相变材料在沥青路面中缓解城市热岛效应的研究进展：文献计量分析与系统综述

作者及发表信息
本研究由Claver Pinheiro（葡萄牙米尼奥大学CF-UM-UP中心）领衔，联合巴西联邦Goiano教育科技学院、葡萄牙米尼奥大学土木工程系等9家机构的11位学者共同完成，发表于2023年9月的《Sensors》期刊（Volume 23, Issue 18），文章编号7741。论文采用开放获取形式发布，遵循CC BY 4.0许可协议。

研究背景与目标
城市热岛效应（Urban Heat Island, UHI）是城市化进程中因沥青路面等材料吸热蓄热导致的显著温升现象。传统沥青路面夏季表面温度可达60°C以上，不仅加剧能源消耗（发达国家8%电力用于空调降温），还引发路面车辙、开裂等问题。相变材料（Phase Change Materials, PCM）通过相变过程中的潜热吸收/释放调节温度，成为缓解UHI的新兴解决方案。本研究通过文献计量与系统综述双轨方法，旨在回答以下核心问题：
1. 适用于沥青路面的PCM类型及其热物性参数（熔点、熔融焓）
2. PCM防泄漏策略与沥青混合工艺
3. PCM对沥青机械性能的影响
4. 实际应用中的热调节效果

研究方法与流程
1. 文献计量分析
- 数据来源：基于Scopus数据库，以“phase change material” AND “asphalt/bitumen”为关键词检索2011-2022年文献，筛选100篇进行计量分析，使用VOSviewer软件构建合作网络与关键词共现图谱。
- 分析维度：年度发文趋势、高产机构/作者、国家合作网络、期刊分布。结果显示：2019-2022年发文量占总量80%，中国长安大学以56篇文献成为核心研究机构，Ma B.和Wei K.为最高产作者（20篇和14篇）。

1. 系统综述
   
   • 文献筛选：从100篇中精选45篇聚焦UHI缓解的文献，提取以下数据：
     
     • PCM特性：类型、粒径、熔点、熔融焓（表A1）
       
     • 防泄漏技术：封装（SiO₂、膨胀石墨）与多孔载体吸附（硅藻土）（表A2）
       
     • 混合工艺：干法（替代骨料）与湿法（与沥青结合料预混），PCM添加量2%-20%
       
     • 性能评估：热调节效果（红外热成像、动态热导率测试）与机械性能（轮辙试验、动态蠕变测试）
       

核心发现
1. PCM优选类型
- 聚乙二醇（PEG2000/PEG4000）因宽相变温度范围（50-60°C）和高熔融焓（135-180 J/g）成为主流选择。硬脂酸（熔点40-80°C，熔融焓159-221 J/g）适用于高温气候。
- 小粒径PCM（平均0.4 mm）提升热性能但增加泄漏风险，需通过SiO₂封装或硅藻土吸附解决（图9）。

1. 热调节效能

   • 含14% PCM的沥青路面可实现表面降温9°C（图11），夏季昼夜温差降低6-8°C。PEG4000因更高熔点（56°C）比PEG1000更适配高温路面。
     

2. 机械性能平衡

   • PCM添加可能导致动态稳定性下降，但通过优化粒径（ mm）和添加量（<15%）可使性能维持在规范内。固态-固态PCM（SS-PCM）因无泄漏风险展现出特殊优势（图10）。
     

研究价值与创新点
1. 学术价值
- 首次整合文献计量与系统综述方法，揭示PCM-沥青研究的时空演化规律，确立中国在该领域的主导地位。
- 提出PCM选型-封装-工艺-性能的完整技术链条，为后续研究提供标准化框架。

1. 应用价值
   
   • 量化PCM对路面温度的调节效果，证实其缓解UHI的可行性。
     
   • 提出干/湿法混合工艺的适用场景：湿法适合PEG类均质分散，干法利于多孔载体PCM的控量添加。
     

局限与展望
1. 现有研究缺乏PCM生命周期评估与再生材料应用探索；
2. 封装几何形状（球形vs非规则）对机械性能的影响尚未明确；
3. 需开发标准化的PCM泄漏测试方法。

亮点总结
- 方法创新：双轨分析模型兼顾宏观趋势与微观技术细节。
- 技术突破：首次系统比较PEG系列材料的相变适配性，提出“熔点-环境温度”匹配准则。
- 工程指导：明确14% PCM添加量为热-机械性能平衡的临界阈值。

（注：表A1-A3及图9-11为原文附录中的数据分析表格与示意图，此处未完整呈现具体数值。）