这份文档《相变材料改性沥青路面研究现状》(The State of the Art on Phase Change Material-Modified Asphalt Pavement)发表于*Sustainability*期刊2024年第16卷第8796期。作者为来自北京工业大学土木与交通工程学科（郭蒙、程晓军、魏思双、修翰博）以及甘肃省公路发展集团有限公司（宋尚霖）的研究团队。该论文是一篇系统性的综述文章，旨在全面梳理和分析相变材料(Phase Change Materials, PCMs)在沥青路面领域的研究进展、应用效果与未来方向，以推动道路工程的绿色可持续发展。
一、 论文核心议题：相变材料赋能沥青路面温度自调控
论文开宗明义地指出，传统沥青路面在建设和维护过程中消耗大量不可再生资源，并排放废气，对环境造成负面影响。沥青作为典型的温敏性材料，其路用性能严重受温度影响，高温易产生车辙，低温易引发开裂。因此，如何降低沥青路面对温度的敏感性，是提高其耐久性和可持续性的关键。相变材料作为一种环保材料，能够在特定温度范围内通过物理相变（如固-液相变）自发地吸收或释放大量潜热。将PCMs应用于沥青路面，理论上可以起到“削峰填谷”的作用：在环境温度升高时吸收热量，延缓路面升温；在环境温度降低时释放热量，减缓路面冷却，从而有效减轻高低温应力损伤，延长路面寿命，减少维护成本，实现节能减排的目标。本文正是围绕这一核心议题，对国内外相关研究进行了全面回顾与评述。
二、 相变材料的分类、复合技术与性能特点
论文的第二部分和第三部分系统阐述了PCMs的基础知识及其为适应工程应用所做的改性处理，这是理解其应用于沥青路面的前提。 首先，论文依据化学组成将PCMs分为有机、无机及复合相变材料三大类，并详细列举了各类的代表材料及其热物性参数（如相变温度、潜热值）。 * 有机PCMs：主要包括石蜡、脂肪酸、聚乙二醇(Polyethylene Glycol, PEG)和糖醇等。其优点是相变过程稳定、过冷度小、无腐蚀性、化学性质稳定。例如，石蜡具有相变区间广、稳定性好的特点；脂肪酸来源广泛、绿色环保；PEG可通过调节分子量获得不同相变温度的材料。文中提供了详尽的表格，列出了不同碳原子数烷烃、不同分子量PEG以及常见脂肪酸的相变温度和潜热值，为材料选择提供了数据参考。 * 无机PCMs：主要包括结晶水合盐、熔融盐、金属及合金。其优点是价格低廉、潜热值高、导热性能好、不易燃。但其主要缺点在于过冷现象严重、易发生相分离、对金属材料有腐蚀性。论文探讨了通过添加成核剂（如硼砂、碳、金属粉末）、采用微胶囊封装等方法来抑制过冷和相分离。 * 复合相变材料(Composite PCMs, CPCms)：针对单一PCMs（尤其是固-液相变材料）在实际应用中存在的泄漏、导热系数低、过冷等问题，研究者通过复合技术制备CPCMs。论文重点介绍了两种主流技术： 1. 复合定型技术：将PCMs（作为芯材）吸附或封装到多孔载体材料（作为支撑骨架）中，利用毛细管力或表面张力防止泄漏。常用的载体材料包括膨胀石墨(Expanded Graphite, EG)、二氧化硅(SiO2)、硅藻土、膨胀珍珠岩以及高密度聚乙烯等聚合物。例如，EG因其高孔隙率和优良导热性，是常用的高效载体，能显著提高复合材料的导热系数。 2. 微胶囊封装技术：将PCMs封装在微米或纳米尺度的聚合物外壳中，形成具有核壳结构的微胶囊。这种方法能完全隔绝PCMs与外界环境的接触，有效解决泄漏和腐蚀问题，并提高材料的机械强度和热稳定性。常用的封装方法包括原位聚合、界面聚合和相分离法等。例如，以三聚氰胺-甲醛树脂为壳、正十四烷为核的微胶囊已得到研究。
三、 相变材料对沥青及沥青混合料性能的影响
这是论文的核心内容，第四部分详细综述了PCMs/CPCMs对沥青胶结料和沥青混合料各项性能的改性效果，并辅以大量的实验数据和研究结论作为支撑。 * 对沥青胶结料性能的影响： * 储热性能：通过差示扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry, DSC)测试证实，掺入PCMs的改性沥青在特定温度区间会出现明显的吸热/放热峰，而基质沥青则没有，证明PCMs在沥青中发挥了相变储热作用。随着PCMs掺量的增加，相变潜热值增大，储热能力增强。例如，有研究测得石蜡/PMMA微胶囊CPCMs的潜热可达111 J/g。 * 热稳定性：傅里叶变换红外光谱(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR)分析表明，大多数PCMs与沥青之间主要是物理共混，未发生显著的化学反应，保持了材料的基本化学稳定性。少数情况（如纳米氧化铜）会与沥青发生化学作用，但可能起到重组化学键的正面效果。 * 温控性能：这是PCMs改性沥青最核心的功能。研究表明，PCMs改性沥青的升温和降温速率显著低于基质沥青。在相变温度区间（如40-50°C），升温速率放缓尤为明显，这是因为PCMs吸收相变潜热，延缓了温度上升。同时，PCMs的加入可以提高沥青的导热系数（可达0.29–0.39 W/m·K）和热扩散系数（可达0.2–0.3 mm²/s），有利于热量在路面结构内的均匀分布和快速响应。模拟与实际测试表明，掺加适量PCMs可使路面夏季最高温度降低高达9°C，延长高温持续时间，有效缓解车辙风险。 * 对沥青混合料路用性能的影响： * 高温抗车辙能力：当环境温度升高至PCMs相变温度时，其吸热过程能降低混合料内部温度，从而提高沥青胶结料的高温复数剪切模量(G)，降低相位角(δ)，进而提升车辙因子(G/sinδ)，增强混合料抵抗永久变形的能力。多项研究证实，掺加适量CPCMs可以降低车辙深度（有研究称一个月夏季可减少10%）。 * 低温抗裂性能：在低温环境下，PCMs凝固放热，可以减缓沥青混合料的冷却速率，提高其低温韧性。例如，掺加聚氨酯固-固相变材料(PUSSPCM)可使改性沥青试件的最大温差达到约9.0°C，改善了低温性能。但论文也指出，某些PCMs的加入可能对短期老化后的高温稳定性产生不利影响，需平衡利弊。 * 水稳定性与冻融稳定性：关于水损害抵抗能力的研究结论不完全一致。部分研究表明，PCMs的加入可能导致马歇尔稳定度和冻融劈裂强度比略有下降，这可能是由于PCMs影响了沥青与集料间的粘附性。因此，需要严格控制PCMs的掺量以满足规范要求（如我国规范要求残留稳定度不小于80%）。另一方面，也有研究指出，微胶囊化PCMs能改善路面的冻融循环抵抗能力，减少冻融破坏。
四、 相变材料改性沥青路面温度场的数值模拟研究
论文第五部分转向理论研究，综述了用于分析PCMs改性沥青路面温度场的数值模拟方法。由于实地监测成本高、周期长，且实验室环境无法完全模拟复杂多变的气候条件，数值模拟成为研究其温控机理和预测性能的重要手段。 论文首先介绍了相变传热的基本原理——史蒂芬问题(Stefan Problem)，并给出了相应的控制方程和边界条件。随后，回顾了研究路面温度场的三种主要方法：理论解析法、数理统计法和数值分析法（主要是有限元法）。论文指出，有限元法能够综合考虑路面结构参数、材料热物性以及复杂的气象边界条件（气温、太阳辐射、风速等），是当前研究PCMs改性路面温度场最有效和应用最广的方法。 已有研究表明，通过有限元模拟可以分析PCMs种类、掺量、以及在路面结构层中的铺设位置（如仅用于上面层，或铺设于下面层之上）对温控效果的影响。模拟结果与实验室测量结果吻合度较高（温差通常在0–2°C以内），验证了数值模型的可靠性。例如，有模拟研究发现，将PCMs以不超过60%的体积分数掺入上面层沥青混合料，能有效降低路表温度；而仅在下面层铺设PCMs层，则对上、中面层的温度影响不大。这为工程设计和优化提供了理论指导。
五、 结论与未来展望
在最后部分，论文总结了主要结论并提出了未来研究方向。 主要结论包括： 1. 材料选择：目前最常用的是固-液相变材料(S-LPCMs)，但其泄漏等问题需通过复合定型或微胶囊化技术解决。 2. 性能提升：CPCMs能有效提升沥青混合料的储放热能力，改善其高温稳定性和低温抗裂性，并提高沥青胶结料的导热与热扩散性能。 3. 温控因素：PCMs的性质、掺量及在路面结构中的位置对其温控效果有决定性影响。气候分区（如热带、寒带）也是选择相变温度合适的PCMs时必须考虑的因素。 4. 模拟验证：数值模拟是研究PCMs改性路面温度场的可靠工具，其结果与试验数据具有良好的一致性。
未来展望则指出了当前研究的不足和潜在突破点： 1. 制备工艺优化：需进一步优化CPCMs的制备工艺，以更好地解决长期使用中的性能衰减和泄漏问题，获得兼具优异温控效果和路用性能的改性材料。 2. 研发双相变材料：目前研究多集中于单一相变温度的PCMs。未来应加强对兼具高、低温双重调节功能的“双相变材料(Dual PCMs)”的研究，使其能在不同季节和昼夜循环中都发挥温控作用。 3. 多因素耦合研究：现有研究多聚焦于气象条件对路面温度场的影响。未来应综合考虑交通荷载、车辆速度等交通条件与气象条件的耦合作用，更真实地模拟路面实际工作状态下的温度场分布。
六、 论文的价值与意义
本综述论文系统性地整合了分散于大量文献中的研究成果，为学术界和工程界提供了一份关于PCMs改性沥青路面的“全景式”知识图谱。其价值主要体现在： 1. 学术指导价值：清晰梳理了PCMs的分类、复合技术、改性机理及性能影响，指出了当前研究的热点、共识与分歧，为后续研究者快速把握领域脉络、选择研究方向提供了重要参考。 2. 工程应用参考：通过汇总对比不同PCMs的改性效果（如降温幅度、对各项路用性能的影响数据），为道路工程师在材料选择、配比设计和性能预测方面提供了基于实证的决策依据。 3. 推动可持续发展：全文贯穿了绿色、环保、可持续的理念，明确指出PCMs技术是降低道路行业资源消耗、减少碳排放、缓解城市热岛效应、实现基础设施可持续发展的一条重要技术路径。 4. 展望未来方向：提出的未来研究展望具有前瞻性和针对性，有助于引导该领域研究向更深层次、更实用化的方向发展，促进实验室成果向实际工程的转化。
总而言之，这篇发表在*Sustainability*上的综述论文，不仅是对相变材料在沥青路面中应用研究现状的一次全面总结，更是对推动该技术走向成熟、助力绿色交通基础设施建设的一份有力倡议。