关于相变材料降低混凝土路面温度的长期热影响研究报告
本报告旨在介绍一项关于在混凝土路面中应用相变材料以降低路面温度、缓解城市热岛效应的原创性研究成果。该研究由 B. R. Anupam、Umesh Chandra Sahoo、Prasenjit Rath 和 Sandeep Pattnaik 四位研究者共同完成，他们的主要机构是印度布巴内斯瓦尔印度理工学院，分别来自基础设施学院、机械科学学院以及地球、海洋与气候科学学院。这项研究以《混凝土路面中相变材料的热行为：两种有机混合物的长期热影响分析》为题，发表于2022年10月17日的《International Journal of Pavement Research and Technology》期刊上。
从学术背景来看，这项研究属于交通运输工程与材料科学交叉的领域，具体聚焦于“凉爽路面”技术。研究背景基于两个日益严峻的问题：一是城市热岛效应，其中铺装路面因吸收太阳辐射导致表面温度升高，是加剧城市热岛效应的主要因素之一；二是高温引起的混凝土路面内部温差应力，可能导致路面开裂，影响其耐久性和使用寿命。传统的降温路面技术，如反射路面和蒸发冷却路面，均存在一定的局限性。相变材料作为一种新兴的热管理手段，在建筑工程中已得到应用，其原理是利用物质相变过程中吸收或释放大量潜热来调节温度。将PCMs应用于路面，以吸收白天太阳辐射的热量，从而降低路面峰值温度，成为一个具有前景的研究方向。然而，以往的研究多集中于短期或日间热行为分析，对于PCM路面的季节性及长期热性能、以及降温效果的一致性缺乏系统评估。因此，本研究的目标是：在真实野外条件下，评估两种商用有机混合物相变材料在混凝土路面中的长期热性能，探究关键影响因素，并分析其降温效果的显著性与一致性。
该研究的详细工作流程清晰明确，可分为五个主要步骤。第一步是材料选择与封装制备。研究选用了两种商业化的有机混合物相变材料：OM35和OM42，它们的相变温度分别为35°C/34°C（熔融/凝固）和44°C/43°C，潜热值分别为115.9 J/g和182.3 J/g。由于直接将PCM掺入混凝土会对其力学强度产生不利影响，本研究采用了封装技术。具体方法是：以多孔、轻质的膨胀粘土骨料作为封装介质，首先将其加热去除水分，然后浸入熔融的PCM中24小时使其充分浸渍，最后用水泥浆涂层包裹，形成可抵抗荷载的封装PCM颗粒。第二步是力学性能评估。为了确定PCM掺入对混凝土结构性能的影响，研究进行了不同ECA替代率下的混凝土抗压和抗弯强度试验。根据印度标准进行的测试表明，当ECA替代粗骨料的比例达到10%时，混凝土7天和28天的力学强度仍能满足要求（基于M30强度等级设计）。因此，后续的热性能研究采用了10%的ECA替代率。第三步是试验板建造与长期监测设置。研究在野外建造了三块尺寸为1米×1米×0.3米的混凝土板：一块为不含PCM的对照板，另外两块分别掺入OM35和OM42封装PCM。关键设计在于，PCM混凝土仅用于受太阳辐射影响最大的表层0.1米，底部0.2米为普通混凝土。温度监测系统由埋设在路表的T型热电偶和一个太阳能供电的数据采集器组成，数据采集频率为1赫兹。第四步是长达一年的连续数据采集。系统从2020年7月到2021年6月，不间断地记录了这三块路面板的表面温度，同时收集了气温、相对湿度、风速、太阳辐射和降雨等气象数据。第五步是数据分析。研究团队不仅分析了日间温度变化、长期温度降低趋势，还运用了方差分析和单尾t检验等统计方法，以验证降温效果的显著性，并通过计算月平均降温的变异系数来评估性能的一致性。
研究取得了一系列详细且相互关联的重要结果。在日间温度变化方面，数据显示OM42掺入板比OM35板表现出更高的降温幅度（约2°C对比约0.5°C），这直接归因于OM42更高的潜热值。一个有趣的发现是，夜间由于PCM凝固释放潜热，路面温度会有所回升，但夜间的温升幅度（约1°C）仅为白天降温幅度（约2°C）的一半左右。研究解释，这是由于PCM的凝固速率慢于熔化速率，释放潜热需要克服路面导热和空气对流阻力，导致过程更缓慢。这一结果表明，PCM的凝固过程与其熔化过程同等重要，共同决定了长期降温效果。
在长期热性能方面，为期一年的监测数据揭示了关键规律。OM35和OM42的最大降温值分别为3.98°C和4.12°C。重要的是，峰值降温发生的季节不同：OM35的峰值降温出现在冬季，而OM42的峰值降温出现在夏季。这一现象与PCM的相变温度密切相关。OM35的相变温度较低，在冬季白天也能有效熔化吸热，而OM42则因相变温度高，在冬季可能熔化不充分；到了夏季，两者都能有效熔化，但夏季夜晚温度仍较高，OM35可能无法完全凝固，而OM42则能在夜间更有效地完成凝固过程，从而在次日白天继续保持吸热能力。因此，OM42在研究对象所在气候区（夏季炎热）表现出更优越的整体性能。计算得出的年平均降温幅度，OM35为1.37°C，OM42为2.24°C，进一步证实了高潜热对提升年平均降温效果的贡献。
统计分析与一致性评估的结果强化了研究的可靠性。方差分析在1%的显著性水平上拒绝了“PCM掺入对年平均路面温度无显著影响”的零假设。随后的单尾t检验进一步证实，与对照板相比，OM35板和OM42板的年平均路面温度均显著降低（P值极低）。对比两者，OM42的降温效果更为显著。在一致性方面，通过计算月平均降温的变异系数发现，OM42的变异系数为16.02%，远低于OM35的34.73%，表明OM42提供的降温效果在一年中更为稳定。此外，经过一年的气候暴露，两种PCM的降温效率没有明显衰减，证明了其长期有效性。
基于以上结果，本研究得出了明确的结论。首先，在混凝土路面中掺入PCM可以有效降低全年日间路面温度，但降温效果取决于PCM的潜热和相变温度。潜热主要决定了年平均降温的幅度，潜热越高，降温潜力越大。相变温度则决定了峰值降温发生的季节。选择PCM时，其熔点应确保在夏季白天能被路面高温熔化，同时在夏季夜晚又能被较低的路面温度凝固，以实现最佳季节性性能。其次，PCM路面夜间温升幅度仅为日间降温幅度的一半左右，这意味着其对加剧夜间城市热岛效应的影响小于预期。第三，统计分析肯定了掺入OM35和OM42均能带来显著且一致的路面降温效果。
本研究的价值体现在科学和应用两个层面。科学价值在于，它首次系统评估了PCM混凝土路面在真实环境下的长期（一年）热行为，明确了潜热和相变温度这两个关键参数对降温幅度、峰值季节和一致性的具体影响规律，填补了该领域长期性能研究数据的空白。应用价值在于，它为在不同气候区选择适合的PCM用于凉爽路面建设提供了具体、量化的指导原则：建议在具有类似研究区域气候（夏季炎热日、夜温差尚可）的地方使用OM42这类较高相变温度和高潜热的PCM；并指出PCM路面更适合日间炎热、夜间凉爽的地区，以避免加剧夜间热岛效应。研究还提供了在不显著损害混凝土力学强度前提下的最大PCM封装骨料掺量参考（10%替代率）。
本研究的亮点突出。第一，研究对象的长期性与全面性：长达一年的连续野外监测，涵盖了完整的季节性周期，并同步记录了多种气象参数，使得分析更为可靠。第二，揭示了相变温度对峰值降温季节的关键性影响，这是以往短期研究难以发现的深层规律。第三，通过严谨的统计分析（ANOVA， t-test）和一致性评估（变异系数），不仅证明了降温效果的显著性，还量化了其稳定性，增强了结论的说服力。第四，明确指出了PCM应用可能带来的夜间温升问题及其相对有限的影响，并提出了与单向传热技术结合的后续研究方向，体现了研究的客观性和前瞻性。
此外，研究还包含一些有价值的对比和启示。例如，与过往研究（如Dehdezi等人使用熔点为26°C的PCM获得3.5°C降温）相比，本研究使用OM42取得了4.12°C的最大降温，效果更优。研究流程图、PCM封装示意图以及长期温度与气象数据图表，都为理解和复现该研究提供了良好支持。最后，作者团队来自不同学院（基础设施、机械、气候科学），这种跨学科合作模式也是该研究能成功整合材料工程、热力学和气候环境分析的重要因素。