相变自调温透水沥青路面性能研究报告
本报告旨在向学界同仁介绍近期发表于学术期刊《Buildings》上的一项原创性研究，题为《Study on the Performance of Phase-Change Self-Regulating Permeable Asphalt Pavement》。该项研究由大连理工大学、中辂高科（北京）路桥技术有限公司、交通运输部公路科学研究院及石家庄交建高速公路建设管理有限公司西环分公司等单位的研究人员合作完成，于2023年10月26日正式发表。本研究聚焦于土木工程领域中的道路工程与材料科学交叉方向，主要探索将相变材料（Phase-Change Materials, PCMs）应用于沥青及沥青混合料，以赋予沥青路面在低温条件下自动调温、抑制结冰和裂缝发展的新型功能。研究的核心目标是：缓解冬季低温导致的路面开裂和结冰等病害；探究相变材料对沥青及透水沥青混合料各项关键性能指标的影响；评估相变调温沥青路面在提升冬季行车安全与路面耐久性方面的应用潜力。
学术背景与研究目标 在气候变化的背景下，极端天气频发，沥青路面在冬季面临的低温挑战日益严峻。低温会导致沥青材料脆化，产生横向裂缝；同时，路面结冰会显著降低抗滑性能，增加交通事故风险。传统解决方法存在局限性，因此，寻求一种能根据环境温度变化自动调节路面内部温度的材料与技术，成为提升寒区沥青路面服役性能的关键研究方向。相变材料作为一种能通过固-液等相态转变储存或释放大量潜热的材料，已广泛应用于建筑节能等领域。其基本原理是：当环境温度达到相变温度时，材料发生相变吸收热量，减缓路面升温（“削峰”）；当环境温度下降时，相变材料释放储存的热量，减缓路面降温（“填谷”），从而在一定范围内稳定路面工作温度，减少极端温度的出现频率和持续时间。本研究基于此原理，选取石蜡基相变材料，旨在将其引入沥青胶结料及透水沥青混合料中，开发出具有相变自调温功能的路面材料，并系统评价其路用性能、调温效果及抗冰除雪能力。
详细研究流程 本研究遵循了从原材料制备、沥青胶结料性能表征到沥青混合料综合评估的系统化实验流程。整个研究包含四个主要步骤：相变调温沥青的制备与基本性能测试、沥青胶结料的流变与抗冰性能研究、相变透水沥青混合料的热工性能研究、以及相变透水沥青混合料的路用性能研究。
首先，研究人员选用直链烷烃类石蜡基相变材料（十二烷、十四烷、十六烷），将其以四种不同掺量（6%、7%、8%、9%）加入到基质高粘沥青中，制备成相变调温高粘沥青。研究测定了不同掺量下沥青的三大指标（针入度、延度、软化点）和动力粘度。随后，利用动态剪切流变仪（Dynamic Shear Rheometer, DSR）和弯曲梁流变仪（Bending Beam Rheometer, BBR）对沥青进行了性能等级（PG）评定、温度扫描、频率扫描及多应力蠕变恢复（MSCR）等流变学试验，以评价其高低温性能。特别地，为直观评估其抗冰效果，研究设计了结冰观测实验：将制备的沥青胶结料试件置于恒温低温箱中（设定温度为-2.5°C和-5°C），在30分钟至180分钟的连续冻结过程中，观察并记录表面冰层形成状态，并用小刀测试冰层硬度。
其次，研究采用了目标孔隙率为22%的透水沥青混合料（PAC-13）级配。将相变材料以不同质量百分比（0.3%、0.35%、0.4%、0.45%）掺入沥青混合料中，与未掺相变材料的对照组进行对比研究。在热工性能方面，采用瞬态法测试了混合料的导热系数；并通过模拟日照储能后低温放热融冰的过程，设计了融冰除雪能力试验：将试件在25°C无热源条件下恒温后，置于密封箱内接受上方热源照射2小时，然后移至-5°C恒温箱中，在其中心垂直放置标准圆柱形冰块，记录冰块在3小时内的质量损失，以此量化混合料的融冰能力。
最后，对相变透水沥青混合料进行了全面的路用性能测试。包括：采用体积法测定空隙率；进行马歇尔稳定度试验以评价其基本强度；通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价其水稳定性；通过车辙试验（60°C，0.7MPa轮压）评价其高温稳定性，以动稳定度（DS）为指标；通过低温弯曲试验（破坏应变）评价其低温抗裂性能。所有试验均遵循相关规范进行，并通过多组平行试验取平均值以确保数据的可靠性。整个研究的数据分析基于对比法，通过不同相变材料掺量的性能指标与基准组（掺量为0）的对比，揭示变化趋势并得出结论。
主要研究结果 在沥青胶结料性能方面，研究获得了系统性成果。基本性能测试显示，随着相变材料掺量的增加，高粘沥青的针入度、软化点、延度（5°C）和动力粘度均呈现逐渐增大的趋势。例如，掺量从0%增至9%，针入度从41.20 (0.1mm) 升至65.07 (0.1mm)，延度从35.80 cm增至72.80 cm，软化点从95.35°C升至101.95°C。这表明相变材料的加入增加了沥青中饱和分含量，在一定程度上软化了沥青，但也略微提高了其高温粘度。
流变学测试结果更为关键。高温PG分级结果表明，相变材料的加入提高了沥青的车辙因子（G*/sinδ），改善了其高温抗变形能力。低温BBR测试显示，掺加8%和9%相变材料的沥青，其低温PG分级可从PG-22提升至PG-28，表明其低温抗裂性能得到显著增强。温度扫描实验进一步证实，在30-80°C范围内，相变改性沥青的车辙因子整体高于未改性沥青，尤其在中低温区间提升效果更明显。
在抗冰性能的直接观测中，研究获得了直观而有力的证据。无论是在-2.5°C还是-5°C条件下，掺有相变材料的沥青胶结料试件，其表面结冰速度均明显慢于未掺加的试件。在-2.5°C下，未改性试件约90分钟表面已基本冻结，而改性试件（如8%、9%掺量）在120分钟后冰层下仍有少量水存在，结冰滞后效应明显。并且，完全冻结后，改性沥青表面冰层的硬度较低、结构较疏松，更容易被小刀刮除，说明相变材料能有效降低冰与沥青之间的粘结力。
在混合料热工性能方面，结果令人鼓舞。导热系数测试表明，相变材料的加入能大幅降低透水沥青混合料的导热系数。当掺量为0.30%时，导热系数降低了57.56%；当掺量增至0.45%时，降幅达74.02%。这意味着混合料与外界环境的热交换能力被显著削弱，有利于在冬季减缓路面内部热量散失。融冰除雪能力试验显示，添加相变材料能有效提升混合料的融冰能力，且掺量越大，能力越强。掺量从0.3%增至0.45%，融冰能力提升超过20%，基本呈线性增长。这证实了相变材料通过储存并延缓释放热量，能够主动促进路面冰雪融化。
在路用性能方面，相变材料的影响呈现出有区别的优化效果。首先，相变材料对混合料的目标空隙率几乎没有影响，确保了透水功能的维持。其次，它显著改善了混合料的抗水损害性能和低温抗裂性能：浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比均随掺量增加而大幅提高，最高可达99%以上；低温弯曲破坏应变随掺量增加而显著增大，当掺量为0.45%时，破坏应变约为未掺加混合料的2倍。然而，相变材料对高温稳定性和马歇尔稳定度产生了负面影响：车辙试验动稳定度和马歇尔稳定度均随掺量增加而下降。例如，掺量0.45%时，动稳定度下降了约37.1%。研究分析认为，这可能是由于在60°C车辙试验的长时间保温过程中，相变材料吸收热量发生相变，导致沥青胶结料软化所致。尽管如此，所有掺量下混合料的动稳定度和马歇尔稳定度仍能满足规范要求。
研究结论与价值 本研究系统论证了将石蜡基相变材料应用于透水沥青路面的可行性及其综合效益。主要结论如下：1. 相变材料的掺入可改变沥青的常规性能指标，并显著提升其高低温流变性能等级，增强抗车辙与抗低温开裂能力。2. 在模拟低温环境下，相变沥青能有效延缓表面结冰，并降低冰层粘结强度。3. 相变透水沥青混合料具有优异的热调节能力，能降低导热系数超过50%，提升温度调节率超过30%，增强融冰除雪能力超过20%，从而延迟路面结冰时间。4. 相变材料能有效提升透水沥青混合料的水稳定性和低温抗裂性，虽略微降低其高温稳定性与马歇尔稳定度，但仍符合规范要求，实现了性能的综合优化与平衡。本研究的科学价值在于，为沥青路面材料的功能化设计提供了新的思路和详实的数据支撑，深化了相变材料在道路工程中应用的基础理论。其应用价值巨大，为解决冬季路面冰雪病害和低温开裂这一行业难题提供了一种主动式、环境友好的潜在技术方案，有助于提升寒区及多雪地区道路的安全性与耐久性，具有重要的工程实践意义。
研究亮点 本研究的亮点突出体现在以下几个方面：首先是研究目标的创新性，将相变调温理念与透水沥青路面技术相结合，旨在开发兼具温度自调节、排水和安全功能的智能路面。其次是实验设计的系统性，从沥青胶结料的微观流变行为到混合料的宏观路用性能，从室内材料试验到模拟环境下的功能验证，构成了完整的研究链条。第三是功能验证的直观性，独创性地设计了低温结冰过程观测试验和混合料融冰能力量化试验，为相变材料的抗冰除雪功效提供了直接而有力的证据。最后是结论的辩证性，研究不仅报告了相变材料带来的诸多性能益处，也客观揭示了其对高温稳定性的不利影响，并指出了其掺量需在性能提升与成本效益间取得平衡，这为后续研究和工程应用提供了宝贵的参考。
其他有价值的补充 研究中指出了未来值得深入探索的方向。例如，本研究虽观测到性能变化，但尚未深入探讨相变材料与沥青之间相互作用的微观机理。未来的研究可从分子层面入手，解析其相互作用机制。此外，研究虽测试了多个掺量，但并未明确给出兼顾各项性能与经济性的最优掺量建议，确定一个最优或合理的掺量范围是走向工程应用的关键一步。这些思考为该领域的后续研究指明了潜在路径。