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沥青路面用复合相变材料研究进展

期刊:化工新型材料DOI:10.19817/j.cnki.issn1006-3536.2024.06.050

类型b:
《沥青路面用复合相变材料研究进展》学术报告

作者及机构
本文由曾正源、王雪婷、江雨臻、况栋梁*、陈华鑫(通讯作者)合作完成,作者单位均来自长安大学材料科学与工程学院。论文发表于《化工新型材料》(New Chemical Materials)2024年第6期,中图分类号为U414,DOI编号10.19817/j.cnki.issn1006-3536.2024.06.050。

主题与背景
本文综述了复合相变材料(Phase Change Materials, PCMs)在沥青路面中的应用研究进展,旨在通过相变材料的温度调控功能缓解夏季路面高温病害及城市热岛效应。文章系统梳理了相变材料的分类、复合技术、控温机理及对沥青路面性能的影响,并指出了未来研究方向。

主要观点与论据

  1. 相变材料的分类与特性
    文章将相变材料分为无机、有机和共晶三类。无机材料(如水合盐)虽成本低且相变焓高,但存在过冷和相分离问题;有机材料(如石蜡、脂肪酸)性能稳定但易泄漏;共晶材料通过多元混合可调节相变温度与焓值,理论计算公式(式1-2)为共晶设计提供了依据。例如,袁艳平等推导的共晶温度((T_m))和焓((\Delta H_m))公式,为材料筛选提供了理论支持。

  2. 复合相变材料技术
    针对直接掺入PCM导致沥青性能劣化的问题,提出了两种复合技术:

    • 微胶囊化:通过壁材包裹PCM(如十四烷-正辛酸微胶囊),减少泄漏。马峰等研究表明,掺量13%时微胶囊破损会导致车辙因子下降63.8%~89.4%。
    • 定形吸附:利用膨胀石墨(EG)、二氧化硅等多孔载体吸附液态PCM。如表1所示,EG吸附石蜡后相变焓达126.4 J/g,但吸附量需平衡泄漏风险与降温效果。
  3. 沥青路面传热与控温机理
    路面传热以热传导为主,受太阳辐射率、材料热物性(导热系数、比热容)影响。Qin提出的路面最高温度模型(式3-4)表明,PCM通过提高热容间接增加热阻。有限元模拟(Si等)显示,掺1.8% PCM可使沥青层降温1.5℃以上,但导热系数过低可能加剧层间温度梯度。

  4. 相变材料应用效果

    • 控温性能:恒温加热法和钨灯辐射法测试表明,PEG/SiO₂掺量9%时沥青温差达7.5℃(Wang等);室外试验中,SA/TAMSN(鞣酸模板介孔二氧化硅)降温6℃(张雄杰)。
    • 路用性能:复合PCM改善沥青高温流变性(如降低粘温指数VTS),但过量掺入(如50% PEG/EG)会劣化水稳定性(残留稳定度<75%)。微胶囊破损(李思琪)或吸附失效(高玉超)是性能下降主因。
  5. 现存问题与未来方向
    当前挑战包括:PCM泄漏对沥青性能的负面影响、控温测试方法未标准化、气候适应性不足。作者建议:

    • 研发高力学强度微胶囊壁材(如聚甲基丙烯酸甲酯);
    • 优化载体吸附工艺(如介孔材料改性);
    • 建立统一的路面温度场模拟标准。

意义与价值
本文系统总结了复合PCM在沥青路面中的研究现状,为“凉爽路面”技术提供了材料选择、复合工艺及性能评价的全面参考。其科学价值在于阐明了PCM控温机理与沥青性能的关联性,应用价值则体现在指导实际工程中PCM的优化设计与施工。

亮点
- 首次对比了微胶囊与定形吸附技术的优劣及适用场景;
- 整合了传热模型、实验数据与工程案例,提出“热容-热阻协同”控温机制;
- 指出泄漏问题是未来研究核心,并给出具体改进路径(如壁材强化、载体改性)。

其他有价值内容
文末列举了31篇参考文献,涵盖相变材料理论、沥青改性及路面模拟等领域,为后续研究提供了重要文献线索。基金信息显示,该研究受浙江省交通厅、陕西省科技厅等项目支持,凸显其工程应用导向。

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