道路工程领域的创新：用于调控沥青路面温度的封装陶粒相变材料的制备与性能研究
本报告旨在向国内学术界介绍一篇发表于《Construction and Building Materials》期刊（2018年，第190卷，235-245页）的原创性研究论文。该研究由长沙理工大学交通运输工程学院的金焦、肖婷、郑建龙、钱国平、谢娟、魏辉、张俊辉、刘鸿福以及中南大学资源加工与生物工程学院的刘若华（共同通讯作者）合作完成。论文题目为《Preparation and thermal properties of encapsulated ceramsite-supported phase change materials used in asphalt pavements》（用于沥青路面的封装陶粒支撑相变材料的制备与热性能）。
一、 学术背景与研究目的 该研究属于建筑材料与道路工程交叉领域，特别是针对沥青路面智能温控技术的研究。背景知识在于，沥青是一种典型的温度敏感性材料，夏季高温易导致路面车辙、推移等病害，而剧烈的昼夜温差则会引发热疲劳损伤，缩短路面使用寿命。相变材料（Phase Change Materials, PCMs）作为一种潜热存储材料，能在相变过程中吸收或释放大量热量，从而在近恒温条件下调节温度。因此，将PCMs应用于沥青路面，以降低路面极端温度和温度波动，成为近年来的研究热点。
然而，直接将PCMs掺入沥青混合料存在两个主要问题：一是PCMs可能改变沥青的化学组成和胶体结构；二是液态PCMs易迁移渗出，降低其有效性和耐久性。为此，研究者通常将PCMs与多孔载体材料复合，制备复合相变材料（Composite Phase Change Materials, CPCMs），再将其作为细集料替代物掺入混合料。但现有研究多使用硅藻土、膨胀珍珠岩等细集料，其掺量有限，且复合相变材料在热循环后仍存在质量损失问题。
基于此，本研究旨在开发一种新型的、性能更优的复合相变材料体系。其核心研究目标包括：1）选用粒径较大（4.75-9.5 mm）、成本低廉、热性能优良的陶粒（Ceramsite, CS）作为PCMs的宏观多孔载体，以克服细集料掺量限制；2）采用真空浸渍法将两种PCMs——聚乙二醇（Poly(ethylene glycol), PEG）和乙二醇二硬脂酸酯（Ethylene glycol distearate, EGD）——负载于陶粒中，制备CPCMs；3）为进一步解决PCMs的泄漏和热循环稳定性问题，创新性地采用酚醛环氧树脂（Novolac epoxy resins, NER）对CPCMs进行封装，制备封装型复合相变材料（Encapsulated CPCMs, E-CPCMs）；4）系统表征所制备材料的微观结构、化学相容性、热稳定性、热物性、热可靠性、渗出稳定性及储放热性能；5）优选性能最佳的材料，通过模拟实验评估其在实际沥青混合料中的调温效果。
二、 详细研究流程与方法 本研究包含一个完整的材料制备、表征、性能评估及初步应用的链条，具体流程如下：
1. 材料制备： * 原料： 核心原料包括陶粒（CS）、两种相变材料（PEG, EGD）、封装材料酚醛环氧树脂（NER）及其固化剂（CR593）。沥青采用70/100针入度等级，集料为玄武岩。 * CPCMs制备（真空浸渍法）： 将40g CS置于锥形瓶中，加入60g熔融的PEG或EGD（90°C水浴）。启动真空泵，直至陶粒周围不再有气泡产生，表明PCMs已充分浸入陶粒孔隙。随后关闭真空泵，将样品置于4.75 mm筛上移除多余PCMs，冷却后即得CPCMs（分别记为PEG/CS和EGD/CS）。 * E-CPCMs制备（封装工艺）： 将NER与固化剂CR593按质量比4:1混合，搅拌后加入50g上述制备的CPCMs，继续搅拌。取出产物，使封装材料固化24小时，即得封装型E-PEG/CS和E-EGD/CS。此封装步骤是本研究的创新点之一，旨在包裹CPCMs，防止PCMs泄漏。
2. 材料表征与性能测试： 研究对制备的各阶段材料（CS、纯PCMs、CPCMs、E-CPCMs、固化NER）进行了系统的多层次测试： * 微观形貌观察： 使用扫描电子显微镜（SEM）观察CS的多孔结构、PCMs在孔隙中的填充情况、封装层的形貌及界面。这是直观判断浸渍和封装效果的关键。 * 化学相容性分析： 通过X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征材料的晶体结构和化学基团。目的是确认PCMs与CS之间是否发生化学反应，以及复合后PCMs的晶体结构是否保持稳定。 * 热稳定性分析： 采用热重分析（TGA）在氮气氛围下测试材料从室温到900°C的质量变化。用于评估材料在高温下的稳定性（特别是能否耐受沥青混合料拌和温度~180°C），并基于质量损失曲线计算PCMs在陶粒中的实际负载量。 * 热物性测试： 使用差示扫描量热仪（DSC）测量材料的相变温度（Tm）和相变焓（ΔHm，即储热能力）。这是评价PCMs性能的核心指标。 * 热可靠性评估： 对CPCMs进行100次加速熔融/凝固循环试验。循环后再次使用DSC和FTIR测试，通过比较相变焓和化学结构的变化，评价材料长期使用的稳定性。 * 渗出稳定性测试（自设计实验）： 将等量样品置于滤纸中心圆圈内，盖上培养皿，放入80°C烘箱1小时。通过观察滤纸上PCMs的痕迹来直观比较纯PCMs、CPCMs和E-CPCMs的防泄漏能力。该简易实验能有效模拟高温下PCMs的渗出行为。 * 储/放热性能测试（自设计实验）： 将样品装入烧杯，分别置于30°C和80°C水浴中，记录样品中心温度随时间的变化。通过温度-时间曲线上的平台段（相变区）长度和达到平衡所需的时间，评价材料的实际储热、放热速率和缓冲温变效果。 * 调温效果模拟实验（自设计实验装置）： 这是将材料性能向实际应用推进的关键步骤。研究团队使用了一套自行设计的实验装置，包括保温箱、氙灯（模拟太阳辐射，辐照度800 W/m²）、温控与记录系统。 * 试件制备： 采用马歇尔设计方法制备了两组尺寸为150 mm × 150 mm × 50 mm的沥青混合料试件。对照组（A#）为普通混合料。实验组（B#）用等质量的E-PEG/CS替代了25%的4.75-9.5 mm粒径集料。选择E-PEG/CS是基于前述性能测试的综合优选结果。 * 测试过程： 将试件置于恒温环境中达到初始平衡后，开启氙灯照射，直至温度再次达到平衡。使用铂电阻温度传感器（Pt100）同步测量并记录试件上表面、下表面及环境空气的平均温度变化。 * 比热容测定： 使用BRR比热容测试仪测量沥青、集料、CS等原材料的比热容，为后续计算试件吸收的辐射热量提供数据。
3. 数据分析流程： 研究的数据分析紧密围绕实验目标展开。例如，通过SEM图像对比直接评估填充和封装效果；通过XRD和FTIR谱图的峰位和峰形变化判断化学相容性；通过TGA曲线计算PCMs负载量；通过DSC曲线读取热物性参数并计算结晶度；通过温度-时间曲线分析储放热性能和路面调温效果。最后，基于测得的比热容和相变焓，对试件吸收的总热量和相变潜热占比进行了定量估算，并从热扩散率变化的角度分析了调温机理。研究还对温度传感器的测量不确定度进行了详细分析和计算，确保了实验数据的可靠性。
三、 主要研究结果 1. 微观结构与化学相容性： SEM图像显示CS具有典型的孔隙结构（大孔500-600 μm，小孔5-15 μm），为PCMs提供了优良载体。PEG/CS和EGD/CS的图像显示大部分孔隙已被PCMs填充或覆盖。封装后，E-CPCMs表面形成了致密光滑的NER层，其与CPCMs核心之间存在约20 μm的间隙，可缓解PCMs相变时的体积压力。XRD和FTIR分析表明，CPCMs的谱图仅是CS和相应PCMs谱图的叠加，无新峰出现，证实PCMs与CS仅为物理结合，化学相容性好，晶体结构稳定。
热稳定性与负载量： TGA显示，CPCMs在200°C以内质量损失极小，表明其能耐受沥青拌和高温。CS的孔隙结构有效延缓了PCMs的挥发。通过公式计算得出，PEG和EGD在陶粒中的质量负载率分别为42.1 wt%和34.0 wt%。
热物性与热可靠性： DSC测试显示，纯PEG和纯EGD的相变焓（ΔHm）分别高达-185.7 J/g和-188.5 J/g，相变温度（Tm）约58°C。复合后，PEG/CS和EGD/CS的ΔHm分别降至-55.7 J/g和-39.64 J/g，Tm略有降低（分别至54.3°C和56.1°C），这归因于陶粒孔壁的毛细管力和表面张力作用。PEG/CS的ΔHm和结晶度（71.3%）均高于EGD/CS（61.6%），表现更优。经100次热循环后，两种CPCMs的ΔHm均下降了约26.5%，表明存在PCMs损失。但FTIR显示其化学结构保持稳定。
封装效果验证： 泄漏实验直观表明，纯PCMs和CPCMs在高温下均出现明显渗出，而E-CPCMs（尤其是E-PEG/CS）的滤纸上几乎观察不到泄漏痕迹，证明NER封装极大改善了材料的渗出稳定性。
储/放热性能： 储放热测试的温度-时间曲线显示，所有含PCMs的样品在50-60°C范围内均出现明显的温度平台（相变区）。与纯CS相比，CPCMs和E-CPCMs达到温度平衡所需时间显著延长，体现了其缓冲温度变化的能力。封装工艺略微延长了平衡时间，但对储放热性能影响不大。综合比较，E-PEG/CS性能优于E-EGD/CS。
路面调温模拟效果： 这是本研究最直接的应用导向结果。在氙灯照射下，掺有E-PEG/CS的实验组试件（B#）其上表面温度在照射初期（前30分钟）与对照组（A#）基本一致。当温度升至PEG相变温度范围后，B#试件上表面温度的上升速度明显慢于A#试件，显示PEG在吸收潜热、抑制温升。在照射210分钟时，上表面最大温差达到约9.1°C。同时，B#试件下表面温度也始终低于A#试件。热量估算表明，PEG吸收的潜热约占B#试件总吸热量的8.6%。此外，由于CS内部闭孔和PCMs自身的低导热性，掺入E-PEG/CS降低了混合料的热扩散率，产生了热阻效应，这也是下表面温降低的原因之一。
四、 研究结论与价值 本研究的结论是：成功开发了一种以陶粒为载体、经酚醛环氧树脂封装的复合相变材料（E-CPCMs，尤以E-PEG/CS为佳）。该材料具有良好的化学相容性、热稳定性、防泄漏能力和储放热性能。将其作为部分粗集料替代物应用于沥青混合料，能在模拟太阳辐射条件下显著降低路面层温度，最高可使上表面温度降低约9.1°C。
其科学价值在于：1）提出并验证了使用大粒径、低成本陶粒作为PCMs宏观载体的新思路，突破了传统细集料载体掺量低的限制。2）创新性地引入NER封装工艺，有效解决了CPCMs在热循环中的PCMs损失和高温渗出问题，提升了材料的长期可靠性。3）通过一套完整的从材料制备、表征到模拟应用的研究方法，为新型沥青路面温控材料的开发提供了可借鉴的范式。
其应用价值与工程意义显著：为缓解沥青路面因高温和温度波动引发的车辙、疲劳等病害提供了一种潜在的新型功能性材料解决方案。通过降低路面服役温度，有望延长路面使用寿命，减少养护成本，具有重要的工程经济价值和环保意义。
五、 研究亮点 1. 材料体系创新： 首次将陶粒作为PCMs的宏观多孔载体用于沥青路面温控研究，并结合封装技术，构建了“陶粒-相变材料-封装树脂”三层结构的稳定复合体系。 2. 方法创新： 研究中使用或设计了多个直观有效的性能评估方法，如简易泄漏实验、储放热性能测试装置以及模拟路面温升的实验装置，这些方法简单实用，能很好地服务于研究目标。 3. 研究系统性强： 工作涵盖了从微观结构、化学特性到宏观热性能、长期可靠性，再到初步工程模拟的全链条研究，逻辑严谨，数据翔实，结论可信。 4. 应用导向明确： 研究始终围绕解决沥青路面实际工程问题展开，最终的调温模拟实验直接证明了材料的应用潜力，衔接了材料科学与道路工程。
六、 其他有价值内容 论文在最后对温度传感器的测量不确定度进行了详细评估，计算得出其合成不确定度小于0.2°C，体现了研究者在实验数据严谨性方面的重视。此外，研究团队获得了国家自然科学基金、湖南省教育厅优秀青年项目等多个项目的支持，显示了该研究方向受到的学术关注。论文中也明确了各位作者的分工，并声明无利益冲突，符合学术规范。