该文档报告了一项针对沥青路面进行温度调控的原创性研究。以下是为其他研究者撰写的详细介绍此项研究的学术报告。

本研究由来自武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室的董张（Dong Zhang）、陈美祝（Meizhu Chen，通讯作者）、吴少鹏（Shaopeng Wu）、刘全涛（Quantao Liu）和万军民（Jiuming Wan）共同完成。研究成果以题为“Preparation of expanded graphite/polyethylene glycol composite phase change material for thermoregulation of asphalt binder”（用于沥青结合料温度调控的膨胀石墨/聚乙二醇复合相变材料的制备）的论文形式，发表于2018年的《Construction and Building Materials》期刊第169卷。

学术背景与研究目的

本研究属于道路工程材料与热能存储材料的交叉领域，具体聚焦于改性沥青结合料的制备与应用。沥青路面因其平整、低噪音、高耐磨等优点被广泛应用于公路建设，但其作为一种温度敏感性材料，在极端高温下易产生车辙，在极端低温下易发生温缩开裂，从而显著缩短路面使用寿命。尽管已有多种技术（如优化级配设计、采用聚合物改性沥青、提高表面反射率、使用纤维改性沥青等）被用于缓解这些病害，但完全解决路面热损伤问题仍面临挑战。因此，寻求一种创新且有效的方法来主动调节沥青路面温度，显得至关重要且迫切。

相变材料（Phase Change Material, PCM）是一种在发生固-液相变时能够吸收或释放大量潜热的物质，在此过程中其温度保持相对恒定，因此可作为潜热存储与温度调控单元，广泛应用于纺织品、建筑、食品包装等领域。将PCM应用于沥青路面以进行温度调控正逐渐受到关注。然而，传统的固-液相变材料存在导热系数低和熔融态易泄漏的问题，限制了其在沥青路面中的有效利用。已有的PCM掺入方法（如直接浸渍法、微胶囊法、集料浸渍法）也各有其局限性。

在此背景下，本研究旨在制备一种具有高导热性的定型膨胀石墨/聚乙二醇复合相变材料（EG/PEG），并验证其在调控沥青结合料温度方面的可行性。膨胀石墨（Expanded Graphite， EG）是一种新兴的碳材料，具有优异的导热性、吸附能力、热稳定性和相容性，可作为PCM的载体，既能减少泄漏，又能增强传热效率。本研究选择EG作为支撑材料，聚乙二醇（Polyethylene Glycol， PEG）作为相变工作物质，目标是开发出一种兼具良好热传导性能、形状稳定性以及与沥青良好相容性的新型复合相变材料，以解决现有技术瓶颈，为沥青路面温度调控提供新方案。

详细研究流程

本研究包含两个主要阶段：首先是EG/PEG复合相变材料的制备与表征，其次是将该复合材料应用于沥青结合料并评估其性能。

第一阶段：EG/PEG复合材料的制备与表征

1. 材料制备：

   • EG/PEG复合材料的制备：采用真空吸附法。首先将EG基质在80°C真空烘箱中干燥16小时以去除水分。随后，将PEG在70°C下溶解于蒸馏水中形成均匀溶液。将称量好的EG（质量比为EG:PEG = 1:5, 1:6, 1:7, 1:8, 1:9）分散于PEG水溶液中，以300 rpm的恒定速度物理搅拌30分钟。最后，将混合物置于80°C的真空泵中4小时，使水溶剂蒸发，PEG完全吸附进入EG的孔隙结构中。最终产物分别命名为EP1至EP5。
   • 改性沥青的制备：基于沥青的体积比热容、密度以及PEG的相变潜热计算，确定了对300克AH-70基质沥青实现至少5°C温度变化所需的最低PEG量（16.69克）。据此，计算出为达到相同温控效果所需的各EP复合材料质量（EP1: 19.47g, EP2: 19.07g, EP3: 18.78g, EP4: 18.54g, EP5: 18.38g）。通过物理共混法（130°C， 600 rpm， 15分钟）分别制备了基质沥青（A0）、EG改性沥青（A1）、纯PEG改性沥青（A2）以及不同EG/PEG复合改性沥青（A3-A7）。

2. 表征方法与流程： 对制备的EG/PEG复合材料进行了一系列系统的表征，以评估其结构、热物性及稳定性。

   • 相变行为分析：采用差示扫描量热仪（Differential Scanning Calorimeter, DSC）在0-80°C温度范围、5°C/min升温/降温速率下，测试了纯PEG及各EP复合材料的熔融与结晶过程的相变温度和潜热。
   • 晶体结构分析：采用X射线衍射仪（X-ray Diffraction, XRD）在2θ范围为5°-80°内分析了EG、PEG及各EP复合材料的晶体结构。
   • 孔结构分析：使用自动N₂吸附仪（ASAP 2020）在-196°C下测试了EG及EP复合材料的N₂吸附-脱附等温线，计算其比表面积、孔体积和平均孔径，以评估EG对PEG的吸附能力与相容性。
   • 微观形貌分析：采用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）观察了EG和EP3复合材料的表面和截面微观形貌。
   • 化学稳定性分析：采用傅里叶变换红外光谱仪（Fourier Transform Infrared, FT-IR）在4000-400 cm⁻¹波数范围内分析了EG、PEG及EP3的官能团，以判断EG与PEG之间是物理吸附还是化学反应。
   • 热稳定性分析：采用热重分析仪（Thermogravimetric Analyzer, TGA）在氮气气氛下以10°C/min的升温速率从室温加热至700°C，测试了EG、PEG及EP3的热分解行为，以评估其在沥青混合料热拌过程中（高温环境下）的生存能力。

第二阶段：EG/PEG复合改性沥青的性能评价

1. 热物理性质测试：采用热常数分析仪（TPS 2500S）测量了所有改性沥青样品（A0-A7）在25°C下的导热系数、热扩散率和体积比热容。
2. 相容稳定性测试：参考改性沥青的储存稳定性测试方法，将改性沥青样品在163±5°C下竖直储存48小时，然后快速冷却并切成三段。由于所选PCM的相变温度与沥青软化点接近，为避免传统软化点差法的不准确性，本研究创新性地采用顶部与底部样品的导热系数差值来评估复合相变材料在沥青中的相容稳定性（即是否发生相分离）。
3. 温度调节性能验证：设计了一套模拟温度变化的实验来直观验证温控效果。将装有沥青样品的烧杯从25°C恒温水浴迅速转移到65°C恒温水浴（模拟吸热过程），再移回25°C水浴（模拟放热过程），全程使用光纤光栅温度传感器以0.1°C的精度自动记录沥青中心温度随时间的变化曲线，通过对比不同样品达到平衡温度所需的时间来评价其温度调节效果。

本研究的数据分析工作流程主要基于对上述各项表征和测试所得数据的直接解读与关联分析。通过对比不同配比复合材料的性能数据，确定最佳配比；通过比较改性沥青与基质沥青的性能数据，评估复合材料的改性效果。实验方法均为材料科学领域标准方法，未涉及特殊自创设备或算法，但在储存稳定性评价指标上采用了创新的“导热系数差”替代传统的“软化点差”。

主要研究结果

第一阶段结果： 1. 相变行为：DSC结果表明，随着EG含量的增加，复合材料的熔融起始温度（Tm）下降，结晶起始温度（Tc）上升，导致过冷度（ΔT = Tm - Tc）显著减小。这归因于EG无机表面作为异质成核中心促进了PEG的结晶。复合材料的相变潜热均低于纯PEG，且当EG:PEG比例达到1:7（EP3）后，EP4和EP5的潜热不再显著增加，暗示EG的吸附能力可能已达到极限。 2. 结构与形貌：XRD谱图显示EG的加入使PEG的结晶峰变宽，结晶度降低，原因是EG的无定形结构及其孔隙对PEG分子运动的限制。N₂吸附分析和SEM截面观察提供了关键证据：EG的比表面积、孔体积和平均孔径随着PEG的加入而显著下降；当比例达到1:7（EP3）时，其孔体积已降至极低水平（0.0006 cm³/g），且SEM图像清晰显示EP3的孔隙已被PEG晶体完全填满。这共同证明了EG对PEG的最大吸附质量比为1:7，超过此比例，过量的PEG可能无法被有效束缚。 3. 化学与热稳定性：FT-IR光谱显示EP3复合物的谱图是EG和PEG谱图的叠加，无新峰出现，表明EG与PEG之间仅为物理吸附（依靠毛细管力和氢键），而非化学反应。TGA曲线显示EP3的起始分解温度略高于纯PEG，说明与EG复合后提高了PEG的热稳定性；其质量损失（89.40%）与PEG在复合材料中的质量分数（87.50%）基本吻合，证明了PEG被均匀吸附。

第二阶段结果： 1. 热物理性质：添加EG/PEG复合材料显著改善了沥青的热物理性质。与基质沥青（A0）相比，所有EP复合改性沥青（A3-A7）的导热系数提高了约1.43-1.70倍，热扩散率提高了约1.71-1.85倍，这表明复合材料有效增强了沥青的传热能力和内部温度平衡速率。同时，改性沥青的体积比热容有所降低，意味着其热惯性减小，对温度变化的敏感性可能发生改变。 2. 相容稳定性：储存稳定性测试结果非常关键。纯EG改性沥青（A1）因密度差异导致严重的相分离，顶部与底部导热系数差巨大（约占A1导热系数的33.94%）。而纯PEG改性沥青（A2）表现出极佳的相容性。重要的是，所有EG/PEG复合改性沥青（A3-A7）的导热系数差均显著小于A1，且随着复合材料中PEG比例的增加（即EG比例减少），该差值呈下降趋势。例如，最佳配比EP3对应的改性沥青A5，其导热系数差仅为0.0159 W/m·K（占其导热系数的6.73%）。这证明所制备的EG/PEG复合材料与沥青具有良好的相容稳定性，能够承受沥青混合料的高温拌和过程而不发生严重相分离。 3. 温度调节性能：温度变化曲线实验直观验证了复合材料的温控功效。纯PEG改性沥青（A2）在加热过程中，在接近PEG相变温度（~50°C）时出现明显的升温平台，体现了PCM吸收潜热、延缓温升的作用。EG/PEG复合改性沥青同样表现出温控效果，但具体行为与配比相关。其中，EP3、EP4、EP5（A5， A6， A7）改性沥青在升温阶段达到平衡温度（65°C）所需时间均长于或等于基质沥青，在降温阶段所需时间则明显延长，且延长时间随EG含量减少（PEG有效含量相对增加）而增加。这综合体现了复合材料“高导热性促进热量传递”与“相变潜热缓冲温度变化”的双重作用。特别值得注意的是，采用最佳配比EP3（1:7）的A5样品，其温控效果显著且未发现泄漏迹象。而PEG比例更高的EP5（1:9）对应的A7样品，其升温曲线与A2更为相似，且升温时间最长，作者推测这可能是由于过量的PEG在热拌过程中发生了泄漏所致，这反过来也佐证了确定最大吸附比（1:7）的重要性。

研究结论与价值

本研究成功制备了一种以膨胀石墨为支撑、聚乙二醇为工作物质的定型复合相变材料（EG/PEG），并系统验证了其在调控沥青结合料温度方面的可行性，得出以下主要结论： 1. PEG能够有效地被吸附到EG骨架中形成复合相变材料，在本研究选定的材料体系下，EG与PEG的最大质量比为1:7。 2. 复合材料的相变温度受EG影响：EG含量增加会降低PEG的熔融温度，提高其结晶温度，从而减小过冷度。 3. 所制备的EG/PEG复合材料起始分解温度高于250°C，具备优异的热稳定性，能够在沥青混合料的热拌过程中保持完整。 4. 将EG/PEG复合材料掺入沥青中，能显著提高沥青的导热系数和热扩散率，并降低其比热容，这有利于增强路面传热效率和减小内部温度梯度。 5. EG/PEG复合材料与沥青结合料之间具有良好的相容稳定性，可避免在储存、泵送和施工过程中发生相分离，且增加PEG含量有助于进一步提高储存稳定性。 6. EG/PEG复合材料能够通过减缓沥青结合料的温度变化速率来降低其热敏感性，这证实了使用该复合材料调控热拌沥青温度是可行的。

研究的价值： * 科学价值：本研究为道路工程与功能材料学科的交叉提供了典型案例。深入揭示了EG与PEG复合过程中的结构-性能关系（如吸附限值、相变行为改变机制），并创新性地采用“导热系数差”评价复合材料在沥青中的储存稳定性，为类似研究提供了方法论参考。 * 应用价值：该研究开发出一种具有高导热性和形状稳定性的新型沥青温控添加剂，为主动缓解沥青路面的车辙和温缩开裂病害提供了潜在的新技术路径。通过调节路面温度场，有望延长路面使用寿命，降低养护成本，具有直接的工程应用前景。

研究亮点

1. 问题导向与创新性：针对沥青路面温度病害这一实际工程难题，创造性地将高导热EG与潜热大的PEG复合，旨在同时解决传统PCM导热差和易泄漏两大瓶颈，研究思路具有鲜明的创新性和应用针对性。
2. 关键参数的精确确定：通过多手段（DSC、N₂吸附、SEM）交叉验证，明确了EG/PEG复合体系中的最大吸附质量比（1:7），为材料的优化制备提供了核心依据。
3. 系统而严谨的验证链条：研究从复合材料制备、基本物性表征，到改性沥青的热物理、相容稳定性及动态温控性能测试，构成了一个完整、系统的性能验证体系，结论支撑坚实。
4. 评价方法的创新：在储存稳定性测试中，根据材料特性（PCM相变温度与沥青软化点接近），灵活且合理地采用“导热系数差”替代“软化点差”作为评价指标，保证了结果准确性，体现了研究方法的灵活性。
5. 显著的性能提升：研究结果明确显示，最佳配比的EG/PEG复合材料不仅能有效赋予沥青温控功能，还能大幅提升沥青的导热性能，这是一般PCM或普通填料难以同时实现的。

其他有价值内容

作者在论文末尾提出了未来研究的方向，包括：进一步研究EG/PEG复合材料在沥青结合料中的微观形貌；深入研究EG/PEG复合改性沥青的流变性能；以及将研究重点转向EG/PEG复合改性沥青混合料的热学性能和路用性能（如高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性等）评价。这些方向是推动该材料从实验室走向工程应用不可或缺的步骤，对后续研究者具有重要的指导意义。

此外，本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：51778515）的资助，并声明无利益冲突。