本研究由山东省交通规划设计院集团有限公司和北京工业大学桥梁工程安全与韧性全国重点实验室的丁婷婷、魏思双、任鑫、郭猛、于得水等学者共同完成，通讯作者为北京工业大学的郭猛。该研究成果于2024年2月13日在《Construction and Building Materials》期刊第417卷上在线发表，论文编号为135302。

沥青路面因其优良的路用性能在全球公路建设中广泛应用，但其作为一种温度敏感性材料，在高温环境下易产生车辙病害，在低温环境下则易发生开裂，这一直是道路工程领域难以平衡的难题。传统的温度控制方法，如热反射涂层、钢纤维添加或新型级配设计等，多为被动式调控。因此，探索主动式温度调控方法具有重要意义。相变材料（Phase Change Materials）作为一种能够通过相态转变吸收、储存或释放热量的材料，为沥青路面的主动温控提供了新思路。然而，单相变温度的相变材料无法同时在高温和低温条件下实现双向温度调节。基于此，本研究的核心目标是开发一种双相变温度调控材料，既能改善高温抗车辙能力，又能提升低温抗开裂能力，并系统验证其路用性能。

在该研究中，研究者首先依据相变材料的技术要求，从市售产品中筛选了六种复合相变材料（Composite Phase Change Materials）作为研究对象。其中三种为高温型相变材料，相变温度在40℃至48℃之间，分别为1#生物基高导热型、2#生物基微胶囊型和3#纳米微胶囊型；另外三种为低温型相变材料，相变温度在-13℃至4℃之间，分别为4#生物基高导热型、5#生物基微胶囊型和6#纳米微胶囊型。研究选用国产70号基质沥青作为对照样品。

整个研究工作分为相变材料表征、相变沥青制备与表征、最佳掺量确定和双相变沥青混合料性能验证四个主要步骤。第一步是对六种相变材料进行性能表征。采用差示扫描量热仪（Differential Scanning Calorimeter，DSC）测试其潜热性能，结果显示六种材料均具有明显的吸热和放热峰，具有较高的焓值，其中1#材料焓值最高达187 J/g，有利于发挥热调节作用。热重分析仪（Thermogravimetric Analysis，TGA）测试表明，高温型相变材料在35℃至180℃范围内热稳定性优异，质量损失小于4%；低温型材料中，6#的质量损失为39.1%，热稳定性略优于4#和5#。通过红外光谱分析（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，FTIR）测试了化学稳定性，发现相变沥青与基质沥青的特征吸收峰位置基本一致，无新官能团生成，表明二者仅为物理共混，化学稳定性良好。

第二步是制备含5%掺量的六种相变沥青，并对其潜热性能、调温性能和流变性能进行评价。DSC测试发现，在沥青体系中，仅1#、3#和6#相变沥青表现出明显的相变行为，其中1#在升温过程中相变潜热为9.7 J/g，3#为2.3 J/g，6#在降温过程中相变潜热为3.1 J/g，而2#、4#和5#未能在沥青中发挥相变潜热功能。调温性能测试进一步证实，1#和3#相变沥青可有效延缓升降温速率，6#相变沥青在低温条件下能有效减缓降温速率，其温度可比基质沥青高出3.3℃。在流变性能方面，通过动态剪切流变仪（Dynamic Shear Rheometer，DSR）测试了复合模量、车辙因子、G-R参数和劲度模量等指标。结果表明，3#相变材料对基质沥青的粘弹特性和高温抗车辙性能影响最小，6#对低温性能影响最小。综合考虑热学性能和力学性能，研究者筛选出3#和6#相变材料作为开发双相变温度调控材料的原料，并指出这两种材料同为纳米微胶囊型，其纳米外壳具有良好导热性，能有效传递热量，并使相变芯材充分发挥调温功能。

第三步是确定两种相变材料的最佳复配掺量。研究者将3#和6#相变材料分别以1%、3%、5%的掺量加入基质沥青，以升降温速率和对力学性能的影响差异为评价指标。结果显示，掺量越大，调温效果越显著，但对沥青性能的影响也随之增大。结合调温效果与性能影响，确定两种材料的合理掺量范围为1%至3%。为精确求得最佳掺量，研究者创新性地将星点设计-响应面优化法（Star Point Design-Response Surface Optimization Method）引入道路用双相变调温材料的配方优化设计中。采用两因素五水平的中心组合模型进行试验设计，选取复合模量影响差异、车辙因子影响差异、劲度模量影响差异、升温速率和降温速率作为评价指标，并对各指标进行归一化处理后计算总评归一值（OD）。通过SPSS软件进行非线性回归拟合，得到回归方程，当3#和6#相变材料掺量均为1.3%时，总评归一值达到最大（0.6696），从而确定最佳掺量为1.3%。

第四步是验证双相变沥青混合料的调温性能和路用性能。采用SMA-13沥青混合料，油石比为6%，制备了含1.3%的3#和1.3%的6#双相变材料的马歇尔试件，并与普通沥青混合料进行对比。调温实验结果表明，在高温条件（20℃至70℃）下，双相变沥青混合料可使升温速率延缓4.8%至6.8%；在低温条件（-20℃至20℃）下，可使降温速率延缓6.9%至10.2%，显示出双向温度调控能力。路用性能方面，高温车辙试验表明，添加双相变材料后，沥青混合料的动稳定度（Dynamic Stability）从6085次/mm提升至7778次/mm，提高了27.8%，高温抗车辙性能显著增强。浸水马歇尔试验显示，残留稳定度（Residual Stability）从88.13%提升至107.57%，水稳定性得到改善。低温弯曲试验中，最大弯拉应变（Maximum Flexural Strain）从3515 µɛ略微提升至3528 µɛ，提高了0.37%，低温抗开裂性能也有一定增强。

该研究的结论主要包括以下四点：第一，所选的六种相变材料均具有较高的焓值和适中的相变温度，与沥青化学稳定性良好，热稳定性总体优异。第二，综合热性能和力学性能，3#和6#纳米微胶囊型相变材料表现更为优越，被选作双相变调温材料的原料，其纳米外壳稳定且导热性好，能防止泄漏并使相变材料充分发挥作用。第三，通过星点效应面优化法确定3#和6#相变材料的最佳掺量均为1.3%，在此掺量下可兼顾调温效果与对基质沥青性能的最小影响。第四，制备的双相变沥青混合料能有效延缓高低温条件下的温度变化速率，同时其动稳定度和最大弯拉应变分别提高了27.8%和0.37%，高低温路用性能均得到改善。

本研究的科学价值在于提出了双相变温度调控的概念，突破了传统单相变材料只能单一方向调温的局限，并通过系统的多尺度评价方法，从相变材料、相变沥青到沥青混合料逐级验证了其热学、力学和路用性能。在应用价值上，该材料不仅能在夏季高温时延缓路面升温以减轻车辙，还能在冬季低温时延缓路面降温以减轻冰冻和开裂，对延长沥青路面使用寿命、降低养护成本具有重要工程意义。

本研究的亮点在于：首次将星点设计-响应面优化法应用于双相变沥青材料的配方优化，实现了两种相变材料最佳掺量的精确确定；研究对象聚焦于纳米微胶囊型复合相变材料，揭示了其纳米外壳结构在防止泄漏与高效导热方面的优势；同时，研究建立了一套完整的多尺度评价工作流，从材料的微观热稳定性、中观流变性能到宏观混合料路用性能进行了全面的验证。此外，论文也客观指出，复合相变材料的制备工艺和相变材料与沥青的混合方法有待进一步研究，未来可结合试验路进行多尺度的调温效果评价。