清晰地展示了相变过程中导热系数和热扩散系数的非单调变化，并将此与分子运动、潜热吸收/释放、微观结构变化联系起来，深化了对PCMs改性沥青混合料热行为的理解。 3. 明确了应用条件与限制：研究不仅展示了融雪效果，也客观指出了其应用局限性（长期极低温下失效），这为未来工程应用的场景选择和材料优化提供了关键信息。 4. 多尺度、多环境验证：结合了室内精密模拟（DSC， 自设计实验， 马歇尔试件升降温循环）和室外真实环境测试（车辙板冬季长期监测、降雪观测），结论更具说服力和普适性。

总而言之，这是一项设计严谨、数据详实、结论清晰的优秀研究，成功地将相变材料的智能温控特性与沥青路面工程需求相结合，为功能型路面材料的发展做出了有价值的贡献。