相变材料在沥青路面中的应用研究综述报告

本文基于李梦琪发表于《科技创新与应用》（Technology Innovation and Application）2023年第8期的文章《相变材料在沥青路面中的应用研究》，旨在向中文读者全面介绍该领域的研究现状、关键技术与发展方向。作者单位为辽宁省交通规划设计院有限责任公司。

论文主题与背景 本文是一篇关于相变材料（Phase Change Material, PCM）在道路工程领域应用的综述性论文。文章的核心主题是探讨如何利用相变材料的储热与调温特性，来“主动”应对沥青路面因温度敏感性而产生的早期病害问题，从而延长路面使用寿命。作者指出，沥青是一种温度敏感性的粘弹性材料，其混合料性能随季节变化显著，冬季变硬易开裂，夏季变软易产生车辙，这是导致沥青路面早期损坏的主要原因。传统方法（如改进沥青性能、添加纤维、优化级配）属于“被动”应对，效果有限。因此，近年来研究者们开始关注能够通过相变过程吸收或释放潜热、主动调节路面温度场的相变材料，将其视为一种具有潜力的解决方案。

文章主要观点阐述

观点一：相变材料具有通过相变潜热调节温度的基本原理与多样化的分类体系，其选择需满足道路工程的特定技术要求。 作者首先对相变材料进行了概述。相变材料是一种利用物质相态转变（如固-液转变）过程中吸收或释放大量潜热来进行热能储存与管理的材料。在相变过程中，材料温度保持相对恒定，从而实现热能的“储存”与“释放”。文章从三个维度对相变材料进行了系统分类： 1. 按化学特性：分为有机类（如脂肪酸、烷烃）、无机类（如结晶水合盐、金属合金）和复合类（有机/有机、有机/无机、无机/无机复合）。 2. 按相态转变形式：分为固-固、固-液、液-气和固-气四类。 3. 按相变温度范围：分为低温（<100℃）、中温（100-250℃）和高温（>250℃）相变材料。 针对沥青路面应用，作者特别比较了各类材料的适用性：有机类相变材料因其性能稳定、腐蚀性小、且相变温度与路面使用温度接近，被认为与沥青相容性较好，影响较小；无机类材料虽成本低，但存在稳定性差、腐蚀性强、相变温度高等缺点，不适合用于沥青路面；复合类相变材料通过将相变物质与载体结合，改善了泄露和导热性问题，扩展了应用范围，被认为更适合在沥青混合料中应用。 此外，文章明确提出了用于沥青路面的相变材料必须满足的五项关键技术要求：相变温度需匹配路面使用温度范围；具有高相变潜热、高导热系数、高密度和高比热容，以确保调温及时有效；具有良好的化学与物理稳定性，能在路面环境中长期存续；无毒、无腐蚀性、安全性好，且与沥青材料相容；相变可逆性好，体积变化小，过冷或过热现象少。这些要求为相变材料在道路工程中的应用筛选提供了明确标准。

观点二：复合类相变材料的封装技术是确保其性能稳定、防止泄露的关键，主要方法包括物理混合法、化学合成法和微胶囊法。 由于直接使用相变材料（尤其是固-液类）易发生泄露，影响路面性能，因此封装技术至关重要。文章详细阐述了复合类相变材料的三种主要封装方法： 1. 物理混合法：包括多孔吸附法、直接混合法和熔融共混法。其中，多孔吸附法最为常用，利用硅藻土、高岭土等多孔材料的孔隙结构吸附相变材料。但文章也指出，该方法存在多孔材料尺寸与泄露风险相互制约的难题。 2. 化学合成法：通过化学共聚、交联等方法将相变材料封装进高分子载体。该方法主要适用于特定相态的相变材料，在沥青路面中应用相对较少。 3. 微胶囊法：将相变材料包裹在微米或纳米级的高分子胶囊壳内，能有效防止泄露。此法又可细分为物理法（如喷雾干燥）、化学法（如原位聚合、界面聚合）和物理化学法（如复相乳液法）。微胶囊法是当前研究的热点，能较好地平衡封装效果与材料性能。

观点三：现有研究表明，掺入相变材料能有效改善沥青路面的高温性能，表现出显著的降温与抗车辙效果。 文章通过梳理大量国内外研究，论证了相变材料在提升沥青路面高温稳定性方面的积极作用。多个研究团队通过不同方法验证了其降温功效： * 丁庆军等的研究表明，将聚乙二醇（PEG）相变材料掺入沥青，虽然可能略微增加沥青黏度、降低延度，但制备的AC-20沥青混合料在室外条件下高温稳定性得到提高。 * Chen等选用相变温度为40-50℃的石蜡/膨胀石墨复合相变材料，证实了其在沥青混凝土中具有降温防车辙的功效。 * 曹长斌等的研究发现，当PEG掺量为15%和20%时，沥青路面可分别降温1.3℃和1.4℃。 * 程耀飞等制备的聚乙二醇/多孔火山岩相变材料，用于冷拌沥青混合料可使路面温度降低约3.6℃。 * 何丽红等采用石蜡/膨胀石墨复合相变材料，在冷拌沥青混合料中实现了最大5.2℃的降温幅度。 * 沙爱民等研制了掺入氧化石墨烯的聚氨酯固-固相变材料，在保持储热密度的同时提升了导热能力，增强了主动降温的感知与响应速度。 * 王慧茹的研究数据（表1）直接显示，随着聚乙二醇/硅藻土复合相变材料掺量的增加，沥青混合料的动稳定度（评价高温抗车辙能力的关键指标）从3083次/mm显著提升至3706次/mm，定量证明了其改善高温性能的效果。 这些研究共同表明，通过合理选择相变材料和掺配工艺，可以有效降低沥青路面在高温季节的内部温度，减缓沥青混合料的软化，从而提升其抵抗永久变形（车辙）的能力。

观点四：相变材料在提升沥青路面低温抗裂与抗冰凝性能方面也展现出潜力，但效果与高温性能提升相比存在一定矛盾或局限性。 文章另一部分综述了相变材料在改善沥青路面低温性能方面的探索。其原理在于，相变材料在低温下凝固释放潜热，可延缓路面温度下降，减轻温度应力，从而可能抑制开裂和结冰。 * 马骉等和刘松涛等的研究均发现，添加特定有机相变材料后，沥青的低温性能（如低温延展性）得到改善，但可能导致高温稳定性有所下降，并对短期老化后的长期性能产生不利影响。这揭示了性能平衡的挑战。 * 比利时道路研究中心的Cocu等尝试用正十四烷烃/二氧化硅相变材料制备多孔沥青混合料用于除冰。结果表明，这种材料可以延缓路面达到极低温的时间，具有一定抑冰效果，但存在相变材料易泄露、添加量受限导致效果不持久的问题。 * Manning等将石蜡吸附于集料上，发现其抗冰凝效果有限，作用时间较短。 * 朱建勇等和乔建刚等的研究则分别从改善沥青流变性和降低混合料温度敏感性的角度，证实了特定相变复合材料对提升低温性能的积极作用。 相变材料用于改善低温性能是一个有前景的方向，但面临着如何解决与高温性能的冲突、防止泄露、以及确保长期有效等关键技术难题。

观点五：相变材料在沥青路面中的应用仍处于初级阶段，未来研究需聚焦于材料优化、工艺改进、性能长期验证及标准建立等关键方向。 在总结部分，作者客观指出了当前研究的不足与未来发展的重点。尽管相变材料前景良好，但其在沥青混凝土路面中的应用尚属起步阶段，存在诸多亟待解决的问题，例如：相变沥青混合料的长期耐久性与稳定性、高温拌和过程对相变材料性能的影响、实际工程中的降温效果持续性等。 基于此，文章提出了未来研究的四个主要方向： 1. 新型复合相变材料研发：致力于开发相变潜热高、导热性能好、稳定性强、成本低且与沥青相容性佳的新型复合材料。 2. 长期性能与适用性研究：深入探究相变沥青混合料在不同气候条件下的长期性能衰变规律及降温效果的持久性，提升其工程适用性。 3. 掺加工艺优化：改进相变材料与沥青混合料的结合方式，提高两者的相容性与分散均匀性，确保材料性能充分发挥。 4. 设计方法与评价标准建立：构建科学的相变沥青混合料配合比设计方法，并建立相应的路用性能评价指标体系与技术标准。

论文价值与意义 李梦琪的这篇综述文章具有重要的学术价值与实践指导意义。首先，文章系统性地梳理了相变材料的基本原理、分类、封装技术以及在沥青路面中应用（包括高温降温和低温抗冰）的研究现状，为道路工程领域的研究者与工程技术人员提供了一份清晰、全面的知识图谱和技术进展报告。其次，文章明确提出了适用于沥青路面的相变材料性能要求，为材料的筛选与开发指明了方向。最后，文章客观分析了当前研究存在的挑战，并前瞻性地指出了未来需要重点攻关的领域，有助于引导后续研究资源投向关键科学问题与技术瓶颈，推动相变材料在道路工程中从实验室走向规模化应用。该文对于促进智能调温路面技术的发展、提升我国沥青路面的耐久性与服务水平具有积极的参考价值。