本研究的主要作者为He Lihong、Li Jingruo和Zhu Hongzhou，所属机构为重庆交通大学国家交通土木材料联合工程实验室。该研究发表于《Applied Mechanics and Materials》期刊，收录于Vols. 357-360卷，在线发表日期为2013年8月8日。

本研究的学术领域属于道路工程与材料科学，特别是功能性路面材料开发领域。研究的背景源于沥青路面面临的严峻温度相关病害问题。沥青路面虽然应用广泛，但其性能受温度影响极大。在夏季炎热地区，路面温度可高达60-65°C，远超沥青的软化点，极易产生车辙、推移等高温稳定性病害。同时，高温路面释放的大量热量会加剧城市热岛效应，并可能释放有毒挥发物污染环境。在冬季寒冷地区，路面则容易出现开裂和结冰，影响路面性能和行车安全。以往的研究和实践多采用改性沥青、添加纤维、优化集料级配、撒布融雪盐等被动措施来应对温度变化，但效果有限，温度病害依然严重。因此，探索一种能够主动调节和控制沥青路面温度的新技术措施迫在眉睫。相变材料（Phase Change Materials, PCM）作为一种能够在特定温度下发生相变并储存或释放大量潜热的物质，为这一难题提供了新的思路。PCM已成功应用于水泥混凝土、砂浆和涂料等领域，用于开发相变储能混凝土、相变储能围护结构等，但在沥青路面中的应用尚处于起步阶段。本研究正是在此背景下展开，旨在研究沥青与形状稳定相变材料（Shape-stabilized Phase Change Materials, SSPCM）共混物的储热性能、热稳定性和化学相容性，并从理论上分析SSPCM应用于沥青路面的可行性，以期改善沥青路面的服役条件。

研究的详细工作流程主要包括以下几个步骤： 第一步：材料制备。 研究选用聚乙二醇2000（PEG2000）作为潜热储存材料（相变物质），二氧化硅溶胶作为支撑基质，SK70#沥青作为基体材料。首先，采用溶胶-凝胶法，制备了PEG质量分数分别为50%、60%、70%和80%的聚乙二醇/二氧化硅（PEG/SiO2）SSPCM。该方法的特殊性在于，通过二氧化硅凝胶独特的网络孔隙结构和高表面亲和力，将熔融的PEG浸渍并捕获在其孔隙中，形成一种“墙-核”结构，二氧化硅作为“墙”将PEG“核”包裹并固定，从而防止PEG在相变熔融时泄漏，实现了形状的稳定性。随后，将熔融的沥青（质量分数为5%）与制得的SSPCM（质量分数为100%）通过物理共混方法制备成沥青-SSPCM共混物。这一物理共混过程使得SSPCM颗粒表面均匀覆盖一层沥青薄膜。

第二步：材料表征与性能测试。 本研究使用综合热分析仪（DSC/TG，德国耐驰公司STA 449C型号）和傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR，美国PerkinElmer公司PE 100型号）对制备的共混物进行系统表征。 1. 热性能分析： 在氮气保护下，以10°C/min的升温速率将样品从20°C加热至200°C，进行差示扫描量热（DSC）和热重（TG）分析。DSC用于测定共混物的相变温度（起始温度Ton、峰值温度Tp、结束温度Tend）和相变焓值（ΔHm），这些是评价其储热能力和温度调控潜力的核心参数。同时，利用公式Δh = w_peg * Δh_peg计算理论相变焓值（Δh），并计算焓值损失率（Δh_loss）。TG分析则用于评估共混物在高温下的质量损失情况，以考察其热稳定性，这对于判断材料能否耐受沥青混合料拌和与摊铺的高温环境至关重要。 2. 热稳定性验证实验： 除了TG分析，研究还将共混物置于200°C烘箱中加热60分钟，通过观察加热前后共混物的外观形态（是否保持颗粒状、有无PEG渗漏）来直观验证其形状稳定性和耐高温性能。 3. 化学相容性分析： 使用FT-IR光谱仪，采用KBr压片法，分别测试二氧化硅凝胶、沥青、PEG以及不同配比的沥青-SSPCM共混物的红外光谱。通过对比分析谱图中特征吸收峰的位置、强度和是否出现新峰，来判断SSPCM与沥青之间是单纯的物理作用还是发生了化学反应，这对于评估共混物的长期稳定性和耐久性非常重要。

第三步：理论与应用前景分析。 在获得实验数据的基础上，研究进行了理论分析和数值计算，以论证SSPCM应用于沥青路面的工程可行性。研究首先阐述了基于相变原理的“削峰填谷”温度调控机理。随后，假设沥青混合料储能方式为显热储能，利用公式 ΔQ = C * ΔT = m * c * ΔT（其中C为热容量，c为比热容）进行估算。给定路面面层厚度（4cm）、密度中值（2300 kg/m³）和沥青混合料比热容（967 J/kg·K），计算出每平方米沥青路面温度每升高1°C需要吸收8.894 kJ热量。接着，将实验测得的最佳相变焓值（117.5 J/g）代入计算，得出为使路面温度改变1°C，每平方米沥青混合料中需要掺入约760g SSPCM，其质量百分比约为0.83%。基于此，研究提出可以根据不同地区的气候条件设定SSPCM的掺量。最后，研究从延长路面使用寿命、降低养护成本、提高行车安全、节约能源和环境保护等方面，展望了SSPCM在沥青路面中的广阔应用前景。

本研究的主要结果如下： 热性能测试结果： DSC数据显示，沥青-SSPCM共混物的起始相变温度约为44°C，并随着PEG含量的增加略有上升（从44.2°C升至44.7°C）。这归因于PEG较低的导热性。相变焓值在38.2 J/g至117.5 J/g之间，随着PEG含量的增加而显著提高，证实了其良好的储热能力。然而，所有共混物的实测焓值均低于理论计算值，尤其是在PEG含量较低时，焓值损失率（Δh_loss）高达57.3%。这表明作为支撑基质的二氧化硅和表面包裹的沥青虽然不参与储热，但作为杂质存在，会限制PEG长链分子的自由运动和晶格有序排列，导致晶体缺陷增多、结晶度下降，从而使得实际可利用的相变焓降低。这一结果为后续优化SSPCM结构、减少“杂质”影响以提高能量利用率提供了实验依据。峰值温度和结束温度也随PEG含量增加而升高，说明相变过程受PEG主导。

热稳定性测试结果： TG分析显示，共混物在20-200°C范围内的质量损失率极低（0.03%~0.17%），主要是沥青中少量轻质组分的挥发。更重要的是，在200°C烘箱中加热60分钟后，共混物颗粒依然保持稳定的形状，未见PEG熔融渗出。照片对比清晰地展示了加热前后共混物均为细小颗粒，分散性良好。这一结果直接验证了“墙-核”结构（二氧化硅凝胶的毛细管力和表面张力约束，加上外部沥青涂层的双重防护）赋予了SSPCM优异的热稳定性和形状稳定性。这意味着SSPCM可以直接掺入高温的沥青混合料中而不会发生泄漏或破坏，满足了实际工程应用的基本要求。

化学相容性分析结果： FT-IR光谱图显示，沥青-SSPCM共混物的谱图是其各组分（二氧化硅、沥青、PEG）特征吸收峰的叠加。例如，3426.87 cm⁻¹处的峰归属于Si-OH和C-OH的-OH伸缩振动，与纯组分相比向低波数方向发生了微小偏移，这被归因于Si-OH与C-OH之间的分子间氢键相互作用。在2891.58 cm⁻¹、1467.8 cm⁻¹、1343.8 cm⁻¹和1110.97 cm⁻¹处观察到的C-H伸缩振动、C-H弯曲振动以及C-O-C不对称和对称伸缩振动峰，均来源于PEG。重要的是，谱图中未出现任何明显的新吸收峰。这表明在沥青与SSPCM的共混物中，各组分之间仅存在物理相互作用（如物理包裹、吸附、氢键等），而没有发生化学反应，因此具有良好的化学相容性。这一结果为共混物在路面环境中长期性能的稳定性提供了化学层面的支撑。

理论与计算结果： 基于实验获得的相变焓值（117.5 J/g）进行的简化理论计算表明，通过在沥青混合料中掺入约0.83%质量的SSPCM，可以理论上实现路面温度变化1°C的能量调控。这为后续的工程应用设计和掺量优化提供了初步的定量参考。同时，理论分析清晰地阐述了SSPCM在夏季通过吸收相变潜热降低路面峰值温度（“削峰”），在冬季通过释放潜热延缓路面降温、抑制结冰（“填谷”）的主动温控机理，并预测其可以减少路面温度波动幅度，使路面温度在更长时间内保持在适宜的性能范围内。

本研究得出的结论是：1）所制备的沥青-SSPCM共混物具有适宜的相变温度（约44°C）和较高的相变焓值（最高达117.5 J/g），随着PEG含量增加，两者均呈上升趋势。共混物在高温下（200°C）质量损失极低，能保持优异的形状稳定性和颗粒分散性，且各组分间仅为物理作用，化学相容性好。2）理论分析和数值计算表明，将SSPCM应用于沥青路面，能够实现太阳能转换或储存，从而主动调控路面温度。这可以有效缓解高温下的热稳定性病害，并延缓低温下的结冰，是一种更为有效地主动缓解沥青路面温度病害的途径。3）尽管PCM在其他领域已有广泛应用，但在沥青路面领域仍处于探索研究阶段。开展SSPCM在沥青路面中的应用研发是一项极具价值的工作，SSPCM在沥青路面工程中具有广阔的应用前景。

本研究的意义与价值主要体现在：在科学价值层面，它将相变储能这一物理概念与道路工程材料相结合，探索了新型功能性路面材料的制备、表征与作用机理，为道路材料的学科交叉研究提供了范例。在应用价值层面，为解决长期困扰道路工程界的沥青路面温度病害问题提供了一种全新的、主动的“智能”调控思路和技术方案，有望从根本上改善路面服役性能，延长使用寿命，降低全生命周期的养护成本，并带来提高行车安全、缓解热岛效应、节约能源和环境保护等多重社会与环境效益。

本研究的亮点在于：1）研究目标新颖： 率先系统地探索将形状稳定相变材料（SSPCM）应用于沥青路面以实现主动温控，选题具有前瞻性和创新性。2）研究方法系统： 研究采用了“材料制备-性能表征-理论分析”的完整闭环，从微观化学相容性（FT-IR）到宏观热物理性能（DSC/TG），再到工程可行性理论计算，论证过程严谨、层次清晰。3）材料设计巧妙： 采用溶胶-凝胶法制备“墙-核”结构的SSPCM，并结合沥青表面涂层，巧妙地解决了固-液相变材料在路面应用中易泄漏的行业难题，确保了材料的工程适用性。4）结果支撑有力： 实验数据详实，不仅展示了材料的优良性能，还深入分析了性能变化的内部原因（如焓值损失与结晶缺陷的关系），并为工程应用提供了初步的量化设计依据（掺量计算）。此外，研究也承认了当前PCM在沥青路面中应用仍处于探索阶段，指出了未来需要深入研究的方向（如长期路用性能、规模化生产工艺、成本效益分析等），体现了研究的客观性和科学性。