本研究论文由张德润、Bello Muhammad Sani、徐沛欣、刘凯和顾凡共同完成。作者分别来自长沙理工大学公路养护技术国家工程研究中心、华中科技大学土木与水利工程学院以及合肥工业大学汽车与交通工程学院。该研究以论文形式发表于《Construction and Building Materials》期刊第388卷（2023年），论文在线发表日期为2023年5月17日，论文标题为“用于冷却钢渣沥青路面的导热增强剂负载二元共晶相变材料的制备与表征”。
这项研究属于土木工程材料领域，具体聚焦于功能性沥青路面技术，旨在解决城市热岛效应和沥青路面高温车辙病害问题。其学术背景基于一个普遍认知：传统的黑色沥青路面在炎热季节会吸收并积聚大量太阳辐射能，导致路面温度急剧升高，有时甚至超过70°C。这引发了一系列负面影响，包括加剧城市热岛效应、导致路面车辙变形等永久性损坏，并加速沥青结合料的热老化。为了降低路面温度，以往研究开发了多种冷却路面技术，如反射路面、蒸发路面和热能存储路面。其中，相变材料（Phase Change Material, PCM） incorporated pavement（掺入相变材料的道路）因其成本较低、能量转换效率高、可重复使用且不影响路面结构完整性而显示出优势。PCM通过在特定温度下发生固-液相变，吸收或释放大量潜热，从而主动调节路面温度。然而，现有研究大多使用单一纯PCM，存在相变温度与路面车辙敏感温度（通常高于50°C）不匹配、相变焓较低等问题。更为关键的是，大多数PCM本身导热系数较低，这会严重削弱其在沥青路面中的传热效率，从而降低其降温性能。此外，复杂的PCM封装技术也增加了成本。基于以上背景，本研究的目标是开发一种新型的、掺有PCM的冷却沥青路面。这种路面由脂肪酸二元共晶混合物PCM（棕榈酸和硬脂酸）、载体材料（废弃钢渣骨料）和导热增强剂（Thermal Conductivity Enhancer, TCE，纳米氧化铝）组成。研究旨在通过二元共晶系统筛选出相变温度和焓值最优的PCM复合物，利用多孔钢渣作为载体简化封装过程，并引入TCE以克服PCM低导热性的缺点，最终评估该复合材料的降温和抗车辙性能。
研究的详细工作流程系统地分为以下几个主要步骤：材料设计与筛选、复合材料制备、混合料设计、性能测试与评估。 首先，在材料设计与筛选阶段，研究选择了四种脂肪酸（月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸）来配制六种不同的二元共晶PCM复合物。核心方法是基于Schröder方程建立二元共晶系统，从理论上计算各复合物的共晶质量比、共晶点（相变温度）和相变焓。计算结果表明，棕榈酸-硬脂酸（PA-SA）复合物以61:39的质量比混合时，其理论相变温度为53.2°C，理论相变焓为178.80 J/g，在匹配路面降温需求（相变温度适宜）和储能能力（相变焓最高）方面表现最优。为了验证理论计算的合理性，研究团队在实验室按照该配比实际制备了PA-SA共晶PCM，并采用差示扫描量热仪（DSC 2500）进行测试。DSC测试结果显示，其实际相变温度为54.8°C，实际相变焓为223.6 J/g，证实了理论预测的有效性，特别是相变温度的预测准确度高达95%。
其次，在复合材料制备阶段，研究采用了多步骤工艺来制备复合相变钢渣骨料（Composite Phase Change Steel Slag Aggregate, CPC-SSA）和掺有TCE的CPC-SSA沥青混合料。CPC-SSA的制备过程包括：1) 对粒径为2.36-16 mm的废弃钢渣进行预处理（振动筛分、水洗、烘干）；2) 将预处理后的钢渣浸入160°C的PA-SA共晶PCM熔融液中12小时，使其充分吸附PCM，平均吸附质量分数为16.8%；3) 使用水泥砂浆（水灰比0.42）对吸附了PCM的钢渣进行包覆，以防止PCM泄漏，并在25°C下养护14天，最终形成稳定的CPC-SSA。在沥青混合料设计方面，研究采用了SMA-13级配，因其粗骨料比例高（约80%），有利于最大化CPC-SSA的用量。研究共设计了五组沥青混合料进行对比：对照组1（CG-1，纯钢渣沥青混合料）、对照组2（CG-2，CPC-SSA沥青混合料，即用CPC-SSA替代全部粗钢渣），以及三个实验组，分别用三种不同的TCE（石墨粉、铜粉、纳米Al2O3）等量替代石灰石矿物填料，得到EG-1（石墨粉）、EG-2（铜粉）和EG-3（纳米Al2O3）。所有混合料均按照规范JTG E20-2011 T0702进行制备和马歇尔成型。
第三，在性能测试与评估阶段，研究进行了一系列严格的实验来全面评价所开发材料的性能。测试主要包括四个方面：1) 导热系数测试：使用TPS2500S热常数分析仪，通过将探头夹在两个切割开的马歇尔试件中间，测量十次取平均值，评估各组混合料的导热性能。2) 降温性能测试：在实验室条件下，将各组马歇尔试件置于从22°C升温至65°C的烘箱中，使用温度监测仪连续测量试件表面温度变化，评估其降温幅度和降温起始时间。3) 热循环耐久性测试：为了评估PCM复合材料在长期使用中的稳定性，对CG-1、CG-2和EG-3（筛选出的最佳TCE组）三组试件进行了28次高低温循环处理（65°C加热12小时，随后室温冷却12小时为一个循环）。循环处理后，在室外实际光照条件下进行现场降温性能测试，比较处理前后降温曲线的变化。4) 抗车辙性能测试：采用流动数（Flow Number）试验，在60°C条件下对CG-1、CG-2和EG-3三组试件施加600 kPa的间歇性压缩荷载（0.1秒加载，0.9秒卸载），直至累积永久应变达到50,000微应变或荷载循环达到10,000次。流动数值越高，表明混合料抗永久变形（即抗车辙）能力越强。数据分析方面，除了直接比较测量数据（如温度值、导热系数、流动数），还通过绘制温度-时间演变曲线，直观展示不同混合料的降温效果差异和分离点。
研究取得了一系列明确且相互印证的结果，这些结果环环相扣，共同指向了最终结论。在导热性能方面，测试结果显示，纯钢渣混合料（CG-1）的导热系数最高，为1.3526 W/(m·K)。掺入PCM后（CG-2），由于PCM的低导热性，混合料导热系数显著下降至0.8602 W/(m·K)。然而，引入三种TCE后，导热系数得到不同程度的提升：EG-1（石墨粉）升至1.109 W/(m·K)，EG-2（铜粉）升至0.9150 W/(m·K），而EG-3（纳米Al2O3）提升最为显著，达到1.2958 W/(m·K)，最接近纯钢渣混合料的水平。这一结果直接为后续筛选最佳TCE（纳米Al2O3）提供了关键依据。
在降温性能方面，实验室测试结果清晰地展示了PCM和TCE的协同作用。与CG-1相比，仅掺PCM的CG-2组在测试开始后约20分钟时表面温度曲线开始分离，其最大降温幅度为2.7°C。而掺有TCE的三个实验组（EG-1， EG-2， EG-3）的温度分离时间提前至约19分钟，且在整个升温过程中，它们的温度曲线始终低于CG-1和CG-2。其中，EG-3（纳米Al2O3）表现最佳，最大降温幅度高达5.3°C，显著优于其他组。这证明了纳米Al2O3能有效补偿PCM的低导热性，加速相变过程中的热量传递，从而更早启动降温并达到更好的降温效果。这一结果不仅验证了TCE的有效性，也直接将EG-3确定为后续耐久性和力学性能测试的重点对象。
热循环耐久性测试的结果至关重要，它关系到该技术的实际应用可行性。现场测试表明，在进行28次高温循环处理前后，CG-2和EG-3的降温曲线没有发生显著变化。与CG-1相比，未经处理的CG-2和EG-3最大降温幅度分别为5.5°C和7.7°C；循环处理后，它们仍能分别保持约5.5°C和7.5°C的有效降温。这一结果证实了基于钢渣载体和水泥砂浆包覆的PCM复合材料具有良好的热稳定性，能够经受住实际路面环境中的反复温度变化，满足了长期使用的耐久性要求。
最后，流动数试验从力学角度验证了该冷却路面的工程价值。试验结果显示，CG-1（纯钢渣）的流动数为2715，CG-2（掺PCM）提高至2982，而EG-3（掺PCM和纳米Al2O3）进一步提高到3549。这意味着，与基准组（CG-1）相比，EG-3的抗车辙能力提升了约31%。其机理在于，当测试温度（60°C）高于PCM的相变温度（54.8°C）时，PCM发生相变吸收热量，实际上降低了试件内部的温度，使得沥青混合料在相对较低的温度下工作，从而表现出更高的劲度和更好的抗变形能力。纳米Al2O3的加入进一步优化了热传递，使PCM的降温潜力得到更充分发挥。该结果直接将材料的热学性能提升与路面最关键的高温性能——抗车辙能力——建立了定量联系。
本研究得出以下主要结论：1) 成功通过二元共晶系统理论筛选并实验验证了PA-SA（61:39）作为适用于沥青路面降温的PCM复合物，其相变温度为54.8°C，相变焓为223.6 J/g。2) 纳米Al2O3在三种测试的TCE中表现最佳，能最有效地提升PCM复合沥青混合料的导热系数（从0.8602 W/(m·K)提升至1.2958 W/(m·K)）。3) 实验室和现场测试表明，掺有纳米Al2O3的CPC-SSA沥青混合料（EG-3）具有最佳的降温性能，最大降温幅度可达5.3°C（实验室）和7.7°C（现场），并能有效延长降温时间。4) 该复合材料体系经过28次热循环后仍能保持稳定的降温性能，表现出良好的热耐久性。5) 流动数试验证明，该复合材料能显著提高沥青混合料的抗高温车辙能力，EG-3的流动数比基准组提高了31%。
本研究的科学价值在于，它提出并验证了一种集成了二元共晶PCM优化设计、固体废弃物（钢渣）资源化利用以及纳米材料导热增强的协同解决方案，系统性地解决了PCM在路面应用中相变温度不匹配、封装复杂、导热性差等关键瓶颈问题。其应用价值显著：为缓解城市热岛效应和减少沥青路面高温病害提供了一种高效、耐久且可能具有成本效益的新技术途径，同时促进了钢渣固废的可持续利用。该研究的重要观点是，通过合理的材料复合与设计，可以充分发挥PCM的相变储能潜力，并将其有效转化为提升路面工程性能的驱动力。
本研究的亮点突出体现在以下几个方面：首先，在方法上创新性地将二元共晶系统理论计算用于路面用PCM的快速筛选，减少了实验试错成本，并获得了相变特性与路面需求高度匹配的PCM复合物。其次，在研究思路上具有显著的系统性和闭环验证特点：从材料设计（PCM筛选）、复合材料构建（CPC-SSA制备）、功能优化（TCE引入）到最终性能评估（热学、耐久性、力学），形成了一个完整的技术研发链条，且各环节结果相互支撑。第三，研究对象的特殊性在于巧妙地将多孔钢渣这一工业固废“变废为宝”，既作为PCM的优良载体简化了封装，又作为骨料应用于路面，实现了环保与功能的双重效益。第四，重要的研究发现包括：纳米Al2O3在提升PCM复合沥青混合料导热性和综合降温-抗车辙性能方面表现卓越；所开发的CPC-SSA复合材料体系展现了优异的热耐久性；研究定量揭示了材料导热性提升与降温性能、抗车辙性能改善之间的正相关关系。
此外，论文中提及的PCM比热容测试结果也提供了有价值的见解：PA-SA复合物在相变温度附近比热容急剧升高，这虽然不利于热传导，但也从反面强调了引入高导热TCE的必要性，进一步佐证了研究的出发点。作者在文末也指出，受篇幅所限，本研究主要关注了材料的热学和高温抗车辙性能，未来需要对这种新型沥青路面的其他综合路用性能（如低温性能、水稳定性、疲劳开裂抵抗能力等）以及经济与环境效益进行更全面的评估，这为该技术的后续深入研究和实际工程应用指明了方向。