该研究由来自甘肃甘南新世纪路桥有限责任公司、北京工业大学及甘肃省公路发展集团有限公司的研究人员共同完成。主要作者包括Yongjun Yang、Xiaojun Cheng、Yang Qi，通讯作者为Meng Guo。该研究成果于2025年9月16日发表于开放获取期刊《Materials》上，论文标题为《Study on the Thermoregulation Mechanism of Temperature Insensitive Asphalt Pavement》（温度不敏感型沥青路面调温机理研究）。
沥青路面因其行车舒适、施工后开放交通快、便于维修改造等优点，在全球范围内得到广泛应用。然而，沥青是一种温度敏感性材料，其粘弹塑性会随温度变化而改变。在高温环境下，路面温度急剧升高会加速沥青老化，并诱发车辙、拥包等病害。研究普遍认为，当温度超过55摄氏度时，沥青混合料的车辙会以厘米级速率快速发展。因此，有效控制路面病害生成与发展的一个根本途径是降低路面温度，从而改善路面工作的外部环境。
传统的被动式改善措施，如研发抗车辙或抗开裂沥青混合料，虽取得一定效果但并不理想。近年来，利用相变材料（Phase Change Materials, PCMs）进行温度调控已成为国内外学者的一个研究热点。相变材料是一种潜热储能材料，通过自身相态转变来吸收或释放热量。将其引入沥青路面中，可通过相变过程吸收和释放热量来减缓路面的升温与降温速率。然而，当前的研究多通过室内实验探索复合相变材料对沥青混合料的调温效果，存在一定局限性。基于此，本研究的目标是选择适用于路面材料的复合定形相变材料，通过室内升温和数值模拟相结合的方法，系统研究相变材料对沥青混合料及沥青路面结构内部温度场的调控效果与机理，为路面相变材料开发及沥青路面温度调控技术的研究与应用提供参考。
本研究的工作流程主要分为以下几个阶段：
第一阶段：复合定形相变材料的制备与选择
基于沥青路面的应用目标、场景和功能要求，研究团队首先确定了应用于沥青路面的相变材料需满足的条件：合适的相变温度、良好的相变循环稳定性、优良的热稳定性（在200摄氏度不分解）以及与沥青良好的化学相容性。综合考虑这些因素及沥青路面工作温度范围，选择了分子量为1500的聚乙二醇（Polyethylene Glycol 1500, PEG1500）作为核心相变材料，并选用海藻酸钠与氯化钙的反应产物——海藻酸钙作为壁材，以实现材料的定形、相变稳定性和热稳定性。
制备流程如下：首先，在40摄氏度下，将海藻酸钠粉末和氯化钙分别溶于去离子水中，配置成质量分数为2.5%的溶液。然后，在80摄氏度下，将液态PEG1500加入海藻酸钠溶液中，以1000转/分钟的速度恒温搅拌至混合均匀。接着，将氯化钙溶液以一定速率滴入上述混合液中，静置8小时，通过离子置换反应获得湿润的复合相变材料。最后，经清洗和干燥，得到干燥的、质地坚硬的白色颗粒状复合定形相变材料，其表观密度为1.08–1.21克/立方厘米。
第二阶段：相变沥青混合料的配合比设计与制备
研究采用常用的SMA-13沥青混合料类型，依据马歇尔方法进行配合比设计，确定了最佳油石比为6.0%，其路用性能指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的要求。随后，将制备好的定形相变材料作为外掺剂，按沥青质量的不同比例（10%、20%、30%、40%）与矿粉一同直接投入拌锅，这相当于其在沥青混合料中的掺量分别为0.6%、1.2%、1.8%和2.4%。混合料拌制工艺为：矿料与纤维干拌90秒，加入沥青湿拌90秒，最后加入矿粉和相变材料再拌合90秒，然后通过击实法成型标准马歇尔试件。
第三阶段：室内温度调节效果试验
为模拟夏季高温下沥青路面的实际情况，研究设计了温度循环试验。将不同相变材料掺量的马歇尔试件与未掺加相变材料的对照组试件一同放入烘箱，从23摄氏度升温至60摄氏度，模拟升温过程；待温度稳定后，取出置于23摄氏度的室内自然冷却。通过预埋在试件中心处的温度传感器和记录仪，以1分钟为间隔，记录整个升降温循环（共330分钟）过程中的温度变化。
第四阶段：有限元数值模拟
研究使用了COMSOL Multiphysics 6.0软件的热传递模块进行瞬态分析。 首先，建立了与标准马歇尔试件尺寸一致的几何模型，并导入材料参数。为解决软件默认将添加PCM的整个域视为纯PCM的问题，本研究创新性地对潜热值进行了换算，公式为 ( l’{1→2} = (l{1→2} \cdot x) / 1000 )，其中 ( x ) 是实验中PCM的实际添加质量，从而使模拟更符合实际。 其次，为模拟相变材料在实际路面结构中的工作性能，建立了更贴近真实的三层式沥青路面结构模型：上面层为4厘米SMA-13，中面层为6厘米AC-20，下面层为8厘米AC-25。模拟时，假设各层材料均质且各向同性，根据气象资料将太阳对地面的热通量设为800瓦/平方米，环境辐射温度设为35摄氏度，底部和路侧均设为绝热，以模拟晴朗炎热夏季最不利情况。在网格划分时，对厚度方向进行了手动加密，采用了最大边长约为0.01米的三角形单元，以提高不同厚度处温度的计算精度。
1. 室内调温试验与模拟结果的对比验证
室内试验结果显示，相变材料的掺入能够有效降低温度峰值和升温速率。当环境温度为60摄氏度时，未掺加PCM的试件最高温度为52.9摄氏度，而掺量为0.6%、1.2%、1.8%和2.4%的试件最高温度分别为52.7摄氏度、51.6摄氏度、50.8摄氏度和50.5摄氏度。其中，2.4%掺量的PCM实现了约1.5摄氏度的降温。同时，随着掺量增加，升温速率从0.60摄氏度/分钟降低至0.57摄氏度/分钟。
有限元模拟结果与试验结果高度吻合，两者温度差值最大为1.4摄氏度，且93.3%的模拟结果与试验结果的温差在1摄氏度以内，这证明了使用COMSOL进行后续模拟的高度可信性。模拟结果清晰显示，所有掺入PCM的试验组在温度达到PEG1500的相变起始点（约41摄氏度）后，升温速率开始减缓，且掺量越大，减缓效果越明显。但在2.4%PCM组中，升温速率在42摄氏度时便恢复至相变前水平，而非理论上的相变终止温度46摄氏度，这推断是试件中所有PCM已提前完成相变吸热过程所致，暗示了在保证路用性能的前提下，可进一步提高PCM掺量以获得更好的降温效果。
2. 室外路面结构温度场模拟结果
对于未添加相变材料的三层路面结构，模拟发现其路表最高温度可达56摄氏度，这使得上层和中面层均处于SBS改性沥青动态稳定度急剧下降的温度区间，会严重加剧路面老化与车辙等病害。 当在上、中面层均添加1.8%的PCM后，路表最高温度降至55.2摄氏度，虽有约1摄氏度的降温，但仍位于动态稳定度骤降区内，效果不理想。 当将上、中面层的PCM掺量提升至2.4%后，路表最高温度进一步降至54.8摄氏度，成功脱离了导致动态稳定度骤降的危险温度区间。同时，中面层顶部温度较未添加时降低了约1.8摄氏度。这证实了，当掺量达到2.4%时，复合相变材料能够发挥有效的温度调控作用，不仅降低了路面结构的最高温度，还减缓了升温速率。
本研究得出以下主要结论：
科学价值与应用价值：该研究的科学价值在于，它不仅通过实验揭示了复合相变材料在沥青混合料中的实际调温规律与机理，还通过有限元方法弥补了纯实验研究的局限，将调温效果研究从单一材料试件层面拓展至多层路面结构体系。其应用价值在于，为高温地区沥青路面抗车辙设计提供了一种全新的主动控温技术思路，论证了通过掺入相变材料来保护路面结构、延缓病害发生、延长道路使用寿命的可行性与具体实施参数（如2.4%的关键掺量）。这对于缓解全球沥青路面普遍面临的高温病害问题具有重要的实践指导意义。
本研究的主要亮点体现在以下几个方面： 1. 研究体系的完整性：构建了“材料制备-室内试验-模型验证-路面结构模拟”的完整研究链条，逻辑严密，层层递进。 2. 方法学的创新结合：将实物试验数据与有限元仿真模拟进行了有效结合，并通过换算公式巧妙地解决了模拟软件中PCM均匀分布的假设与真实情况不符的问题，提高了模拟精度和可信度。 3. 关键阈值的发现：研究明确指出，对于本研究的SMA-13沥青路面，上下层均添加2.4%掺量的复合PCM是使路面温度脱离危险区的一个有效阈值，这一量化结果为未来的工程应用提供了直接参考。 4. 从材料到结构的跨尺度视野：研究没有停留在材料层面的降温效果测试，而是进一步通过模拟探索了相变材料在实际多层路面结构中对不同层位温度场的影响，研究成果更具工程实际意义。