关于沥青材料中相变材料应用的综述报告

本文旨在向中文读者介绍一篇发表于学术期刊 Construction and Building Materials 上的重要综述文章，题为“A review of phase change materials in asphalt binder and asphalt mixture”。该文由来自北京工业大学（Meng Guo, Meichen Liang, Yubo Jiao, Haiqing Liu）和中国交通科学研究院（Wei Zhao, Yongxia Duan）的研究团队撰写，于2020年6月正式发表。文章系统性地回顾了相变材料在沥青结合料与沥青混合料领域的研究进展，梳理了分类、作用机理、温控效果、制备方法及其对材料性能的影响，并指出了当前研究的不足与未来方向。以下将详细阐述该文的核心观点与论证逻辑。

相变材料的分类与选择依据 文章首先对相变材料进行了系统分类。PCMs可根据材料成分分为无机、有机和复合相变材料。无机PCMs（如盐水合物、金属）虽然具有相变焓值高、导热系数大、成本低等优点，但普遍存在过冷、相分离、热稳定性差以及与沥青相容性不佳等问题。有机PCMs则主要包括石蜡类和非石蜡类（如脂肪酸、醇类、多元醇）。其中，石蜡类材料相变温度范围广、相变焓值良好、无相分离和过冷现象，且与沥青具有良好的相容性，因此被认为是应用于沥青路面研究的最佳选择。尽管有机PCMs的导热系数较低，但其综合性能更适用于道路工程环境。通过对比表格，文章清晰地论证了为何有机PCMs，尤其是石蜡类材料，是沥青温控调温研究的优先选择，为后续讨论奠定了材料学基础。

相变材料的温控机理 文章详细解释了PCMs用于沥青路面温控的基本原理。PCMs的核心特性在于其相变潜热：当环境温度达到PCMs的熔点时，材料从固态转变为液态，吸收大量热量；当温度降至结晶点时，材料从液态变回固态，释放储存的热量。在这个过程中，PCMs自身的温度在相变区间内保持相对恒定。应用于沥青混合料中，PCMs相当于无数个微观“热能存储单元”。它们通过改变自身相态来吸收或释放潜热，从而缓冲外界温度变化对沥青路面结构的冲击。这种作用能降低沥青混合料的温度敏感性，减缓其升温和降温速率，最终达到减少路面极端温度、延缓沥青老化、抑制温度相关病害（如高温车辙、低温开裂）的目的。文章引用多位学者的研究，从热阻、蓄热系数、热惰性等热工参数角度，进一步量化了PCMs对材料热学特性的改善。

直接掺入PCMs的利弊分析 文章用较大篇幅探讨了将PCMs直接掺入沥青结合料或混合料中的方法及其影响。研究表明，直接掺入法确实能赋予沥青材料一定的温控能力，例如有研究使沥青混合料最高降温达3.3°C，并能延迟极端温度出现的时间。然而，这种方法存在一个致命缺陷：高温泄漏。在沥青拌和与使用过程中遇到高温时，液态的PCMs容易从沥青基体中泄漏出来。这种泄漏带来了复杂的、且多为不利的性能影响：1. 对沥青结合料性能的影响：普遍导致针入度增加、软化点降低、复数模量下降；对延度的影响结论不一，但多数研究表明会降低低温延性；对沥青的流变性能有显著且复杂的影响，虽可能提高高温抗车辙因子，但也会损害低温抗裂性（如m值降低）。2. 对沥青混合料性能的影响：研究结论存在矛盾，部分研究表明会降低混合料的动稳定度（高温稳定性）和弯曲强度（低温抗裂性），另一部分研究则显示有所改善。文章指出，这种性能影响的不一致性和普遍存在的负面效应，主要根源就在于PCMs的泄漏。泄漏的PCMs会与沥青发生化学反应，破坏沥青胶体结构，从而严重影响路用性能。因此，尽管直接掺入法简单直观，但其应用前景因其固有的泄漏问题而受到严重限制。

复合相变材料的制备与优势 为了解决直接掺入法的泄漏问题，研究焦点转向了复合相变材料。CPCMs通常由储热芯材（PCMs本身）和载体（封装材料）构成。载体将芯材封装固定，使其在相变时保持形状稳定，防止流动泄漏。文章综述了多种CPCMs的制备方法：1. 直接浸渍法：将液态PCMs浸入多孔支撑材料（如轻质骨料）中，操作简单但密封性有待提高，常需辅以防水涂层。2. 熔融共混法：将芯材与载体（如高密度聚乙烯）熔融共混，依靠载体的结构强度防止泄漏。3. 接枝法：通过化学方法将PCMs链段接枝到聚合物主链上，形成固-固相变材料，操作复杂且潜热较低。4. 微胶囊化法：用载体材料（如密胺树脂、二氧化硅）将PCMs微胶囊包裹，这是当前道路工程研究的主流方法之一，能有效防止泄漏且相变焓值高。5. 溶胶-凝胶法：利用溶胶-凝胶过程将PCMs吸附固定在无机网络（如二氧化硅凝胶）中，该方法反应温和，制成的CPCMs结构均匀、强度好、防泄漏效果佳。这些方法各有利弊，但共同目标都是实现PCMs的稳定封装，从而为在沥青体系中安全、高效地使用PCMs铺平道路。

CPCMs对沥青结合料性能的影响 文章分析了添加CPCMs对沥青结合料性能的改善。相较于直接掺入PCMs，CPCMs的加入显著提升了沥青的热储存与释放性能，同时基本解决了泄漏问题。研究表明，CPCMs能提高沥青的导热系数和热扩散率，从而增强其温控响应效率。在路用性能方面，CPCMs对沥青常规物理指标（如针入度、软化点）的影响较小，甚至能改善沥青的高温流变性能（提高抗车辙因子）。然而，文章也客观指出，CPCMs的加入仍可能带来一些不利影响，例如可能导致沥青延度下降、强度降低，并增加疲劳开裂的风险。此外，沥青的老化过程会影响微胶囊等CPCMs的存活率，导致其相变焓值下降（有研究显示最多降低10%）。因此，提高CPCMs与沥青的相容性、增强其耐久性，仍是需要深入研究的课题。

CPCMs作为替代组分对沥青混合料性能的全面提升 文章指出，将CPCMs作为替代集料或填料组分加入沥青混合料，是一种更为理想的应用方式。这种方式能最大限度地发挥CPCMs的温控优势，同时对其路用性能的负面影响降至最低。综述的多项研究证实了这种方式的优越性：1. 卓越的温控效果：CPCMs能显著降低路面温度，有研究报道最大降温可达9.1°C，有效缓解城市热岛效应和路面高温病害。2. 改善高低温性能：一方面，CPCMs在低温相变放热，能缓解混合料温度下降，有助于提高低温抗裂性（如提高弯曲强度）；另一方面，在高温吸热能降低混合料温度，从而间接提升其高温稳定性（抗车辙能力）。研究显示，含CPCMs的混合料其动稳定度可满足规范要求（>3000次/mm）。3. 提升水稳定性：良好的封装使CPCMs不易析出，因此对混合料的水稳定性（残留稳定度、冻融劈裂强度比）影响较小，甚至有所改善。4. 良好的工程适用性：以轻质骨料等为载体的CPCMs，其抗滑、耐磨等力学性能接近或略低于天然集料，但仍能满足使用要求。以替代组分形式加入的CPCMs，不仅实现了有效的路面温度调节，还改善或至少不显著损害沥青混合料的关键路用性能，展现了巨大的工程应用潜力。

结论与未来研究方向 文章在最后部分总结了核心结论并指明了未来研究路径。主要结论包括：有机PCMs（特别是石蜡类）是用于沥青路面研究的最佳选择；直接掺入法因泄漏问题对路用性能有显著不利影响；CPCMs能有效防止泄漏，减少对沥青物理性能的负面影响；将CPCMs作为替代组分加入混合料是理想方式，能同时改善混合料的储放热能力和高低温等路用性能。

基于当前研究的不足，文章提出了四个重要的未来研究方向：1. 优化制备工艺：需不断探索CPCMs的制备工艺，进一步减少其在长期使用和高温拌和过程中的损失与泄漏。2. 深化微观机理研究：应从沥青的化学结构、官能团等微观表征入手，研究相变材料与沥青的相互作用方式，从根本上提高两者的相容性。3. 加强耐久性研究：老化作用会降低PCMs的存活率和功效，而关于老化及再生过程对CPCMs影响的研究尚少，需要重点关注。4. 完善性能评价体系与实体工程验证：当前对混合料路用性能的评价多集中于高低温性能，评价体系尚不完善。未来需要通过多尺度、多指标的研究，并最终通过实体路段长期观测，来全面确认CPCMs对沥青路面综合性能的实际影响。

该综述的价值与意义 这篇由Meng Guo等人撰写的综述具有重要的学术价值与工程指导意义。它首次在*Construction and Building Materials*这一高水平期刊上，对相变材料在沥青路面领域的研究进行了全面、系统的梳理与总结。文章不仅清晰阐述了该领域的基础理论与技术原理，更重要的是，通过对比分析“直接掺入”与“复合封装”两条技术路线的优劣，明确指出了防止PCMs泄漏是决定其能否成功应用于道路工程的关键。文章为后续研究者提供了一个清晰的知识框架和技术发展脉络，明确了从材料选择、制备工艺到性能评价的研究链条。所提出的未来研究方向切中要害，为领域内的科学家和工程师指明了攻关重点。该文标志着相变材料调温沥青路面技术从初步探索走向理性、深入发展的新阶段，对于推动这一绿色、智能路面技术的发展具有重要的里程碑意义。