相变/盐基缓释复合材料在沥青路面融冰化雪应用中的性能研究：一项综合性报告
本报告旨在详细解读由Chuanshan Wu, Dongxing Gao, Haonan Shangguan, Renshan Chen,* 和 Changlin Hou共同完成，并于2024年7月15日发表在期刊《Buildings》（卷14， 第2177页）上的原创性研究论文《Phase‑Change/Salt‑Based Slow‑Release Composite Material for Anti‑Icing and Snow‑Melting》。本研究由山东高速建设管理集团有限公司和山东交通大学土木工程学院的科研人员合作开展，探讨了一种新型复合材料——结合了相变材料（Phase‑Change Material, PCM）与温度敏感型盐基缓释材料——在提升沥青路面主动融冰化雪能力方面的协同效应与工程性能。
一、 研究的学术背景与目标
本研究的科学领域聚焦于功能性路面材料与道路工程。在冬季，道路积雪结冰是引发严重交通事故的主要原因之一。为提高路面安全性，研究者们长期致力于开发具有主动融冰化雪功能的沥青路面。目前，主流技术路线主要有两种：一是在沥青混合料中添加相变材料（PCM），利用其相变潜热在低温下释放热量，延缓路面温度下降；二是添加盐基缓释材料，通过释放氯盐离子降低水溶液的冰点。然而，这两种技术路线均存在明显的局限性。纯相变材料沥青混合料放热持续时间短，在持续低温环境下融冰效率有限，难以实现大规模有效除雪。而传统的盐基缓释材料则存在融冰性能衰减过快的问题，且在非冬季会因降雨等原因发生无效释放，其盐分析出速率不易控制，同时盐的析出往往会对沥青混合料的水稳定性造成显著损害。
基于上述背景，本研究旨在解决单一材料体系的不足，提出了将两种材料复合使用的新思路。其核心科学问题是探究相变材料（TH-ME5）与温度敏感型盐基缓释材料（T-SEN）在沥青混合料体系中的协同作用机理。具体研究目标包括：1）评估复合材料的盐分析出行为规律；2）系统研究掺加该复合材料的沥青混合料的路用性能（高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性）；3）综合评价其在冻融循环条件下的抗冰拔附性能及长期融冰化雪效能。研究的最终目标是为开发一种兼具高效、持久融冰能力和良好路用性能的新型功能性沥青路面提供理论基础与实验依据。
二、 详细研究流程与方法
本研究遵循了从材料特性到复合材料性能，再到沥青混合料应用性能的系统性评价流程。
步骤一：复合材料盐分溶出能力测试 本步骤旨在量化T-SEN材料在相变材料TH-ME5影响下的盐分析出动力学行为。研究采用电导率测试法，因为溶液电导率与电解质（即盐分）离子浓度直接相关。研究对象为TH-ME5与T-SEN按不同质量比（1:0， 3:1， 1:1， 1:3）混合的复合材料水溶液，总质量为20g，溶解于380g去离子水中，形成初始摩尔浓度为5%的溶液。共设置4个实验组。 实验在恒温箱中进行，设定四个测试温度：20°C（高于盐释放阈值）， -2°C， -5°C， -8°C。实验装置包括三颈烧瓶、电导率计探头和电动搅拌器。具体操作流程为：将配置好的溶液倒入烧瓶，置于恒温箱内的支架上，启动搅拌器加速盐分析出过程，随后将电导率计探头浸入溶液，开始记录数据。数据记录频率为每15分钟一次，搅拌速度为350转/分钟。持续监测电导率随时间的变化，直至其达到新的稳定平衡状态。通过分析不同温度、不同材料比例下电导率随时间变化的曲线，可以揭示T-SEN的“温度敏感”释放特性以及TH-ME5相变潜热对释放速率和最终平衡浓度的影响。
步骤二：掺复合材料的沥青混合料路用性能评价 本步骤全面评估了将复合材料替代部分矿物填料（替代率分别为25%， 50%， 75%）后，沥青混合料的力学性能和耐久性。研究采用SBS改性沥青和玄武岩集料，按照表1中的10种配合比（包括一个空白对照组）制备马歇尔试件。 1. 高温稳定性测试：采用车辙试验评价。对每种编号的混合料制备4个车辙板试件，计算其动稳定度，变异系数要求不大于20%，取平均值作为结果。该实验模拟了路面在高温（60°C）和轮载重复作用下的抗变形能力。 2. 低温抗裂性测试：采用低温弯曲试验（小梁弯曲试验）评价。对每种混合料制备6个小梁试件，在低温环境下（-10°C）测试其破坏时的弯拉应变，取平均值。该指标反映了混合料在寒冷气候下抵抗收缩开裂的能力。 3. 水稳定性测试： * 短期水稳定性：采用浸水马歇尔试验。将马歇尔试件分为两组，一组进行标准马歇尔稳定度试验，另一组在60°C水浴中浸泡48小时后再测稳定度。计算两者的比值，即浸水残留稳定度。 * 长期水稳定性：采用冻融劈裂试验。同样将试件分为两组，一组进行常规劈裂试验；另一组进行真空饱水后，经历-18°C冷冻16小时和60°C水浴24小时的冻融循环，再进行劈裂试验。计算冻融劈裂强度比（TSR）。这两种测试分别模拟了混合料在短期水侵蚀和长期冻融循环作用下的耐久性。
步骤三：复合材料沥青混合料抗冰拔附性能测试 本步骤旨在量化混合料表面与冰层之间的粘结强度，直接评估其抗结冰性能。测试选用编号1至7的马歇尔试件（对应矿物填料替代率≤50%的配方），在特定低温环境（-2°C， -5°C， -8°C）下进行。 实验使用了一种自制的手动液压拔拉装置及特制的拔拉钩。具体流程如下：将拔拉钩置于试件顶面，围上环形防水垫圈；用注射器向拔拉钩外壳的预钻孔注入5ml水；将试件放入设定好温度的高低温箱中，静置不同时间（以模拟相变材料放热和盐分析出的不同阶段）；达到预定时间后，将试件取出，立即用拔拉装置进行拔拉，记录破坏时的拔拉荷载。为了评估耐久性，还对试件进行了真空饱水后10次和20次快速冻融循环处理，再重复上述拔拉试验。通过对比未经冻融、经历10次和20次冻融循环后试件的相对拔拉力（抗冰拔附能力），可以分析复合材料性能的衰减规律。
步骤四：复合材料沥青混合料接触融冰性能测试 本步骤直接测量混合料试件融化冰块的能力。实验主要设备为高低温交变箱和冰块模具。 实验步骤为：在测试温度下制备规格一致的冰块；将马歇尔试件在室温下保温12小时以上；将保温后的试件放入高低温箱，称重后将冰块置于试件上表面；每隔15分钟取出冰块称重并记录，然后放回原位继续试验；当连续两次测量冰块质量变化小于1克时，认为融化停止。引入“相对融化质量”作为评价指标，即抗冰化雪混合料试件的实际融化质量与普通沥青混合料试件融化质量的差值。通过计算单位接触面积的总相对融化质量，得到“融冰能力值”，用以消除试件初始温度差异和非相变材料放热带来的误差。
三、 主要研究结果及其逻辑关联
结果一：电导率测试揭示了复合材料的协同释放机理。 数据显示，在20°C时，各溶液电导率基本不变或略有下降，证实T-SEN在0°C以上几乎不释放盐分。在-2°C， -5°C和-8°C时，所有含T-SEN的溶液电导率均随时间逐渐增加，最终达到一个新的平衡平台。这证实了T-SEN的“温度敏感”释放特性。关键发现在于：在同一温度下，T-SEN比例越高，溶液达到电导率平衡的时间越早，平衡时的最大电导率也越高。 这直观表明盐分析出量更多、更快。同时，在T-SEN比例相同的情况下，TH-ME5比例越高，达到平衡所需的时间越长。 例如，在-5°C时，纯T-SEN组（1:0）在3435分钟达到平衡，而TH-ME5比例最高的组（1:3）则需要4995分钟。这一结果表明，相变材料TH-ME5的潜热释放延缓了环境温度的下降速率，从而抑制了盐基材料T-SEN的早期快速释放，使其释放过程更加平缓、持久。 这为两种材料的协同作用提供了直接证据。
结果二：路用性能呈现规律性变化。 1. 高温稳定性：随着矿物填料替代率的增加，混合料的动稳定度呈轻微上升趋势。在相同替代率下，T-SEN含量越高（即TH-ME5/T-SEN比值越小），动稳定度越低。分析认为，T-SEN的壁材为聚合物，在60°C试验条件下不熔化，高掺量时可充当混合料骨架，提升高温性能。但TH-ME5的微胶囊结构可能对高温性能略有不利影响。 2. 低温抗裂性：随着矿物填料替代率的增加，混合料的弯拉应变呈下降趋势。在相同替代率下，T-SEN含量越高，弯拉应变越低。这表明T-SEN对低温性能有抑制作用，原因可能是其与矿粉性质的差异降低了沥青胶浆的内聚力，且盐分后期析出会在混合料内部形成孔隙，加剧低温脆性。 3. 水稳定性：无论是浸水残留稳定度还是冻融劈裂强度比（TSR），都随矿物填料替代率的增加而显著下降。T-SEN含量越高，水稳定性下降越剧烈。 当替代率达到75%且T-SEN含量也为75%时，相关指标已不满足规范要求。原因在于：盐分析出后在混合料内部留下孔隙，便于水分侵入；水分侵入会削弱沥青与集料的粘附；冻融循环时孔隙中的水结冰膨胀会破坏混合料内部结构。
结果三：抗冰拔附测试与融冰能力测试共同证实了复合材料的协同优势与长期效能。 1. 抗冰拔附测试：在相同温度下，试件的相对拔拉力（值越低表示抗冰拔附能力越强）随时间延长而逐渐增大，说明抗冰能力随时间衰减。以2号试件为例，在-5°C下放置时间从300分钟延长到360分钟，相对拔拉力急剧增加242.54%，而从360分钟延长到480分钟，增幅降至约85%。这清晰地表明：在初期，相变材料的潜热发挥了主要抗冰作用；随着时间推移，其效果减弱后，盐分析出材料接续承担抗冰功能。 冻融循环后，所有试件的相对拔拉力均增大，且T-SEN含量高的试件增幅更大，说明盐分在冻融过程中有损失。随着环境温度降低，试件的相对拔拉力增大，但增幅减小，这与电导率测试中“温度越低，盐分析出越多”的结论一致，表明在更低温度下，盐分析出材料的抗冰作用占比更大。 2. 接触融冰测试：试件的融冰能力值随冻融循环次数的增加而逐渐下降，证明了材料性能的衰减。同样，温度越低，融冰能力值总体也呈下降趋势。从材料配比看，短期内（未经历冻融），T-SEN含量越高（配比1:3），融冰能力最强；但从长期（经历20次冻融）看，TH-ME5含量高的配比（3:1）表现出更好的耐久性，融冰能力衰减更慢。 配比为1:1的组别在短期和长期表现均居中。
四、 研究的结论、意义与价值
本研究得出结论：将相变材料（TH-ME5）与温度敏感型盐基缓释材料（T-SEN）复合使用，能够产生显著的协同效应。TH-ME5的相变潜热不仅能直接提供热量延缓路面温降，更能通过调节降温速率，抑制T-SEN在低温初期的盐分过快释放，从而延长了整个复合材料系统的有效作用时间，并提升了其抗冰化雪性能的耐久性。从工程应用角度，研究明确了复合材料掺入对沥青混合料路用性能的影响规律：在适当掺量下（本研究建议矿物填料替代率不超过50%），可以满足规范要求，但需特别注意其对水稳定性的负面影响。研究还指出，针对不同的性能需求，应优化材料配比：若追求短期高效的融冰效果，可采用高T-SEN占比（如TH-ME5:T-SEN = 1:3）的配方；若追求长期稳定的融冰性能和更好的低温耐久性，则应采用高TH-ME5占比（如3:1）的配方。
本研究的科学价值在于首次系统地揭示了相变材料与温度敏感型盐基缓释材料在沥青混合料中的协同工作机制，为多功能复合材料的设计提供了理论依据。其应用价值在于为解决当前主动融冰路面技术中存在的“效率与耐久性不可兼得”的难题提供了一种切实可行的新材料解决方案，对提升寒冷地区冬季道路安全水平和运营效率具有重要的工程意义。
五、 研究亮点