《Case Studies in Construction Materials》：Sustained-Thermal-Regulation Composite PCMs Using Porous Waste-Derived Support and Epoxy Encapsulation for Enhanced Thermal Resilience of Asphalt Pavements
编辑推荐：
为应对沥青路面高温软化和城市热岛效应，研究人员开展了一项旨在制备高性能、防泄漏复合相变材料（cPCMs）用于沥青路面持久热调控的研究。他们利用真空浸渍和环氧树脂双重封装的策略，以工业固废赤泥等为多孔载体，成功制备出兼具高潜热（135.54 J/g）和优异防泄漏性能的cPCMs。所制备的相变沥青在高温下表现出优异的温度调控能力和路面使用性能，为开发绿色、耐久的智能响应型道路系统提供了创新解决方案。
炎炎夏日，当你走在柏油马路上，是否感觉脚下的路格外烫人？这背后其实隐藏着两个日益严峻的问题：沥青路面在高温下容易软化变形，形成车辙，影响行车安全和使用寿命；同时，黑色的沥青路面大量吸收太阳辐射热，显著加剧了城市的“热岛效应”，让夏天的城市更“火炉”。传统的路面降温方法，如反射涂层，大多是被动的。有没有一种材料，能够主动吸收和存储热量，像“海绵”一样调节路面温度，让路面“冬暖夏凉”呢？
相变材料（PCM）正是这样一种功能性材料，它能在特定温度下发生相变（如从固态变为液态），过程中吸收或释放大量潜热，从而实现温度调节。其中，聚乙二醇（PEG）因其高潜热、无毒、低成本等优点，被认为是非常有前景的候选材料。然而，将PEG直接用于沥青路面面临一个关键挑战：在熔融状态下，PEG会泄漏，这不仅导致其储热功能失效，还会损害沥青本身的路用性能。为了解决PEG泄漏这一难题，并实现沥青路面长期、高效的热调控，Linping Su、Xingchi Zhao、Junyao Hui、Yuepeng Jiao、Ming Liang、Xin Wang、Xue Xin、Zhanyong Yao等研究人员在《Case Studies in Construction Materials》上发表了一项创新研究。他们提出并验证了一种“多孔吸附-环氧封装”的双重策略，成功制备出兼具高储热能力和强防泄漏性能的先进复合相变材料（cPCMs），并将其应用于沥青改性，显著提升了路面的热弹性。
为了开展这项研究，研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：首先，他们利用真空浸渍法，将PEG-4000吸附到四种不同多孔载体（石墨、赤泥、膨胀蛭石、沸石）中，制备了初步的cPCMs。接着，他们创新性地引入了环氧树脂封装步骤，对上述cPCMs进行二次包裹，制备了四种环氧封装的cPCMs。然后，将这些cPCMs以固定的PCM含量（10 wt%）掺入AH-70#基质沥青中，制备了相变沥青。在表征和性能评估方面，研究综合运用了扫描电子显微镜（SEM）观察微观形貌，傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析化学相互作用，差示扫描量热法（DSC）测定相变潜热和温度，热重分析（TGA）评估热稳定性，并设计了专门的泄漏测试来评估材料在100次热循环后的抗泄漏能力。最后，对相变沥青的路用性能进行了全面测试，包括常规指标（针入度、软化点、延度）、动态剪切流变仪（DSR）评估高温抗车辙性能，以及弯曲梁流变仪（BBR）评估低温抗裂性能。
3.1. 复合相变材料的微观机理分析
研究人员通过SEM观察发现，真空浸渍使PEG-4000充分填充到多孔载体的孔隙或表面凹陷中。环氧树脂封装后，样品表面变得光滑，原始的孔隙结构被覆盖，形成了一层连续致密的封装层，这为防止相变过程中组分泄漏提供了微观结构基础。通过FTIR分析进一步确认，PEG在载体上的吸附以及环氧树脂的封装过程主要是物理混合，没有产生新的化学基团，这有利于材料的长期稳定性。
3.2. 相变潜热性能
DSC测试结果显示，所有cPCMs在45-70℃范围内都显示出明显的相变吸热峰。在四种载体中，基于赤泥的cPCM（RP4000及其封装体ERP4000）始终表现出最高的相变焓（潜热）。其中，环氧封装后的ERP4000潜热高达135.54 J/g，显示了卓越的储热能力。环氧封装虽然因“质量稀释效应”导致单位质量复合材料的潜热有所下降，但这是为获得长期稳定性所付出的可接受的代价。将cPCMs掺入沥青后，相变沥青同样显示出明显的储热峰，其中ERP4000改性沥青的潜热最高（11.77 J/g），其相变温度范围（约30-55℃）与夏季路面高温条件相匹配，具备实际应用的温度调控潜力。
3.3. 热稳定性评估
TGA分析表明，在250℃之前，所有cPCMs的质量损失都小于3%，其中封装材料的热稳定性更优。ERP4000在250℃时的质量损失仅为0.11%，表现出极佳的热稳定性，能够满足热拌沥青（通常在160-185℃）的施工温度要求，确保其在路面服役期间的长期稳定性。
3.4. 防泄漏性能分析
经过100次热循环后，未封装的cPCMs均出现了不同程度的PEG泄漏，其中GP4000的质量损失高达30.4%。相比之下，所有环氧封装的cPCMs在100次循环后均未观察到任何泄漏，质量保持100%稳定，实现了“零泄漏”。这强有力地证明了环氧树脂封装对于维持cPCMs长期相变功能的有效性和必要性。
3.5. 相变沥青材料性能分析
3.5.1. 常规性能
掺入cPCMs后，相变沥青的针入度降低，软化点升高，表明材料的硬度增加，高温稳定性得到改善。其中，ERP4000改性沥青的软化点最高（61.6℃），表现出最好的高温性能。低温延度有所下降，但在封装样品中，ERP4000的延度值（4.7 cm）相对最高，表明其低温性能受影响相对较小。
3.6. 高温特性
通过DSR测试评估相变沥青的高温抗车辙性能。随着温度升高，复数模量（G*）下降，相位角（δ）上升。在40-50℃的相变区间，由于PEG吸热，减缓了模量的下降。在50℃及更高温度下，ERP4000改性沥青始终保持最高的G*值和最低的δ值，表明其具有最强的抗变形能力和高温稳定性。车辙因子（G*/sinδ）分析进一步确认，ERP4000改性沥青在高温下具有最优的抗车辙能力。?/ sinδ) of phase-change asphalt.">
3.6.1. 低温特性
BBR测试在-12℃下进行，以评估相变沥青的低温抗裂性能。除EGP4000外，其余相变沥青的蠕变劲度（S）和蠕变速率（m）均满足Superpave规范要求（S ≤ 300 MPa， m ≥ 0.3）。综合考虑高低温性能，ERP4000沥青表现出了最佳的平衡性。
本研究成功通过真空浸渍和环氧树脂封装相结合的双重策略，制备出了具有持久储热能力和优异封装稳定性的高性能复合相变材料（cPCMs）。其中，以工业固体废物赤泥为载体的ERP4000表现最为突出，其潜热高达135.54 J/g，热稳定性好（250℃下质量损失仅0.11%），并且在100次热循环后实现零泄漏，证明了环氧封装的卓越防漏效果。将其应用于沥青改性后，所得相变沥青不仅保持了显著的相变储热能力，其高温抗车辙性能和低温抗裂性能也均能满足路面使用要求，在40-50℃的关键相变区间表现出最强的温度调控能力。这项研究的意义在于，它创造性地解决了PEG在沥青路面应用中易泄漏的核心技术瓶颈，为实现沥青路面的长期、主动热调控提供了一种有效且可靠的方案。更重要的是，该研究将赤泥这种大宗工业固废“变废为宝”，转化为高附加值的功能性路面材料，不仅降低了原材料成本，还促进了环境保护和可持续发展，为开发绿色、智能、节能的道路系统开辟了新途径。当然，该研究的结论主要基于实验室测试，未来需要通过实地铺筑试验和长期监测，来验证ERP4000改性沥青在实际复杂环境下的长期热调控效益、耐久性和服役性能。总体而言，这项研究展示了ERP4000作为一种极具应用前景的可持续绿色道路材料的巨大潜力。
