面向新型道路材料的研究报告：复合定形相变材料对沥青混合料温度的调控作用
作者、机构与发表信息
本研究的作者为Biao Ma (第一作者，通讯邮箱: mabiaochd@163.com), Jun Li, Xiaoman Wang 以及 Nan Xiao。Biao Ma, Jun Li 和 Nan Xiao 来自中国西安市长安大学的“道路结构与材料交通行业重点实验室 (Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education)”。Xiaoman Wang 则隶属于位于北京的中国交通运输部公路科学研究院 (China Academy of Transportation Sciences)。该研究发表于期刊 Advanced Materials Research 的第311-313卷 (2011年)，具体的在线发表时间为2011年8月16日，其数字对象标识符 (DOI) 为10.4028/www.scientific.net/amr.311-313.2151。
学术背景与研究动因
本研究隶属于道路工程与材料科学交叉领域，具体聚焦于沥青路面性能提升技术。其核心科学背景在于应对沥青路面长期存在的两大世界性病害：低温开裂与高温车辙。沥青作为一种感温性材料，其路用性能严重依赖于工作温度。在寒冷季节，沥青混合料收缩受到约束产生应力，当应力超过材料强度时便引发低温开裂；在炎热季节，沥青结合料软化，在车辆荷载重复作用下易产生永久性变形，即车辙。这两种病害不仅显著降低了路面的功能性能（如平整度），更对行车安全构成威胁。
为了改善沥青混合料的温度稳定性，传统研究路径多集中于使用改性沥青或掺加纤维等方法，但问题并未得到根本性解决。因此，探索能够主动调节沥青混合料工作温度的新技术成为行业内的长期研究方向。相变材料 (Phase Change Material， PCM) 为此提供了一个崭新的思路。PCM 的核心特性是其相变潜热：在特定温度范围内发生相变（如固态与液态之间的转变）时，能够吸收或释放大量热量，从而实现能量的储存与释放，调节能量供需的不匹配。PCM 在建筑节能等领域已得到成功应用，例如用于墙体材料以调节室内温度。
将 PCM 引入沥青混合料的初步研究表明，它确实具备调节混合料温度的潜力。然而，一个关键的技术瓶颈在于：传统的 PCM 在沥青混合料的工作过程中容易发生泄漏，这不仅降低了 PCM 自身的耐久性，也可能影响混合料的长期性能。经过多次温度循环后，PCM 会出现质量损失，导致其调温功能逐渐衰退。为了解决 PCM 泄漏问题，研究者们转向对 PCM 进行改性。复合定形相变材料 (Composite Shape-stabilized Phase Change Material， CSPCM) 便是其中一种有效的解决方案，它通过物理或化学方法将 PCM 封装在支撑材料（如聚合物）内部，形成稳定的形状，防止其在相变时泄漏。
尽管 CSPCM 在解决泄漏问题上展现出优势，但其对沥青混合料温度的具体调控效果，尤其是在实际路用条件下的表现，尚未得到充分研究。因此，本研究旨在填补这一空白。研究的具体目标包括：1) 通过单降温/升温试验，定量分析掺加 CSPCM 对沥青混合料在单一温度变化趋势下温度历程的影响；2) 通过室外模拟循环试验，评估 CSPCM 在接近实际环境温度波动条件下对沥青混合料（尤其是试件底部）温度场的调节作用；3) 验证 CSPCM 在沥青混合料中应用的可行性与有效性，为后续深入研究奠定基础。
详细研究流程与方法
本研究设计并执行了三组核心试验，形成一个从基础到模拟、从单一过程到循环过程的完整研究链条。
第一流程：材料准备与表征 本研究采用由聚合物定形法制备的颗粒状 CSPCM。其具体构成如下：以不饱和有机酸为主的固-液相变材料作为储能核心，以聚丙烯作为载体材料，通过物理交联、混合、熔融挤出、造粒、高速离心等工艺制备而成。为了精确掌握其热物理性能，研究使用了差示扫描量热仪 (Differential Scanning Calorimeter, DSC) 进行测试。关键热性能参数如下：相变起始温度为 0.5°C，相变结束温度为 26°C，相变峰值温度为 22.1°C，而最重要的是其熔解焓（即相变潜热）为 46.97 J/g。这些参数表明该 CSPCM 的相变温度区间覆盖了常见的路面工作温度，其储能能力为后续的温度调控提供了理论依据。
第二流程：单降温与单升温试验 此流程旨在探究 CSPCM 在单纯的冷却或加热过程中对沥青混合料温度变化的“阻尼”效应。 * 研究对象与样本： 制备两种类型的圆柱体试件：掺加 CSPCM 的沥青混合料试件和不掺加 CSPCM 的基准沥青混合料试件。试件尺寸为直径 150 mm，高 150 mm。在试件中心钻有直径 100 mm 的垂直通孔，以便在孔内壁中部粘贴温度传感器，测量试件内部温度。试件的顶面和底面使用直径 100 mm、高 25 mm 的圆柱体密封，以模拟一维传热条件。 * 实验方法： 1. 单降温试验： 将两种试件在常温下放置一段时间，确保其内部温度均匀。然后，将它们同时放入温度为 -30°C 的环境箱中，并确保试件与箱壁保持一定距离。开启温度传感系统，每 5 分钟记录一次温度数据，持续监测冷却过程。 2. 单升温试验： 随后，将两个试件从 -30°C 环境箱中取出，立即转移到温度为 20°C 的另一个环境箱中。温度传感系统继续保持记录，直到两个试件的温度几乎相同并稳定为止。 * 数据分析流程： 记录并绘制两种试件的温度-时间曲线。计算并分析两者之间的温度差随时间的变化曲线。同时，通过对比相同温度点下两种试件达到该温度所需的时间差，定义了“滞后时间 (lag time)”，并分析滞后时间与试件温度之间的关系。
第三流程：室外模拟循环试验 此流程旨在模拟更接近真实道路环境的昼夜温度循环条件，评估 CSPCM 对沥青混合料结构层（尤其是底部）温度场的长期调节效果。 * 研究对象与样本： 采用车辙试验板尺寸的试件，即长 300 mm、宽 300 mm、高 50 mm。为了模拟实际道路的基层条件，先铺设 30 mm 厚的细粒土并压实整平。将两组（每组两个）掺 CSPCM 的试件和两组不掺 CSPCM 的基准试件放置于压实土上。试件之间的接缝用热沥青填充，以模拟连续路面。 * 实验方法： 在试件的顶面和底面粘贴温度传感器。试验于 2011 年 3 月 22 日至 25 日进行连续观测，记录环境温度及试件底部的温度变化。 * 数据分析流程： 绘制试件底部温度与环境温度随时间（跨越数日）的变化曲线。重点分析掺 CSPCM 与基准试件底部温度的差异，特别是在每日最高温和最低温出现时的温差大小及变化速率。观察最高、最低温度出现的时间点是否因 CSPCM 的加入而改变。
主要研究结果分析
单降温试验结果： 如图1(a)所示，在整个冷却过程中，掺加 CSPCM 的试件温度始终高于基准试件。这直观证明，在相同冷却条件下，CSPCM 释放其储存的相变潜热，有效减缓了沥青混合料的冷却速率。 如图1(b)所示，两试件间的温度差并非恒定，而是呈现先增大后减小的趋势。在冷却开始后第 48 分钟，温差达到最大值 1.1°C，并维持了一段时间。这表明 CSPCM 从冷却过程一开始就在释放热量，且在温差达到最大值期间持续释放潜热。 如图1©所示，“滞后时间”随着试件温度的降低而显著增加。例如，在较高温度区间滞后时间较短，而在接近低温时滞后时间可达数十分钟。这揭示了 CSPCM 具有显著的“温度阻尼效应”，且该效应随着温度向相变区间靠近而增强。这意味着 CSPCM 能延长沥青混合料处于理想工作温度范围内的时间。
单升温试验结果： 如图2所示，加热过程中的规律与降温过程相似，但方向相反。掺加 CSPCM 的试件温度低于基准试件，因为 CSPCM 在此过程中吸收热量进行相变。一个关键的定量发现是：加热过程中的最大温差达到 1.5°C，大于降温过程中的最大温差 (1.1°C)。这一差异可能源于相变材料在吸热和放热过程中热传递特性的细微差别，或与环境箱的边界条件有关，但明确显示了 CSPCM 在抑制升温方面同样有效，甚至效果可能更显著。
室外模拟循环试验结果： 如图3所示，连续三天的观测数据趋势基本一致。由于 CSPCM 的储热/放热特性，掺 CSPCM 试件底部的温度变化速率明显小于基准试件。 * 温差分析： 如图3(b)所示，在夜间冷却过程中，底部最大温差为 0.6°C；而在白天加热过程中，底部最大温差为 1.1°C。这再次印证了室内单升温试验的发现，即 CSPCM 在升温阶段的抑制效果更为突出。这些数据证实，掺入 CSPCM 能够影响沥青层底部的极端温度值（降低最高温、提高最低温）并减缓其温度变化率，从而理论上可以减小因温度剧烈波动产生的温度应力。 * 极值出现时间分析： 无论是否掺加 CSPCM，所有试件底部的最低温度均出现在每日早晨 8:00 左右，而最高温度则出现在每日下午 15:30 左右。这一结果至关重要，它表明 CSPCM 的加入 并未改变 沥青层极端温度出现的时刻。其作用在于“削峰填谷”——降低峰值、抬升谷值，而不是延迟或提前温度的相位。
研究结论与价值
本研究通过系统的室内外试验，得出以下核心结论： 1. 基础调温性能确认： 掺加复合定形相变材料 (CSPCM) 能够有效调节沥青混合料的温度历程。在冷却过程中提升其温度，在加热过程中降低其温度，表现出明显的温度阻尼效应，从而延长沥青混合料处于理想工作温度区间的时间。 2. 实际环境模拟验证： 在模拟实际环境温度循环的条件下，CSPCM 能够降低沥青混合料试件底部的最高温度，同时提高其最低温度，最大温差可达 1.1°C。它能有效减缓温度变化速率，有助于降低热应力。但需注意，它不能改变极端温度出现的时刻。 3. 综合应用价值： 该研究表明，将 CSPCM 掺入沥青混合料是一种能够主动拓宽其工作温度范围、延长理想温度工作时间、并提升其对环境变化适应性的潜在技术途径。这为从根本上缓解沥青路面的低温开裂和高温车辙病害提供了一种创新的材料解决方案。
研究亮点与创新
其他有价值内容
本研究得到了“交通运输部西部交通建设科技项目 (200831822161)”的资助，表明其属于行业关注的重大技术需求范畴。文中引用了包括国际期刊 Renewable and Sustainable Energy Reviews 等在内的多篇文献，显示了作者对相变材料领域国际研究进展的了解，并将该技术与道路工程进行了有效结合。研究成果对于推动智能调温路面、节能环保型道路的建设具有积极的探索意义。