本文由Biao Ma（马彪）、Shasha Wang（王莎莎）和Jun Li（李军）三位作者共同完成，他们均来自长安大学交通部特殊地区公路工程重点实验室。这项研究发表在《Advanced Materials Research》期刊的第168-170卷（2011年）上，论文标题为“Study on application of PCM in asphalt mixture”。

本研究聚焦于道路工程与建筑材料交叉领域，具体探索将相变材料应用于沥青混合料这一创新技术。其学术背景源于沥青路面长期面临的关键技术难题：高温车辙与低温开裂等温度依赖性病害。虽然国内外已采取诸如使用改性沥青、掺加纤维、优化矿料级配等被动措施来应对，但在全球气候变暖、交通量及轴载日益增长的背景下，迫切需要从新的视角探索提升沥青路面环境适应性的技术措施。相变材料因其相变潜热特性，能够吸收或释放大量热量，在建筑节能、纺织品、热能储存等领域已有成功应用，这为将其引入沥青路面以主动调控温度提供了理论可能。本研究的目的正在于此：系统研究PCM在沥青混合料中的应用，评估其对沥青混合料工作温度的调控效果，并分析掺加PCM后对混合料路用性能的影响，从而为该技术的实际应用提供理论依据和实验支撑。

本研究的工作流程严谨而系统，主要包括以下几个关键步骤：

第一步是相变材料的选择。考虑到沥青混合料的施工特性和技术要求，研究制定了用于沥青混合料的PCM应具备的技术标准，包括足够的调温能力、适宜的相变温度（需与沥青路面工作温度范围匹配）、相变过程完全可逆、高温下稳定、无毒、低成本等。基于这些标准，研究团队选定了一种由北京勤天科技发展有限公司生产的有机固-液相变材料。其主要成分为不饱和酸、υ-亚麻酸、β-亚麻酸，呈浅白色，结构稳定，无毒无腐蚀性，相变温度范围为8℃～25℃。

第二步是复合相变材料的制备。初步研究发现，直接将PCM掺入沥青胶浆存在泄漏问题。为了解决这一关键障碍，研究团队决定制备复合相变材料。在比较了微胶囊法、大比表面积微孔吸附法和高分子交联法等三种主流复合方法后，本研究选择采用多孔材料吸附法来制备复合PCM，即将PCM吸附到多孔载体中，形成一种在相变过程中仍能保持固体形态的定型材料。在选择载体基质时，考虑了其物理化学性质、强度、热稳定性、相容性及成本等因素。研究团队对硅粉、漂珠和活性炭三种多孔材料进行了对比研究。扫描电镜分析表明，硅粉具有不规则的颗粒形态和部分明显的多孔结构，化学稳定性好；漂珠虽为空心球体且表面有微孔，但部分颗粒壁薄易损，吸附PCM时可能泄漏；活性炭虽然吸附能力强，但其开孔结构同样容易导致PCM泄漏。综合比较后，硅粉被选为理想的载体基质。

第三步是温控性能试验。为评估复合PCM的实际调温效果，研究设计了模拟极端环境温度条件的实验。制备了掺加PCM（以占沥青质量20%的比例添加含SiO2载体的PCM ZT2）和不掺PCM的两组沥青混合料试件，厚度为5cm。在加热过程中，将试件置于60℃恒温烘箱中，持续监测试件中心温度。实验数据显示，掺加PCM的试件与不掺PCM的试件温度变化趋势基本一致，都是先快速上升后逐渐趋于稳定。然而，深入分析揭示了PCM的作用：在初始阶段，两者都以显热储热和热传导为主，温差较小。随着温度升高，当达到PCM的相变温度范围（8-25℃）时，PCM开始发生固-液相变，大量吸收热量（潜热储存），导致掺PCM试件的升温速率明显放缓，与对照试件的温差显著拉大（如图2所示，最大温差可达19.7℃）。当PCM完全熔化后，温差逐渐减小并最终稳定。这表明PCM能有效减缓混合料的升温过程，延迟高温极值的出现，并缩短高温持续时间。在随后的冷却过程中，掺PCM试件的温度始终高于对照试件，冷却速率降低，极端低温的出现时间也被延迟。这表明PCM能够通过吸热和放热循环，动态调控沥青混合料在环境温度变化下的温度，赋予沥青路面一定的自调温能力。

第四步是路用性能分析。在确认PCM的调温潜力后，研究必须评估其对沥青混合料核心工程性能的影响。这是该技术能否走向应用的前提。为此，研究团队对掺有不同剂量PCM（0%、5%、10%、20%，以占沥青质量计）的自调温沥青混合料进行了全面的路用性能测试，包括高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性。

高温稳定性方面，通过马歇尔稳定度试验（45℃和60℃）和60℃条件下的车辙试验进行评价。试验结果（图3、图4）显示：随着PCM掺量的增加，S-TAM的马歇尔稳定度和动态稳定度均呈现下降趋势，意味着高温稳定性有所降低。值得注意的是，在60℃下的马歇尔稳定度低于45℃，说明测试温度对结果影响显著。此外，当PCM掺量超过10%时，其对高温稳定性的负面影响趋于稳定。

低温抗裂性方面，采用低温弯曲试验进行评价。结果（图5、图6）显示一个有趣的现象：当PCM掺量为5%时，S-TAM的弯拉强度和弯拉应变达到最大值，甚至优于普通沥青混合料。这表明适量的PCM可以改善混合料的低温抗裂性能。然而，当PCM掺量超过10%时，弯拉强度和弯拉应变反而低于普通混合料。这说明存在一个最优掺量，过量掺加会对低温性能产生不利影响。

水稳定性方面，通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验进行评价。结果（图7、图8）出现了不一致的情况：随着PCM掺量增加，浸水残留稳定度逐渐提高，而冻融劈裂强度比却不断下降。研究人员对此进行了分析解释：他们认为所选PCM呈弱碱性，这可能改善了沥青与石料间的粘附性，从而提高了浸水残留稳定度。但同时，研究中使用的有机相变材料成分之一是不饱和酸，在冻融循环过程中，部分液态PCM可能从载体中泄漏，这会降低沥青胶浆的粘附力，从而导致混合料的内聚力和抗冻融能力下降，表现为冻融劈裂强度比降低。

本研究的核心结论具有明确的科学意义和应用价值。首先，研究证实了将PCM应用于调控沥青混合料工作温度是可行的，这为解决全球性的沥青路面温度病害（如车辙、开裂）提供了新思路，应用前景广阔，对提高路面使用性能、延长使用寿命、保障行车安全和环境保护均具有重要意义。其次，模拟试验证明，带有载体的复合PCM利用其相变潜热特性，确实能够调控沥青混合料的温度变化，降低升温和降温速率，延迟高低温度极值的出现时间，从而减缓环境温度波动对路面工作温度的负面影响。再者，研究揭示了PCM在发挥温控作用的同时，对沥青混合料的路用性能存在复杂影响，存在最佳掺量区间（例如5%对低温性能有益），这为后续的工程应用提供了关键的掺量控制依据。最后，文章指出，材料领域的持续发展为复合PCM的选择、工艺优化及相变含量的确定提供了良好机遇，开发高性能相变复合材料将是沥青混合料相变调温研究的主要方向之一。

本研究的亮点在于：第一，研究选题具有前瞻性和创新性，首次系统性地将相变材料温控理念引入沥青路面工程领域，并进行了从材料选择、复合制备到性能验证的全链条实验研究。第二，研究方法科学严谨，不仅通过模拟试验验证了温控效果，更重要的是，将研究重点延伸至工程应用所必须的路用性能评估，发现了PCM掺量对高温、低温及水稳定性的不同影响规律，特别是存在最优掺量的现象，这为实际应用提供了至关重要的科学指导。第三，创造性地采用多孔硅粉作为PCM载体，解决了PCM在沥青中泄漏的关键技术难题，制备出定型复合相变材料，这一材料制备思路具有借鉴价值。第四，研究结果客观全面，不仅展示了PCM的积极作用，也如实报告了其对高温稳定性的负面影响以及水稳定性评价中的矛盾结果，并尝试进行了机理分析，体现了科学研究的严谨态度。

此外，论文的致谢部分提到，研究得到了西部交通建设科技项目（200831822161）以及北京勤天科技发展有限公司的支持与合作，这显示了该研究从基础探索走向产学研结合的潜力。参考文献也涵盖了国内外在PCM基础研究和应用研究方面的代表性成果，为本研究的开展奠定了坚实的理论基础。