本研究由长安大学（Chang’an University）公路学院的焦文秀、张志勇、张家兴、沙爱民，以及山东科技大学（Shandong University of Science and Technology）交通学院的贾蒙共同完成。其研究论文《Optimization of Phase Change Asphalt Pavement Temperature Field and Phase Change Materials Parameters Based on Numerical Simulation》于2025年发表在学术期刊《Construction and Building Materials》上（卷492，文章编号142902）。
这项研究属于道路工程与功能材料交叉的学术领域，旨在解决冬季路面冰雪堆积和低温开裂这一长期困扰道路安全和耐久性的难题。传统的撒盐融雪、机械除冰等方法不仅损伤路面结构和附属设施，也对环境造成负担。同时，沥青路面在低温和反复温度荷载作用下易产生温缩裂缝。为突破这些“被动”应对方式的局限，近年来，利用相变材料进行功能化改性的技术成为提升沥青路面多功能性和环境适应性的重要研究方向。相变材料能在特定温度范围内通过相变过程吸收或释放大量潜热，具有自发调节温度的“智能”特性，为构建智能温控路面系统、主动抑制路面温度波动提供了潜在的技术途径。先前的研究虽已证明了掺加相变材料对融冰化雪有积极作用，但在如何选择适用于除冰场景的相变材料关键参数（如相变温度）、以及确定其在路面结构中的最佳应用层位方面，仍缺乏系统性的指导。因此，本研究旨在通过数值模拟与实验验证相结合的手段，系统研究相变材料对沥青路面温度场的调控机理，优化适用于除冰功能的相变材料关键参数，并确定其最优掺加层位，为相变材料在道路工程中的实际应用提供理论依据和参数选择范围。
研究流程主要包含两大核心部分：基于COMSOL Multiphysics软件的数值模拟优化，以及后续的室内试验验证。整个工作流程逻辑清晰，层层递进。
首先，研究团队建立了相变沥青路面的有限元温度场模型。模型尺寸为300 mm × 300 mm × 1000 mm，包含了SMA-13上面层、AC-20中面层、AC-25下面层、水泥稳定碎石基层和底基层以及土基，各层材料的热物理参数均基于文献确定。研究对模型进行了关键假设：路面各结构层平整、均匀、各向同性且完全接触；掺加的相变材料均匀分布，且与沥青混合料满足局部热平衡，温度变化同步；热量仅沿深度方向传递；材料热参数不随温度变化。模型中，将掺加相变材料的上面层视为多孔介质复合材料，相变材料作为孔隙中的填充物，其传热过程通过“固体传热模型”、“相变传热模型”和“辐射传热模型”共同描述。其中，相变潜热的处理采用了显热容法，并通过平滑函数防止数值不稳定。模型的边界条件设置细致：初始温度根据路面结构深度设定；大气温度日变化采用正弦函数组合模拟，最高10℃，最低-6℃；太阳辐射日变化也采用余弦函数表征；对流换热系数则与风速相关，取值为20 W/(m²·K)。模型用于模拟大气环境下48小时的路面温度场变化，网格划分精细以确保计算精度。
在模型建立的基础上，研究通过控制变量法系统地进行了参数优化和应用层位分析。模拟方案分为两步。第一步是优化相变材料参数：研究者设定了8个不同的相变温度区间（从-6–2℃到1–9℃），并固定相变潜热为200 kJ/kg，导热系数为0.2 W/(m·K)，以探究相变温度这一首要因素的影响。随后，在优选的相变温度区间内，进一步变化导热系数（1.27, 1.37, 1.47 W/(m·K)）和相变潜热值（对比了40 J/g与100 J/g），以分析这两个次要参数的协同影响。第二步是确定最优应用层位：在获得最优相变材料参数后，将该材料分别添加到路面的上面层、上面层+中面层、以及整个面层（上中下三层），分析这三种掺加方案对路面温度场的影响，从而从性能和经济性角度综合确定最佳掺加层。
仿真模拟部分取得了系统性的结果。首先，对传统沥青路面温度场的分析表明，路面表层温度日变化与气温同步，最高约7℃，最低约-2℃；随着深度增加，温度波动幅度减小，500mm以下深度基本不受大气温度影响，这印证了模型的合理性。关键发现来自于相变温度的影响分析：在所有测试的相变温度区间中，相变区间为-3–5℃的相变材料表现最优，与传统路面相比，能将路面最低温度提高2.0℃，并将路面温度降至冰点（0℃）的时间延迟约3.2小时。相变区间为-4–4℃和-5–3℃的材料也有效，但效果次之。而相变温度过高（如0–8℃, 1–9℃）的材料，由于其相变过程发生在日间高温时段用于抑制升温，反而导致降温阶段起点温度更低，且无法在路面接近冰点时集中释放能量，因此几乎无助于除冰，甚至略有负面效果。这一结果明确指出了相变峰值温度应略高于冰点以取得最佳温控效果。在确定了-3–5℃为最优相变区间后，对导热系数和相变潜热的分析显示，提高导热系数能略微增强温控效果（如同区间下导热系数从1.27增至1.47 W/(m·K)，冰点到达时间可再延长0.2小时），但影响远小于相变温度。同样，在相同相变温度下，更高的相变潜热（100 J/g对比40 J/g）仅能小幅度提升最低温度和延迟时间。这确立了“相变温度 > 导热系数 ≈ 相变潜热”的参数重要性排序。关于应用层位的模拟结果表明，将相变材料仅添加到上面层，与添加到整个面层相比，其延迟路面达到冰点的效果差异不大，但材料用量可减少约67%。考虑到相变材料成本较高，仅在上层添加是最经济可行的方案。
为了验证数值模拟的结论，研究进行了室内冷却实验。制备了普通沥青马歇尔试件（S0）和用相变材料替代60%矿粉体积的相变沥青马歇尔试件（S60）。所用相变材料的相变点约为5.2℃，相变焓约35 J/g。试件侧面和底面用保温棉包裹，仅上表面暴露。将试件从室温放入设定为-5℃和-10℃的恒温环境箱中冷却，记录其表面温度变化。实验结果有力地支持了模拟结论：在-5℃环境中，S60试件的降温速率始终慢于S0，其温度始终高于S0。当S0试件表面温度在约152分钟后降至0℃附近时，S60试件的温度仍有0.8℃，直观证明了掺加相变材料能有效延迟试件温度达到冰点，最大温差可达2℃。然而，在-10℃的更低环境温度下，S60与S0的降温曲线几乎重合，温控效果显著衰减。这表明所研究相变材料的有效应用温度阈值为-6–10℃左右，在极端低温下，材料释放的潜热难以抵消巨大的环境温差导致的热交换速率。
基于以上系统的模拟与实验工作，本研究得出了明确的结论：第一，参数优化机制方面，相变温度是影响温控性能的首要参数，最优区间为-3–5℃；在此基础上，提升导热系数和相变潜热能形成三级协同控制，进一步增强效果。数值模拟预测的最低温升2.0℃与-5℃环境实验结果的误差小于8%，验证了模型的可靠性。第二，经济性层位选择方面，确定上面层为相变材料的最佳应用层位，与全面层添加相比，可节省约67%的材料成本，而路面温控性能下降很小（路面温差仅增0.3℃），实现了成本与效益的平衡。第三，温控效率验证方面，实验证实了在-5℃环境下，相变材料可延迟冰点到达时间152分钟以上，但在-10℃时效率衰减至约32%，明确了其适用温度范围。
本研究的科学价值在于，首次通过系统的参数化数值模拟，明确了用于沥青路面主动除冰的相变材料其关键热物性参数的优化序列和具体范围，特别是确立了相变温度区间的核心地位和最佳取值，弥补了先前研究多在验证有效性、而缺乏参数优化指导的不足。在应用价值上，研究为道路工程师选择和设计适用于冬季除冰的相变沥青混合料提供了直接的、量化的参数依据和经济效益最优的施工方案（仅添加上面层），可加速相变材料从实验室走向工程应用的进程。研究还指出了当前结论适用于中国北方约76%的冬季气候场景，但在极端低温（<-15℃）下的性能退化机制有待进一步研究，这为未来研究指明了方向。
本研究的亮点突出：首先，在方法学上，创新性地结合了COMSOL多物理场仿真与室内实验验证，利用COMSOL的全耦合算法高效模拟了相变传热与温度场的动态相互作用，并设计了能有效模拟路面单向散热过程的马歇尔试件冷却实验，验证手段直观有效。其次，研究内容具有明确的针对性和系统性，不是简单验证有效性，而是深入进行了“参数优化-层位确定-实验验证”的完整链条研究，结论层层递进，逻辑严谨。最后，研究结论兼具理论创新性和工程实用性，提出的“相变温度优先”原则和“经济层位选择”策略，对推动智能温控路面技术的实际应用具有重要的指导意义。