第 1 章 绪论
1.1 研究背景
随着改革开放的不断深入，我国公路交通工程建设事业取得了快速发展。据《2019 年交通运输行业发展统计公报》[1]，截止到 2019 年底，我国公路总里程再创新高，已累计修建 501.25 万公里，公路密度保持着稳定的上升趋势，达到52.21 公里/百平方公里，如图 1-1 所示。在各种公路类型中，沥青路面以其平整度好、行车舒适、施工期短、养护方便等优点在路面工程中得到了广泛的应用，也成为了我国高等级公路的首选路面形式。
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1.2 相变材料概述
1.2.1 相变材料及其制备
相变材料（Phase Change Materials，简称 PCMs）是指能在一定温度范围内从一种相态转化为另一种相态的过程中，储存或释放大量热量的材料[6,7]。而在相变过程中 PCMs 的温度是几乎维持不变的，这个温度定义为“相变温度”，单位质量的材料所储存或释放的热量被称为“相变焓”或“相变潜热”[8]。PCMs 因具有温度调节和潜热储能的作用，在建筑节能、太阳能存储、航天科技、电力调峰、工业废热利用等众多领域均具有巨大的应用价值[9,10]。
美国 DOW 化学公司发现能被用作 PCMs 的物质高达 20000 多种，但在工程中具有实际应用价值的 PCMs 不到 1%[12]，PCMs 的种类繁多、来源广，其中相变温度和相变焓才是 PCMs 的关键指标，图 1-3 给出了现有 PCMs 的相变温度和相变焓范围，可以看出 PCMs 可适用的温度范围较为广泛[13],但并不是所有的PCMs 均适用于热能的存储与释放，在实际使用过程中，研究人员需根据实际工程技术要求选取合适的 PCMs。
研究人员根据不同的标准对 PCMs 进行了分类，图 1-4 详细地对 PCMs 进行归纳总结[14]。按照化学组成成分，可分为有机 PCMs、无机 PCMs 和复合 PCMs三大类；根据相变温度的范围，可分为高温 PCMs（大于 250℃）、中温 PCMs（100~250℃）和低温 PCMs（低于 100℃）；按照相态变化方式，可分为固-固、固-液、固-气和液-气 PCMs。其中固-气、液-气 PCMs 虽然具有很高的相变焓，但在材料发生相变时，体积变化会很大，因此不利于在实际工程中应用。目前应用最广泛的是固-固和固-液 PCMs，但固-固 PCMs 相变焓比固-液 PCMs 要低许多，又限制了其应用范围。固-液 PCMs 以其较广的相变温度范围、相变焓值高、体积变化小、低廉的价格和良好的耐久性等优点被认为是最具有实用价值的PCMs[15,16]。
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第 2 章 适用于沥青路面降温的相变材料优选
2.1 技术要求
2.1.1 适用于沥青路面降温的相变材料技术要求
PCMs 的种类众多，其特点也各种各样，针对不同的实际工程应考虑不同的选择方式。其中，应用于沥青路面工程的 PCMs 在施工过程会面临较为严苛的条件，如沥青混合料的高温拌和、机械摊铺碾压等，且在使用工程中长期处于高温环境和车轮荷载作用。因此，将 PCMs 应用于沥青路面需要满足以下要求：
（1）合适的相变温度
我国道路石油沥青软化点普遍在 50℃附近，在夏季持续高温的天气下，沥青路面表面温度会逐渐升高到 60～70℃，导致沥青软化，引发一系列热稳定性病害。同时，沥青混合料的抗车辙性能在环境温度为软化点温度左右（±3℃）时最为敏感[49]，而将 PCMs 掺入沥青路面主要作用抑制路面升温速率，降低高温峰值，从而保证沥青混合料的路用性能。因此，应选用相变温度在 40℃～60℃的PCMs。
（2）较高的相变焓
PCMs 的相变焓决定了其储热降温的能力，相变焓越高，在沥青路面的降温效果越明显。PCMs 掺量较多会降低沥青混合料的路用性能，掺量较少又不能有效地降低沥青路面温度，所以应严格控制 PCMs 的掺量。为保证沥青混合料良好路用性能并较好地实现沥青路面降温，需要选取相变焓高的 PCMs。
（3）适宜的导热系数
有机固-液PCMs导热系数普遍偏低，导致PCMs的相变温度会产生滞后性。因此，制备导热性能良好的复合 PCMs 能提高沥青混合料内的 PCMs 降温效率，有效抑制高温病害。
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2.2 相变材料结构表征与性能测试
实验过程中使用的主要分析测试仪器如表 2-2 所示。
对于 PCMs、载体基质和 FSPCMs 的结构表征与性能测试主要采用以下测试方法。扫描电子显微镜（Scanning electron microscope，简称 SEM）用来弄清载体基质和 FSPCMs 的表面形貌、结构内部特征以及界面结合状况；全自动比表面和孔径分析仪和全自动压汞仪用来探究载体基质的比表面积、孔体积和平均孔径等孔结构特征；泄漏试验用来确定 FSPCMs 的定形效果。实验方法是，将不同质量分数的样品自然堆积在滤纸上，然后将滤纸置于 80℃的真空干燥箱中30分钟，确保 PCMs 熔化完成。之后，再将滤纸置于 0℃的冰箱中冷却 30 分钟，确保 PCMs凝固完成，这样便完成一次相变循环。本文对 FSPCMs 进行了 100 次 0～80℃相变循环，观察滤纸上样品是否泄漏；X 射线衍射仪（X-ray diffractometer，简称XRD）用来探明材料的结晶性能和制备工艺对复合相变体系结构的影响；差示扫描量热仪（Differentialscanningcalorimeter，简称 DSC）用来测试 PCMs 及 FSPCMs的相变温度和相变焓；热重分析仪（Thermogravimetricanalyzer，简称 TGA）用来表征 PCMs 及 FSPCMs 的热稳定性；热常数分析仪用来测定 PCMs 及 FSPCMs在室温下的导热系数，预估样品的传热性能。
.............................第 3 章 PEG/SiO2FSPCMs 制备与性能研究........................19
3.1 PEG/SiO2FSPCMs 的制备............................19
3.1.1 制备原理...................................19
3.1.2 实验原材料与仪器.................................19
第 4 章 PEG/EG/SiO2FSPCMs 制备与性能研究 ................................29
4.1 PEG/EG/SiO2FSPCMs 的制备 ..............................29
4.1.1 制备原理..............................29
4.1.2 实验原材料与仪器................................29
第 5 章 相变沥青混合料降温及路用性能研究.........................39
5.1 原材料性能指标......................39
5.1.1 沥青....................................39
5.1.2 集料和矿粉.................................39
第 5 章 相变沥青混合料降温及路用性能研究
5.1 原材料性能指标
5.1.1 沥青
本文试验所采用的沥青为AH-70#道路石油沥青，其性能指标如表5-1所示。
结论
本文针对沥青路面在夏季高温气候下容易产生的一系列热稳定性病害，提出利用相变储热特性来降低沥青路面温度，采用不同合成工艺制备出两种适用于沥青路面储热降温的 PEG/SiO2和 PEG/EG/SiO2FSPCMs，并对其进行性能测试与结构表征，将其应用在沥青混合料中，形成具有主动降温功能的相变沥青混合料，研究其降温性能和路用性能。主要结论如下：
（1）DSC、TGA 和导热系数测试结果表明，PEG 熔融峰温为 51.12℃，熔融焓为 185.6J/g，在 385℃之前质量几乎没有任何损失，说明其相变温度合适、储热能力较强、热稳定性良好，能作为相变储热材料应用在沥青路面，但 PEG 在相变过程易泄漏且导热系数仅为 0.172 W/(m·K)等缺点限制其在沥青路面的应用。
（2）选用 SiO2为载体基质，制备 PEG/SiO2FSPCMs，泄漏试验和 SEM 测试结果表明，SiO2对 PEG 的最大吸附量为 70%，PEG/SiO2FSPCMs 具有良好的定形效果，在经历 100 次相变循环后无液相泄漏；XRD、DSC、TGA 和导热系数测试结果表明，PEG/SiO2FSPCMs 具有较好的结晶性能，其熔融峰温为 43.20℃，熔融焓为 97.53J/g，导热系数为 0.282W/(m·k)，在 388℃之内基本不会发生热分解。PEG/SiO2FSPCMs 具有优异的相变储热性能和热稳定性，满足沥青路面施工及使用的技术要求。
（3）选用 EG 为载体基质、SiO2为封装材料，制备 PEG/EG/SiO2FSPCMs，泄漏试验和 SEM 测试结果表明，PEG/EG/SiO2FSPCMs 中 PEG 最佳质量分数为82%，其定形封装效果良好，在经历 100 次相变循环后无液相泄漏；XRD、DSC、TGA 和导热系数测试结果表明，PEG/EG/SiO2FSPCMs 具有较好的结晶性能，其熔融峰温为 47.81℃，熔融焓为 136.7J/g，在 386℃之前几乎没有热分解，导热系数为 0.671 W/(m·k)。PEG/EG/SiO2FSPCMs 在解决 PEG 易泄漏缺点的前提下，进一步提高了复合材料的相变储热性能和导热系数，使其在沥青路面工程中具有更好的降温效果。
（4）室内模拟试验测试结果表明，PEG/SiO2和 PEG/EG/SiO2相变沥青混合料的升温速率明显下降，最大降温幅度分别为 2.2℃和 2.9℃，相变颗粒在沥青混合料中起到了相变储热功能，将其应用在沥青路面能在一定程度上减轻沥青路面的高温病害。
参考文献（略）