本文属于类型a，即单项原创研究报告。

该研究由Yinfei Du、Pusheng Liu、Jiacheng Wang、Hao Wang、Shaowei Hu、Jun Tian和Yingtao Li共同完成。主要作者来自中南大学土木工程学院、美国罗格斯大学土木与环境工程系、东莞理工学院生态环境与建筑工程学院，以及江苏高速公路工程养护技术有限公司。该论文于2019年发表在*Construction and Building Materials*期刊第212卷，第1至9页。

本研究的学术背景是沥青路面在夏季因黑色表面吸收大量太阳辐射而导致路面温度过高，进而引发城市热岛效应、车辙病害和沥青老化等问题。近年来，研究者尝试将相变材料（phase change material，PCM）掺入沥青混合料中以延缓温度上升并降低峰值温度。聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）因其无毒、低成本、相变焓高且热稳定性好而受到关注，其中平均分子量为2000的PEG相变温度与沥青路面高温状态较为吻合。然而，PEG在拌和及服役过程中容易泄漏，并可能影响沥青及沥青混合料的性能。此前关于PEG对沥青结合料和混合料性能影响的系统性研究较少。因此，本研究旨在通过室内试验系统考察PEG对沥青及沥青混合料性能的影响，重点关注PEG与沥青之间的相变效应及其对高温流变性能和力学性能的作用。

在研究方法与流程方面，研究主要分为四个环节：微观表征、高温流变性能测试、冷却性能测试和抗剪强度测试。首先，选用PG 64-22基质沥青与AC-13沥青混合料，将PEG以沥青质量1%、5%、10%和20%的比例在160摄氏度和1500转每分钟搅拌条件下制备PEG/沥青复合物（PEG/asphalt composite，PAC），其中纯沥青用量为混合料质量的5%，当PEG掺量为20%时，PAC占混合料质量6%。通过差示扫描量热法（differential scanning calorimetry，DSC）测试沥青和PAC的相变焓与相变温度，发现纯PEG的相变焓为174.4焦每克，起始相变温度约为36.3摄氏度；纯沥青没有明显相变峰；5% PAC未显示出相变行为；10%和20% PAC表现出明显吸热峰，但20% PAC实测焓值仅为14.13焦每克，低于按公式计算的理论焓值29.12焦每克，说明沥青可能阻碍了PEG的相变过程。通过傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared，FTIR）分析发现，1% PAC的红外谱图与纯沥青高度相似，随PEG含量增加，PAC谱图逐渐趋近于PEG谱图，但没有新官能团出现，表明PEG仅与沥青发生物理混合，无化学相互作用。荧光显微镜（fluorescence microscope）观察显示，低PEG含量时，PEG以极小颗粒形式均匀分散在沥青中；当PEG含量升高后，PEG颗粒相互连接形成较大颗粒。

在高温流变性能方面，研究采用动态剪切流变仪（dynamic shear rheometer，DSR）开展了频率扫描、温度扫描、稳态剪切黏度和多应力蠕变恢复（multiple stress creep and recovery，MSCR）四类测试。频率扫描在40、60和80摄氏度下以0.1至100赫兹频率进行，结果显示在40摄氏度时，PEG的加入在整个频率范围内降低了沥青的复数剪切模量（complex shear modulus）；而在60和80摄氏度条件下，PAC在低频范围内的复数剪切模量增加，且温度越高，该增加发生的频率范围越宽。这说明固态PEG对复数剪切模量不利，而液态PEG可提高低频率下PAC的复数剪切模量。同时，PEG的加入普遍降低了相位角（phase angle），提高了PAC的弹性特征，但相位角随温度和频率的变化较为复杂。温度扫描试验在34至76摄氏度范围内进行，结果与频率扫描一致：在低于64摄氏度时，PAC复数剪切模量随PEG含量增加而降低；在高于64摄氏度时，PAC复数剪切模量随PEG含量增加而提高。车辙因子（rutting factor）与复数剪切模量表现出相似规律。零剪切黏度（zero shear viscosity，ZSV）通过Carreau-Yasuda模型拟合稳态剪切黏度曲线获得，试验温度分别为40、50和60摄氏度，剪切速率范围为0.001至1每秒。结果表明，在同一温度下，零剪切黏度随PEG含量增加而提高，例如60摄氏度下20% PAC的零剪切黏度比纯沥青高82.9%。在低剪切速率下，PEG可提高复合黏度；但在高剪切速率下，PAC的复合黏度低于纯沥青。MSCR试验在60摄氏度下施加0.1、3.2和12.8千帕三级应力，结果表明在0.1千帕应力水平下，随PEG含量增加，不可恢复柔量（non-recoverable compliance，Jnr）降低；而在3.2和12.8千帕应力水平下，Jnr随PEG含量增加而增大。例如，20% PAC在12.8千帕下的Jnr是其0.1千帕下Jnr的5.8倍，而纯沥青在两种应力水平下的Jnr差别很小，说明PEG增加了PAC对应力水平的敏感性。

冷却性能测试采用室内照射试验，使用275瓦白炽灯在距试件上方90厘米处模拟太阳辐射，并用红外热像仪记录试件表面温度，同时用温度记录仪监测2厘米、4厘米深度和底面的温度。由于5% PAC没有明显相变行为，因此仅对10%和20% PEG/沥青复合混合料（PEG/asphalt composite mixture，PACM）进行测试。结果显示，从约45摄氏度开始，10%和20% PACM的表面温度低于对照沥青混合料；当温度超过约55摄氏度后，温差基本保持稳定，这与DSC中PEG在45至55摄氏度范围内发生相变有关。在4厘米深度处也观察到相似趋势，且温差更大。照射结束时，20% PACM表面温度比对照混合料降低约1.5摄氏度，而4厘米深度温度降低约3.3摄氏度。深度处温降更大的原因是热量在向下传递过程中被PEG吸收并储存为潜热，从而减少了向下传递的热量。

抗剪强度测试采用单轴压缩试验和劈裂试验，试验温度为25摄氏度，加载速率分别为2毫米每分钟和50毫米每分钟，并根据Mohr-Coulomb破坏理论计算抗剪强度。结果表明，随PEG含量增加，PACM的单轴压缩强度和劈裂强度均降低，从而抗剪强度下降。与对照混合料相比，掺加1% PEG时抗剪强度降低3.1%；当PEG掺量为20%时，单轴压缩强度降低23.8%，劈裂强度降低18.0%，抗剪强度降低20.8%。这主要是因为25摄氏度下PEG处于固态，对沥青的流变性能不利，进而削弱了混合料的力学强度。

综合上述结果，本研究得出以下结论：直接混合PEG与沥青时，PAC的相变焓低于理论计算值，说明沥青会阻碍PEG的相变过程；微观测试证实PEG与沥青仅为物理混合，低含量时PEG在沥青中分布均匀；频率扫描和温度扫描试验表明，在高于PEG相变温度或低加载频率条件下，PEG有助于提高PAC的复数剪切模量，但在低温或固态条件下不利；零剪切黏度随PEG含量增加而提高；MSCR结果显示PEG使PAC不可恢复柔量对应力水平更敏感；20% PACM可使表面温度和4厘米深度温度分别降低约1.5摄氏度和3.3摄氏度，表现出一定冷却效果；但20% PEG掺量也导致混合料抗剪强度降低20.8%。因此，虽然PEG能降低沥青路面温度，但直接掺入会削弱沥青混合料的力学性能，未来需要提出更有效的相变材料掺入方式以减少PCM泄漏对性能的不利影响。

本研究的重要发现包括：首次系统揭示了PEG对沥青高温流变性能的复杂影响，指出其作用受PEG相态和加载频率共同控制；明确了沥青会对PEG相变过程产生阻碍作用；并通过室内试验量化了PACM的冷却效果与力学性能损失之间的权衡关系。其研究结果对相变沥青路面材料的设计和相变材料封装技术的发展具有重要参考价值。