本文档的作者为陈美祝（Chen Meizhu）、洪静（Hong Jing）、吴少鹏（Wu Shaopeng）、万璐（Wan Lu）、徐广杰（Xu Guangjie），其所属机构为武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室。该研究发表于学术会议论文集《Advanced Materials Research》第219-220卷中，在线发表日期为2011年3月28日。
本研究属于道路工程与材料科学交叉领域，具体关注沥青路面高温病害的防治技术。研究的学术背景源于一个普遍且严峻的工程问题：车辙。沥青路面，特别是高温地区，在夏季持续高温和日益增长的交通荷载作用下，极易发生车辙变形。车辙不仅影响行车舒适性与安全性，还会加速沥青老化，缩短路面使用寿命。传统的防治方法，如使用骨架密实结构（Stone Mastic Asphalt, SMA）、聚合物改性沥青、或通过提高路面反射率、洒水降温等手段，均存在各自的局限性，未能从根本上有效解决问题。因此，寻找一种新颖且更有效的降温方法显得至关重要且迫切。
在此背景下，相变材料（Phase Change Material, PCM）进入了研究者的视野。PCM因其在相变过程中能够以潜热形式储存和释放大量热能，具有高储能密度的特点，已在储能领域和建筑材料中得到成功应用。研究表明，PCM能有效调节构筑物内部温度。然而，将PCM应用于沥青路面以调节其温度、从而防治车辙的研究，在当时尚未广泛开展。基于此，本研究旨在探索利用PCM实现沥青路面温度自调控、以预防车辙的可行性。具体研究目标包括：阐述PCM用于沥青路面的温度控制机理；制定适用于沥青路面的PCM选择准则；并通过室内试验，验证含PCM沥青混凝土的温控效果。
本研究的工作流程清晰，主要包含理论分析、材料选择与制备、以及实验验证三个核心部分。
首先，在理论分析部分，研究者深入探讨了PCM用于沥青路面的温度控制机理。PCM是一种能够在特定温度下发生相变（如固-液转变）并伴随大量热量吸收或释放的材料。当沥青路面因太阳辐射温度升高至PCM的相变温度时，PCM发生相变（如熔化），吸收并储存热量，此过程近似等温，从而抑制了路面温度的进一步上升。当环境温度下降至相变温度以下时，PCM发生逆向相变（如凝固），释放储存的热量，减缓路面温度的下降速度。通过这种“削峰填谷”的作用，PCM可以将沥青路面的温度波动控制在一个相对较小的范围内。文中特别指出，沥青路面中层的温度最高，这与车辙通常发生在中层的事实相符，因此将PCM置于该层理论上能最有效地缓解高温导致的永久变形。
其次，在材料选择与准则制定部分，研究基于理论分析提出了PCM的关键选择参数——相变温度范围。这是本研究的核心创新点之一。研究者通过分析沥青混凝土的动态稳定性（评价高温性能的指标）与温度的关系曲线（图1），发现无论是基质沥青还是改性沥青，其动态稳定性随温度升高而下降的趋势均存在一个“急剧下降区”。对于基质沥青，这个区域大约在48℃~52℃之间；对于改性沥青，则在55℃~60℃左右。该现象的原因是，当温度超过所用沥青的软化点时，沥青变软，混合料抗变形能力骤降。因此，为了有效防止车辙，PCM的相变温度上限必须低于所用沥青的软化点，以在沥青开始软化前启动吸热机制，稳定路面温度。同时，相变温度也不宜过低。如果过低，PCM需要吸收过多能量来维持低温，这意味着需要大量或更高热容的PCM，这在当前既不经济也不现实。此外，夜间PCM释放储存的热量可能导致路面温度仍高于人体舒适温度（约25℃），加剧城市热岛效应。综合考量后，研究提出了明确的PCM相变温度选择准则：其应比实际所用沥青的软化点低3-5℃。基于此准则，本研究选用并制备了一种相变温度范围在40℃~50℃、潜热值约为150 J/g的石蜡/膨胀石墨复合定形相变材料（Shape-Stabilized PCM）。其中，石蜡作为相变功能材料，膨胀石墨作为多孔支撑骨架，利用毛细管力和表面张力防止石蜡熔化后泄漏。
第三，在实验验证部分，研究者设计并进行了含PCM沥青混凝土的室内温升试验。实验对象为两组沥青混凝土试件：一组为掺加了上述石蜡/膨胀石墨PCM的实验组试件，另一组为不掺PCM的对照组试件。实验装置主要包括一个由300W金属卤化物灯模拟的太阳光源（太阳模拟器）和一个带热电偶的数据采集系统。数据记录装置每30秒自动读取并存储一次温度数据。将两组试件置于太阳模拟器下相同的距离，确保接受的光照分布和强度一致，以进行公平对比。实验过程模拟了白天升温与夜间降温的过程，持续监测试件内部温度随时间的变化。
本研究取得的主要结果如下：
在理论分析方面，明确提出了PCM用于沥青路面的温度调控机理，并基于沥青材料的高温性能转折点（动态稳定性急剧下降的起始温度），创新性地推导出了PCM相变温度的选择准则，即“低于沥青软化点3-5℃”。这为后续材料筛选和工程应用提供了关键的理论依据。
在实验验证方面，温度-时间曲线（图2）直观地展示了PCM的温控效果。在加热（模拟白天）过程中，掺加PCM的试件温度上升速率明显低于对照组试件；在冷却（模拟夜晚）过程中，含PCM试件的温度下降速率则高于对照组。更重要的是，在整个观测周期内，含PCM试件的平均温度比对照组试件低约2℃。这一数据虽然绝对值看起来不大，但在实际路面工程中，降低沥青层温度几摄氏度对于显著提高其高温稳定性、延缓车辙发展具有非常重要的工程意义。该实验结果直接证实了将PCM用于沥青混凝土以降低温度、预防车辙是可行的。
研究的结论是，通过理论分析和实验研究，证实了掺加PCM的沥青路面能够吸收部分热量，有助于避免高温危害，提高沥青路面的抗车辙能力。这为防治沥青路面高温车辙问题提供了一条新的技术途径。
本研究的价值体现在多个层面。在科学价值上，它将广泛应用于建筑节能领域的PCM技术，创造性地引入到道路工程这一全新场景，拓展了PCM的应用边界，并建立了适用于路面工程环境的PCM选择理论（特别是相变温度准则），丰富了道路材料学与热物理交叉学科的研究内容。在应用价值上，研究为解决长期困扰道路工程界的车辙难题提供了一种潜在的“主动式”温控解决方案，相较于传统方法可能更具根本性和持久性，对于提升高温地区沥青路面的长期服役性能、延长使用寿命、保障行车安全具有重要的现实意义。
本研究的亮点突出。首先，研究视角新颖：首次系统性地探讨了PCM用于沥青路面温度调控以防治车辙的可行性，选题具有前瞻性和交叉性。其次，理论分析深入：不仅阐述了普适性的温控机理，更重要的是结合沥青材料本身的性能突变点（软化点附近动态稳定性骤降），提出了具有强工程指导意义的、量化的PCM相变温度选择准则，这是本研究核心的理论贡献。再次，实验验证有效：通过精心设计的室内对比试验，获得了明确的温控数据（平均降温2℃），为理论提供了直接的实验支撑，证明了技术路线的可行性。最后，材料选择合理：选用的石蜡/膨胀石墨复合定形相变材料，相变温度（40-50℃）契合提出的选择准则，且具备形状稳定、不易泄漏的工程适用性特点。
除了上述主要内容，文中也客观指出了研究的局限性并展望了未来方向。作者在结论部分明确提到，后续研究应关注含PCM沥青路面的耐久性问题。这是一个至关重要的工程应用前提。PCM的长期化学稳定性、与沥青混合料的相容性、在反复交通荷载和温度循环下的性能演化、以及大规模铺筑的经济性等，都是未来需要深入研究和解决的关键课题。此外，研究得到了中国国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金的支持，体现了该研究方向获得了学术界的初步认可和资助。
总而言之，这项由武汉理工大学团队开展的研究，成功地将相变材料温控理念引入沥青路面车辙防治领域，通过严谨的理论推导和实验验证，证明了该技术的可行性，并提出了关键的材料设计参数，为未来开发智能温控沥青路面奠定了重要的理论与实验基础。