本研究发表在 Buildings 期刊2023年10月26日出版的卷13上。该研究由来自河北交投路桥建设开发有限公司（Hebei Jiaotou Road and Bridge Construction and Development Co., Ltd.）和北京工业大学（Beijing University of Technology）的研究团队完成。主要作者包括霍东辉（Donghui Huo）、侯德宝（Debao Hou）、张帅祥（Shuaixiang Zhang）、高伟（Wei Gao）、于长春（Changchun Yu）、贾玲（Ling Jia）、常宝林（Baolin Chang）、张锐（Rui Zhang），以及通讯作者郭猛（Meng Guo）。北京工业大学的研究人员隶属于该校的安全与防护工程结构教育部重点实验室和桥梁工程安全与韧性全国重点实验室，确保了研究的学术深度。
本研究的学术背景根植于道路工程与材料科学交叉领域，核心关注点是沥青路面的温度适应性及耐久性提升。沥青是一种高温度敏感性黏弹性材料，其路面在夏季高温环境下易因车载作用产生车辙病害，而在冬季低温下则容易出现开裂。传统的沥青改性剂（如聚合物）在改善高温性能时，往往会对低温性能产生负面影响，反之亦然，这使得在二者间寻求平衡成为研究难点。近年来，相变材料（Phase Change Materials, PCMs）作为一种温度调控技术被引入到道路工程中，其通过相变过程中的潜热吸收与释放，能够延缓路面温度的极端变化，理论上可同时应对高温和低温挑战。然而，单一相变材料通常仅针对特定温度范围有效，且存在导热系数低、相变效率有限等问题。因此，该研究旨在开发一种兼具高、低温调控功能的双相变材料，并系统评估其对沥青结合料的性能改性效果及温度调控能力，以期为季节性气候明显、温差大的地区提供一种新型路面温度调控解决方案。
详细的工作流程包括以下几个核心环节：
材料准备与改性沥青制备：
- 研究对象与样本：研究使用了一种超薄磨耗层专用改性沥青作为基质沥青，其性能参数依据美国材料与试验协会（ASTM）标准进行了测试（针入度、软化点、旋转粘度、延度）。研究的核心对象是双相变材料（Dual-Phase Change Material, DPCM），以及由该材料以不同质量比（10%、20%、30%、40%）制备的DPCM改性沥青。DPCM的制备是本研究的关键创新点。考虑到北京地区典型的大陆性季风气候（每年有数月温度低于0°C，数月高于25°C，路面温度可达45°C以上），研究者选择了膨胀石墨（Exfoliated Graphite, EG）作为载体基质，分别吸附低分子量（PEG400）和中分子量（PEG1500）的聚乙二醇（Polyethylene Glycol, PEG），制备了PEG400/EG和PEG1500/EG两种复合相变材料。PEG400/EG旨在用于0°C铺筑环境，而PEG1500/EG用于45°C及以上的高温环境。最后，将这两种复合相变材料按1:1质量比混合，得到具有双温调控能力的DPCM，其外观为黑色颗粒状固体，表观密度为1.07 g/cm³。
- 改性工艺：将基质沥青加热至流动状态后，在170°C的恒温油浴中，按设计比例缓慢加入DPCM颗粒，依次使用玻璃棒低速搅拌、高速电动搅拌器以500 r/min搅拌20分钟，最后再用玻璃棒手动慢速搅拌10分钟以去除气泡。整个改性过程强调物理混合的均匀性。
微观结构表征：
- 实验与方法：采用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）观察EG以及PEG/EG复合相变材料的微观形貌。SEM测试的加速电压为15000V，放大倍数为1500倍。
- 数据处理：通过SEM图像直观分析EG的孔隙结构以及PEG在EG孔隙内的吸附和分布情况。
沥青结合料性能表征：
- 实验与方法：利用动态剪切流变仪（Dynamic Shear Rheometer, DSR）进行温度扫描试验，全面评估DPCM改性沥青的流变性能。针对不同温度区间（高温：30-70°C；中温/疲劳：10-40°C；低温：-20-10°C）选用了不同直径和间距的平行板夹具，并设定了相应的应变和扫描频率（10 rad/s）。测试指标包括复数模量、相位角，并据此计算车辙因子和疲劳因子。
- 数据处理：根据时温等效原理（Time-Temperature Superposition Principle, TTSP）处理数据，并基于Sui等人提出的方法，由DSR测试数据间接推算了低温弯曲梁流变仪（BBR）的相关参数（m值和劲度模量）。
化学稳定性分析：
- 实验与方法：采用傅里叶变换红外光谱仪（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）分析DPCM改性沥青的化学结构。光谱分辨率为0.5 cm⁻¹，测试范围为4000-500 cm⁻¹。将沥青样品均匀涂抹在金刚石晶体上进行扫描。
- 数据处理：对比分析原始沥青、DPCM以及不同掺量DPCM改性沥青的红外光谱图，观察特征峰的出现、消失或变化，以判断改性过程中是否发生了化学反应。
室内模拟温度调控试验：
- 实验与方法：这是验证DPCM实际温控效果的核心环节。研究者搭建了一套室内模拟测试系统，使用环境箱进行控温，采用Pt100铂电阻传感器和温度记录仪（精度±0.1°C，每分钟记录一次）监测样品内部温度变化。测试分为高温调控试验（温度循环：25°C → 65°C → 25°C）和低温调控试验（温度循环：20°C → -20°C → 20°C）。将等体积（300 ml）的不同DPCM掺量改性沥青样品置于烧杯中，插入传感器探头后放入环境箱，按照预设程序进行升温和降温。
- 数据处理：记录并分析每个样品在升温和降温过程中的温度-时间曲线。通过计算升温速率、降温速率、最高/最低温度极值等指标，定量评估DPCM的“削峰填谷”效果。
本研究取得的主要结果如下：
微观结构结果：SEM图像显示，在熔融共混和真空吸附过程中，大量液态PEG在毛细管力和真空负压作用下进入了EG的孔隙结构中。EG形成了紧密连接的网络结构，这不仅将PEG封装其中，更重要的是显著提高了复合材料的导热效率，从而为后续DPCM发挥高效温度调控作用奠定了物理基础。
流变性能结果：
- 高温性能：在30-70°C范围内，随着DPCM掺量的增加，改性沥青的复数模量增大，相位角减小，导致车辙因子显著提高。这表明DPCM的加入改善了沥青结合料的高温抗车辙能力。研究认为，DPCM的物理形态类似于矿物填料，增加了体系的黏性成分，是其提升抗车辙性能的原因之一。在加热过程中，未观察到DPCM相变对沥青流变性能的明显影响，推测是由于其作为“填料”的物理效应占主导。
- 疲劳性能：在10-40°C的中温区间，随着DPCM掺量增加，复数模量增大，相位角显著降低（弹性成分增加），导致疲劳因子升高。这意味着DPCM的加入可能降低了沥青胶浆在重复荷载下的疲劳寿命。分析认为，DPCM本身不具有黏性，其掺入相当于增大了粉胶比，减少了胶浆中的黏性组分，使其更倾向于在重复荷载下开裂。
- 低温性能：在-20~10°C范围内，DPCM对复数模量和相位角的影响趋势与高温、中温区间一致，即增加模量、降低相位角。基于DSR数据推算的m值随DPCM掺量增加而减小，劲度模量则相应增加。特别是在-18°C时，所有样品的推算劲度模量均已超过300 MPa，表明在持续极低温度下，DPCM不再发生相变，高掺量的DPCM改性沥青会因材料变硬而更易在低温下开裂。
化学稳定性结果：FTIR光谱分析显示，DPCM改性沥青的红外特征峰同时包含了DPCM（如-OH、-CH₂、C-O等特征峰）和原始沥青（烷烃和环烷烃的C-H伸缩振动峰等）的特征峰，未出现新的结构特征峰。这确凿地证明了DPCM与沥青的结合是纯粹的物理混合过程，未发生化学反应，这有利于材料的长期化学稳定性。
温度调控性能结果：
- 高温调控：在25-65°C的循环中，DPCM展现出显著的“削峰”效果。随着DPCM掺量从0%增加到40%，改性沥青在加热阶段的最高温度极值从64.7°C降至60.5°C，降低了4.2°C；升温速率从1.588 °C/min降至1.420 °C/min，降低了10.6%。在冷却阶段，降温速率也相应降低了12.6%。这说明在外部温度升至约40-50°C时，DPCM通过熔融吸热，储存了部分热量，从而延缓了沥青温度的上升并降低了峰值。
- 低温调控：在-20-20°C的循环中，DPCM表现出明显的“填谷”效果。随着DPCM掺量增加，改性沥青在冷却阶段的最低温度极值从-19.9°C升至-17.4°C，提高了2.5°C；降温速率从0.363 °C/min降至0.340 °C/min，降低了6.3%。这表明当外部温度降至约-10~0°C时，DPCM通过凝固放热，释放储存的潜热，从而延缓了沥青温度的下降并抬高了谷值。
本研究得出的核心结论是：成功制备了一种基于PEG/EG复合体系的双相变材料，该材料能有效改善沥青结合料的高温抗车辙性能，并展现出优异的高、低温双向主动温度调控能力。特别是当DPCM掺量为40%时，在室内模拟试验中可将沥青的高温峰值降低4.2°C，低温谷值提升2.5°C，具有明确的应用潜力。然而，研究也指出，DPCM的加入会降低沥青的疲劳性能和低温抗裂性能（尤其是在其不发挥相变作用的极低温条件下），因此在实际工程应用中需要对其掺量进行优化权衡。
本研究的科学价值与应用意义在于：它提出并验证了一种“一体化”解决沥青路面高、低温病害的新思路，突破了传统单一功能相变材料的局限性。通过巧妙的材料设计（EG载体提高导热性，双PEG配方覆盖宽温域），实现了对沥青材料热学性能与流变性能的系统改性。研究结果为开发适用于四季分明、温差大气候区的智能调温沥青路面提供了重要的理论依据和实验数据支撑。
本研究的亮点与创新点： 1. 材料设计新颖：创新性地将两种不同相变温度的PEG/EG复合材料结合，制备出具有双向、宽温域调控能力的双相变材料，目标直击实际工程中复杂的季节性温度变化问题。 2. 研究系统全面：工作流程逻辑严谨，从材料制备、微观表征、流变性能（高、中、低温）到实际温控效果验证，形成了一个完整的研究闭环，结论可靠。 3. 揭示了性能的辩证关系：不仅证明了DPCM的积极功效（提升高温稳定性和温控能力），也客观揭示了其潜在的负面影响（降低疲劳和低温性能），为后续优化和应用提供了关键警示。 4. 方法结合紧密：综合运用了SEM、FTIR、DSR和自主搭建的室内模拟温控测试系统，多角度、多层次地阐明了DPCM的作用机理与效果。
此外，研究中关于DPCM在流变测试中主要表现为“类矿物填料”物理作用，而其相变潜热效应在室内大体积温控试验中才得以凸显的发现，也颇具价值，提示了材料在不同尺度、不同测试条件下性能表征的差异性，这对未来相关研究的方法选择具有参考意义。