本研究于2018年11月发表在 Bulletin of the Chinese Ceramic Society 上，主要作者为周雪艳（西安邮电大学）、马骉、王小庆（长安大学）和任宇铮（中交第一公路勘察设计研究院有限公司）。
研究的学术背景属于道路工程材料领域，具体聚焦于沥青路面技术。沥青混合料是典型的路面材料，但其性能对环境温度极为敏感，由此引发的高温车辙、低温开裂等病害是长期存在的技术难题。传统应对方法（如改性沥青、添加纤维等）虽有一定效果，但并未从根本上改变材料的热敏感性。相变材料（Phase Change Material, PCM）是一种能够在特定温度下发生相态转变并伴随吸收或释放大量潜热的物质。将相变材料应用于沥青混合料，旨在利用其潜热功能主动调节路面内部温度，从而减缓极端温度对路面性能的影响。近年来，国内外学者在此领域已开展了初步探索，证实了其可行性，但已有研究多集中于最终的调温效果，对调温过程的动态研究不足，并且普遍忽略了相变材料在沥青混合料拌和与使用过程中可能经历的热老化问题，这影响了材料性能评估的准确性和应用指导价值。因此，本研究旨在制备一种用于沥青路面的复合定形相变材料（Composite Shaped Phase Change Material, CSPCM），并系统地研究其热物性、热老化性能，以及掺入沥青混合料后在不同环境（升温和降温阶段）下的动态调温过程和效果，以期为自调温沥青路面的材料设计与工程应用提供更科学的依据。本研究的目标明确：一是制备并表征CSPCM的老化前后性能；二是系统评估不同配方、不同掺量CSPCM对沥青混合料调温性能的影响规律。
本研究详细的工作流程包含以下主要步骤和程序：
第一，材料制备与表征。 研究采用微胶囊法制备两种配方的CSPCM。核心材料（囊心）为相变材料（十四烷）和用于调节熔点的辅助材料（液体石蜡）以及载体（白炭黑），将它们混合形成“定形相变材料”。囊壁材料为溶于无水乙醇的癸二酸二异辛酯，形成液相凝胶体系。将囊心与囊壁溶液按特定配比混合，烘干、研磨后得到最终的粉末状CSPCM。两种关键配方为：配方A（相变材料为100%十四烷）和配方B（相变材料由77.84%十四烷和22.16%液体石蜡组成）。这是研究的基础。随后，使用差示扫描量热仪（Differential Scanning Calorimetry, DSC）对老化前的CSPCM进行热物性测试，获取其相变起始温度、峰值温度和相变焓值等关键参数。
第二，热老化性能评估。 为了模拟沥青混合料拌和时的高温环境，研究设计了热老化试验。将CSPCM样品置于160℃烘箱中加热30分钟，冷却后称重，计算质量损失率，以初步评估其热稳定性。随后，再次利用DSC对老化后的CSPCM进行测试，获取老化后的热物性参数，并与老化前数据进行对比，分析老化对其相变特性（起始温度和焓值）的影响。这一步骤旨在考察CSPCM在实际工程应用条件下的性能耐久性。
第三，调温沥青混合料制备与性能测试。 这是研究的核心应用环节。研究选用AC-13型沥青混合料，通过直掺法将CSPCM与矿粉一同加入并拌和，制备调温沥青混合料。研究设置了两个变量：CSPCM配方（A和B）和其在混合料中的掺量（0.3%和0.5%）。对于每个变量组合，均按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的轮碾法成型标准车辙板试件（300mm × 300mm × 50mm），每组3个平行试件。性能测试采用了一项自主设计的“调温试验系统”。该系统的创新之处在于能够动态监测并记录试件在真实室外环境下的内部温度变化过程。具体方法是在车辙板试件中心埋置PT100型热电阻传感器，同时在空气中设置传感器记录环境温度。数据通过XSL系列巡检仪采集并存储于计算机。将试件置于通风良好的室外场地，进行长时间的连续监测，分别记录其在自然降温过程和升温过程中，试件中心温度与环境温度的变化数据。通过对比掺加CSPCM的试件与普通沥青混合料试件的温度曲线，以及计算两者之间的温差，来定量分析CSPCM的调温效果。
数据分析流程 清晰：首先，通过DSC数据对比老化前后热物性参数的变化；其次，通过老化试验计算质量损失率；最后，通过调温试验采集到的温度-时间序列数据，绘制温度变化曲线和温差变化曲线，直观比较不同配方、不同掺量在不同温度变化阶段（升温和降温）对沥青混合料内部温度的影响趋势和幅度，从而得出调温效果的优劣排序和规律。
本研究获得的主要结果如下：
在CSPCM热物性与老化性能方面： 1. DSC测试表明，老化前，配方A（100%十四烷）的相变起始温度和焓值均高于配方B（十四烷与液体石蜡混合物）。例如，配方A升温起始温度为4.54°C，焓值80.24 J/g；配方B则分别为-1.44°C和56.86 J/g。这证实了液体石蜡的加入降低了相变材料的有效储热能力和改变了相变温度点。 2. 老化试验显示，两种配方CSPCM在160°C加热30分钟后的质量损失率均小于10%（配方A为9.38%，配方B为6.77%），表明制备的CSPCM具有一定的热稳定性，能够耐受沥青拌和的短时高温。 3. 老化后的DSC测试揭示了重要现象：虽然质量损失率不高，但老化导致了相变起始温度和相变焓值的显著降低。例如，配方A在升温阶段的相变起始温度降低了20.3%，相变焓值降低了13.1%；配方B在升温阶段的相变起始温度降低了38.5%，相变焓值降低了11.4%。这一结果直接指向一个工程应用中的关键问题：即使质量损失不大，高温也可能损害CSPCM的微观结构或导致部分相变材料失效，从而降低其储热能力。这为后续的配料计算提供了至关重要的修正依据——为确保设计的热量吸收/释放量稳定，需要在计算时考虑老化过程中的焓值损失或等效质量损失。
在调温效果研究方面： 1. 降温阶段： 掺加CSPCM的沥青混合料试件中心温度均高于普通沥青混合料。其中，配方A的调温效果显著优于配方B。例如，在环境温度降至0-2.7°C范围内时，由于配方A老化后的相变起始温度（0.57°C）更接近环境温度，它能更早地释放潜热，因此其试件温度最高。进一步分析温差（CSPCM试件温度减去普通试件温度）随时间的变化发现：对于配方A，0.5%掺量产生的温差最大，调温效果最优；对于配方B，0.3%掺量的效果反而略优于0.5%掺量。这表明，配方和掺量对调温效果的影响并非简单的线性关系，可能存在一个与相变材料性质相关的最佳掺量。 2. 升温阶段： 出现了更有趣的现象。掺加配方A的试件温度低于普通试件，而掺加配方B的试件温度却高于普通试件。这是因为在升温开始时，环境温度（1.2-7°C）已高于配方A的相变起始温度（3.62°C），因此配方A开始吸收热量（发生相变），延缓了试件温升；而环境温度远高于配方B的相变起始温度（-2.34°C），此时配方B的相变材料已完成相变或处于不活跃状态，甚至可能因滞后效应仍在缓慢释放上一周期储存的热量，导致其试件温度偏高。温差分析进一步证实：在升温阶段，配方A的0.3%掺量调温效果最优，0.5%掺量次之；而配方B两种掺量的调温效果均不明显且基本一致。这深刻揭示了相变材料的调温效果高度依赖于其相变起始温度与环境温度动态过程的匹配度。
基于以上结果，本研究得出以下结论： 1. 所制备的CSPCM具有基本的热稳定性，但热老化会导致其相变起始温度和相变焓值下降。因此，在沥青混合料设计时，必须考虑CSPCM在老化过程中的性能衰减，并在配料时进行补偿，以确保预期的调温效果。 2. CSPCM的调温效果与其相变起始温度和相变材料有效含量密切相关。相变起始温度需要与环境温度变化过程相匹配，才能发挥最佳的吸热或放热作用。 3. 针对不同的调温目标（抗降温或抗升温），应选择不同的CSPCM配方和掺量。在本研究条件下： * 对于降温阶段（防冻、防低温开裂），建议使用相变材料为100%十四烷的配方A，且掺量为0.5%时效果最好。 * 对于升温阶段（防晒、防高温车辙），同样建议使用配方A，但掺量为0.3%时效果更优。 * 含有液体石蜡的配方B在本研究的测试温度区间内调温效果不理想。
本研究的科学价值在于，它不仅关注相变材料应用的最终效果，更深入探究了其性能在老化条件下的演变规律，并动态揭示了调温过程与材料相变特性的内在联系，深化了对相变沥青混合料调温机理的理解。其应用价值在于为工程实践提供了具体、可操作的材料设计指导：包括CSPCM的配方选择、针对不同气候条件和路面温控需求（侧重降温或升温）的掺量优化建议，以及在配合比设计中考虑材料老化影响的必要性。这些结论对推动自调温沥青路面技术的标准化和实际应用具有重要意义。
本研究的亮点包括： 1. 系统性： 研究覆盖了从材料制备、老化性能评估到混合料调温过程测试的全链条，形成了完整的研究闭环。 2. 过程导向： 创新性地采用自主设计的室外调温试验系统，对沥青混合料升、降温过程中的内部温度进行动态连续监测，而非仅对比起点和终点温度，更能反映相变材料在实际环境下的工作状态。 3. 关注老化： 明确提出了CSPCM热老化导致的性能衰减问题，并给出了量化数据和工程应对建议，这是以往研究中常被忽视但至关重要的环节。 4. 精细化指导： 研究结论没有停留在“相变材料有效”的层面，而是进一步区分了升温和降温两种不同工况下的最优材料配方和掺量，提供了差异化的、精细化的应用方案。 5. 揭示了关键机理： 明确指出了相变起始温度与环境温度过程的匹配度是决定调温效果的关键因素，这为未来开发适用于不同气候区的定制化相变材料指明了方向。