沥青路面用潜热材料的制备及其控温性能研究 学术报告
一、 作者、单位与发表信息 本研究的作者包括Xin Bian、Yiqiu Tan、Jianfu Lv和Liyan Shan，所有作者均来自哈尔滨工业大学交通科学与工程学院。该研究论文发表于 *Advanced Engineering Forum*，在线发表日期为2012年7月26日。论文卷号为第5卷，页码范围为第322至327页。论文数字对象标识符为doi:10.4028/www.scientific.net/aEF.5.322。
二、 学术背景与研究目标 本研究的科学领域主要集中于道路工程与材料科学，具体方向为沥青路面材料改性，特别是利用相变调温技术解决沥青路面高温病害问题。 研究背景源于沥青混凝土路面车辙问题长期以来困扰着道路管理者，已成为一个迫切需要解决的难题。作为粘弹性材料，沥青混合料的力学性能主要受荷载和温度影响。由于荷载条件不易控制，因此温度成为解决车辙问题的关键主导因素。传统研究多通过改性沥青、添加纤维、优化级配等被动方式提升沥青混合料的高温稳定性，虽在一定范围和条件下解决了部分问题，但温度相关的病害依然严峻。 鉴于此，本研究转变思路，从主动改善沥青路面自身温度状态的角度出发，旨在制备可用于沥青路面的潜热材料，并系统研究其控温性能。其理论基础在于相变材料能在特定温度下发生相态转变，并吸收或释放大量相变潜热。研究目标具体包括：1）筛选适用于道路热环境的相变材料；2）通过不同方式制备复合相变材料并优选；3）用优选后的复合相变材料制备潜热沥青混合料；4）通过实验测试该混合料的控温能力，验证其降低路面温度、缓解车辙的效果。
三、 详细研究流程与实验方法 本研究包含三个主要环节，环环相扣，层层递进。
第一个环节：相变材料筛选与复合相变材料（Composite Phase Change Materials， CPCM）的制备及优选。 本研究首先针对沥青路面的热环境特点，明确了相变材料的选择标准：相变温度为45-65°C，潜热值尽可能大，导热系数高，相变前后体积变化率小，挥发温度高于180°C。基于此，研究者选取了三种有机相变材料（Organic Phase Change Materials， OPCM）进行考察：肉豆蔻酸、棕榈酸和PEG 4000，并测试了它们的热物性参数（论文表1）。 接下来，研究者采用了三种不同的“引入模式”将OPCM与沥青或载体材料结合，制备CPCM，并对比其性能。 1. 直接掺入法：将OPCM（肉豆蔻酸、棕榈酸、PEG 4000）以10%、20%、30%三种浓度直接掺入沥青中，制备相变改性沥青。通过测定其针入度、软化点和延度这“三大指标”来评估对沥青路用性能的影响。实验结果显示（论文图1-3），三种OPCM的掺入均对沥青三大指标，尤其是延度产生负面影响。以PEG 4000影响相对最小，但其相变温度（51-54°C）恰在沥青路面高温范围内，达到该温度后会液化，可能导致沥青失去粘弹性。因此，该方法被放弃。 2. 真空吸附法（制备粉体CPCM）：为了避免OPCM直接对沥青性能的损害，研究者将OPCM通过真空吸附的方式引入多孔无机材料——硅藻土粉末中，制备粉体硅藻土复合相变材料。通过差示扫描量热法测试其相变潜热，以评估OPCM在硅藻土孔隙中的吸附均匀性。结果表明（论文图4），硅藻土粉末CPCM的潜热值随OPCM（文中示例为棕榈酸）吸附量的增加呈线性增长，均匀性良好。当棕榈酸吸附量达到临界值60%时，潜热为97.74 J/g，具备良好的相变调温潜力。 3. 真空吸附与封装法（制备颗粒CPCM）：类似地，研究者将OPCM通过真空吸附引入多孔陶砂颗粒中，制备颗粒状陶砂复合相变材料。DSC测试结果（论文图5）同样显示其潜热与OPCM吸附量呈良好线性关系，均匀性佳。当棕榈酸质量吸附比达到30%的临界值时，潜热为50.93 J/g。
通过对三种引入模式的性能分析，研究者得出结论：直接掺入法会严重损害沥青路用性能；而将OPCM吸附到粉体硅藻土和颗粒陶砂这两种无机多孔材料中，方法简单，无机多孔材料对OPCM起到了一定的屏蔽和封装作用，减少了对沥青混合料路用性能的影响，且相变调温性能良好。基于保证沥青混合料路用性能并尽可能保有高潜热的原则，研究者最终选定制备了两种CPCM：粉体硅藻土-棕榈酸和颗粒陶砂-棕榈酸，用于后续潜热沥青混合料的制备。
第二个环节：潜热沥青混合料（Latent Heat Asphalt Mixture, LHAM）的制备。 考虑到沥青路面车辙等高温病害主要由中下面层变形引起，而上面层直接受阳光照射和空气接触，因此将LHAM应用于上面层，可以有效保护中下面层，使其温度维持在相变温度以下，从而抑制车辙。基于此思路，研究者选用常用于上面层的AC-16级配（采用级配中值）来制备LHAM。具体的制备方法是：在级配中，用相同体积的对应粒径（1.18mm和0.6mm）的颗粒陶砂-棕榈酸CPCM，替代原有细集料；同时，用相同体积的粉体硅藻土-棕榈酸CPCM，替代原有的矿粉。这样制备出的混合料即为目标LHAM，其中OPCM（棕榈酸）的总质量掺量为5%。
第三个环节：LHAM自调温效应研究。 本研究采用室内模拟实验与野外现场实验相结合的方法，系统评估LHAM的控温性能。 1. 实验对象与样本：实验对象为两种车辙板试件：普通沥青混合料试件（对照组）和潜热沥青混合料试件（实验组，OPCM掺量5%）。 2. 室内模拟实验方法： * 实验装置：本研究开发了一套太阳能热控温箱（论文图6），核心部件包括可调功率镝灯（模拟太阳辐射）、保温聚苯板以及放置车辙板试件的槽体。这是一个为研究路面材料热效应而专门设计的模拟装置。 * 实验流程：将制备好的车辙板试件置于室温24小时后脱模，放入太阳能热控温箱的槽体中。每个试件表面覆盖20mm厚的土层，缝隙也用土填充并夯实，以模拟路面结构的热边界条件。待传感器显示箱内与试件温度基本一致后，开启镝灯，并记录两种试件温度随时间的变化（论文图7为实验装置示意图）。 * 数据分析：通过对比两条温度-时间曲线，计算温差-时间曲线和温升速率-时间曲线。 3. 野外现场实验方法： * 将两种车辙板试件置于屋顶，使其直接暴露在自然阳光下。 * 使用与室内实验相同的传感器，测试并记录两种试件温度随时间的变化（论文图8）。 4. 相变疲劳效应研究： * 在室内模拟条件下，对LHAM试件进行多次吸热-放热循环，研究其相变温度、最大控温差值随循环次数的变化，以评估其相变可逆性与长期稳定性。
四、 主要研究结果 研究结果从室内外控温效果和长期稳定性几个方面验证了LHAM的有效性。 1. 室内模拟实验结果： * 控温效果：普通沥青混合料试件与LHAM试件的温度均随时间上升，但前者温度始终高于后者（论文图9）。两者的温差随时间不断增加，在460分钟时，LHAM试件整体达到相变温度（59.1°C），此时温差达到最大值7.6°C（论文图10）。这表明试件中的CPCM已完全发生相变，充分吸热达到饱和点，控温效果达到最佳。之后温差逐渐减小。 * 温升速率分析：在实验初期，LHAM试件的温升速率显著低于普通试件（论文图11）。这是因为LHAM从表面到中心逐步达到相变温度，每次达到时，对应的CPCM会瞬时吸收大量热量，宏观上表现为温升被抑制。当所有CPCM完全相变后，由于LHAM整体温度与空气温差较大，其瞬时温升速率会短暂超过普通试件。随后，随着温差减小，两者的温升速率逐渐接近并最终趋于相等。这一现象从动力学角度解释了相变过程的阶段性特征。 * 相变可逆性：室内相变疲劳实验结果表明（论文图14，15），随着吸热循环次数的增加，LHAM的相变温度变化很小，最大控温差值也基本保持稳定。这说明其相变过程具有良好的可逆性，即CPCM在多次循环后性能衰减很小，具备长期应用的潜力。
五、 研究结论与价值意义 本研究的核心结论如下： 1. 直接将有机相变材料掺入沥青会严重影响其路用性能，特别是在相变温度及以上时，沥青的粘弹性和路用性能受损严重，因此该引入方式不可行。 2. 采用真空吸附法将有机相变材料封装到无机多孔材料（硅藻土粉末、陶砂颗粒）中，制备粉体和颗粒状复合相变材料，该方法对沥青混合料路用性能影响小，且封装量越大，调温潜力越大。 3. 室内模拟实验证明，当OPCM总掺量为5%时，潜热沥青混合料相比普通沥青混合料，最大可降低温度7.6°C，对应的整体相变温度为59.1°C，表现出显著的缓温升效果和良好的相变可逆性。 4. 野外实验证实，OPCM掺量5%的潜热沥青混合料相比普通混合料，最大温差为3.4°C，同样表现出良好的相变可逆性。尽管数值低于室内结果，但仍证实了其在实际环境中的调温作用。
本研究的价值体现在： * 科学价值：提出并验证了一种基于“相变潜热主动调温”的新思路来解决沥青路面高温车辙问题，突破了传统被动改进材料性能的范式。系统探索了OPCM在沥青混合料中的引入、封装、性能评价方法，为后续相关研究提供了完整的技术路线和实验范式。 * 应用价值：成功制备出具有实际应用潜力的潜热沥青混合料，并通过室内外实验证明其可有效降低路面温度（最大降温幅度可达8-10°C）。这为开发智能调温路面、缓解城市热岛效应、延长沥青路面使用寿命提供了切实可行的材料解决方案。
六、 研究亮点 1. 研究思路的创新性：从“主动调控路面温度场”而非“被动增强材料抗变形能力”的角度出发，为解决沥青路面车辙问题提供了全新的视角和解决方案。 2. 材料制备方法的有效性：创造性地采用无机多孔材料（硅藻土、陶砂）真空吸附封装有机相变材料，成功解决了OPCM直接掺入损害沥青性能以及高温液化流失的难题，实现了功能材料与路面材料的有效、稳定结合。 3. 实验系统的针对性：自主设计了太阳能热控温箱模拟装置，利用镝灯模拟太阳辐射，结合土层覆盖模拟路面热边界条件，为室内研究路面材料的太阳辐射热效应提供了有效的实验手段。 4. 研究体系的系统性：研究涵盖了从相变材料筛选、复合制备、混合料设计、室内模拟到野外验证的全流程，结论基于充分的对比实验和数据支持，逻辑链条完整。
七、 其他有价值的内容 论文在最后指出了未来研究方向：开发强度更高、孔隙率更大的骨料用于封装相变材料，以及进一步研究CPCM的长期稳定性问题。这些是推动该技术从实验室走向工程实际应用必须攻克的关键问题，具有重要的前瞻性。此外，论文将LHAM定位于路面上面层的应用策略，体现了其研究成果与工程实践的紧密结合。