报告标题：利用微胶囊相变材料调控沥青路面温度的实验研究
本研究由 Daniela Betancourt-Jimenez, Miguel Montoya, John Haddock, Jeffrey P. Youngblood 和 Carlos J. Martinez 共同完成。通讯作者为 Carlos J. Martinez。所有作者均来自美国普渡大学，其中 Daniela Betancourt-Jimenez, Jeffrey P. Youngblood 和 Carlos J. Martinez 隶属于材料工程学院，Miguel Montoya 和 John Haddock 隶属于莱尔斯土木工程学院。该项研究成果以论文《Regulating asphalt pavement temperature using microencapsulated phase change materials (PCMs)》为题，发表于学术期刊《Construction and Building Materials》第350卷（2022年），文章在线发布于2022年8月24日。
本研究属于土木工程材料与道路工程领域，特别聚焦于沥青路面的热管理与可持续性技术。沥青是道路建设中最广泛使用的材料，但其一个主要缺点在于其粘弹性性能会随温度显著变化，影响路面性能。尤其是在阳光直射下，黑色沥青路面温度可高达70°C，这不仅会导致车辙（Rutting）等永久性变形，还加剧了城市热岛效应。因此，寻找有效方法降低沥青路面在夏季的高温成为重要课题。
相变材料作为一种能够通过相变过程吸收或释放大量潜热以维持温度相对恒定的物质，在建筑节能、纺织品等领域已有应用。此前已有研究探索将PCMs用于沥青路面，最常见的方法是使用多孔集料吸附PCMs。然而，这种方法存在PCMs泄漏和装载量低的固有问题。另一种较少探索的方法是使用PCM微胶囊。微胶囊通过高分子外壳封装PCM，理论上能有效防止泄漏，但传统微胶囊通常无法承受沥青混合料生产和摊铺过程中的高温（140–160°C）和高剪切力/压缩力。
基于此背景，本研究旨在探索一种新型商业微胶囊在沥青混合料中应用的可行性。这种微胶囊据称具有坚固的外壳和更高的热稳定性。研究的核心目标是：1) 验证该微胶囊能否在沥青生产和压实条件下存活；2) 评估掺加PCM微胶囊的热拌沥青混合料在热循环条件下的温控性能；3) 探究PCM微胶囊的添加对沥青混合料关键力学性能——动态模量的影响。本研究旨在为解决沥青路面高温问题和城市热岛效应提供一个潜在的新技术路径。
本研究包含三个主要阶段：微胶囊的基础表征、耐热与耐机械性能评估，以及掺入热拌沥青混合料后的热学与力学性能测试。研究工作流程清晰，从材料基本属性验证到复合材料性能评估，层层递进。
第一阶段：微胶囊材料的选择与基础表征。 研究首先选用了一种商业PCM微胶囊。根据制造商信息，该微胶囊以石蜡为核心（含量约85–90%），并包裹着聚合物外壳。研究旨在利用其高热稳定性和坚固外壳来应对沥青生产环境。研究人员使用扫描电子显微镜观察了微胶囊的形貌，结果显示其呈球形，尺寸分布在2至25微米之间，且大多数胶囊表面有凹陷，推测是由于石蜡核心在相变过程中发生体积收缩所致，但外壳未见裂纹，表明其具有一定的强度和柔韧性。
第二阶段：微胶囊的热学与机械耐久性评估。 这一阶段通过一系列标准实验方法评估微胶囊的关键性能，以预测其在真实生产环境中的表现。 1. 热性能表征： 采用差示扫描量热仪和热重分析仪对微胶囊进行测试。DSC结果显示，微胶囊在约5°C有一个小的吸热峰，在约36.5°C开始并在45°C达到峰值的主要吸热峰，其熔融潜热约为200 J/g。冷却曲线也显示出两个结晶峰。TGA结果表明，微胶囊在400°C以下具有很好的热稳定性。特别进行了165°C下3小时的等温实验，模拟沥青混合料生产温度，结果显示质量损失仅约4%，证实了其在高温下的稳定性。 2. 机械耐久性评估（球磨实验）： 为了模拟沥青混合过程中的剪切和磨损作用，研究团队设计了一个球磨实验。将微胶囊与碳化钨研磨球一同置于玻璃瓶中，在145°C的烘箱中预热2小时后，立即在室温下以30 rpm的转速球磨20分钟。随后通过光学显微镜观察胶囊的破损情况。估算结果显示，大约90%的胶囊在实验后保持完整，表明其具有承受混合和压实过程中机械应力的潜力。然而，仍有约10%的破损率，意味着可能会有部分PCM泄漏。
第三阶段：微胶囊在沥青混合料中的应用与性能测试。 此阶段分为两部分：一是评估掺入微胶囊后沥青混合料的热响应，二是测量其对混合料动态模量的影响。 1. 试样制备： 研究使用了两种方法制备混合料试样。 * 热响应测试试样： 为快速评估微胶囊的功能性，直接使用了现场生产的热拌沥青混合料作为基材。将微胶囊以0、10和20体积百分比的掺量（约相当于0、4和8重量百分比）手工拌入预热的混合料中，然后使用Superpave旋转压实仪成型为直径150 mm的试件，最后钻取并加工成直径100 mm、高50 mm的测试试样，并安装了热电偶。 * 动态模量测试试样： 为更精确地控制级配并减少细集料变化的影响，采用了实验室拌合的混合料。在对照组中，将级配中小于300微米的细集料替换为同等重量的布袋除尘粉（约占总集料的4%）。在PCM组中，则用PCM微胶囊（约10 vol%）替换掉这部分细集料，以保持级配总体一致。 2. 热循环实验： 将制备好的试样置于环境箱中，先升温至62°C（6小时内），保温25小时，然后自然冷却至室温。整个过程记录试样不同位置的温度。该实验旨在模拟昼夜温度循环，观察PCM在吸热（熔化）和放热（凝固）过程中对混合料温度升降速度的影响。 3. 动态模量测试： 使用沥青混合料性能测试仪，在三种温度（4°C, 20°C, 40°C）和六种频率（0.1 Hz 至 25 Hz）下，测量了对照组和含10 vol% PCM试样的动态模量。该测试用于评估PCM添加对混合料刚度（即抗变形能力，与车辙性能相关）的影响。
研究获得了多个关键结果，系统地回答了研究目标。
微胶囊基础表征结果： DSC和TGA数据证实了所选微胶囊具有较高的潜热（约200 J/g）和优异的热稳定性（400°C以下稳定，在165°C下3小时质量损失仅4%），满足沥青生产的热环境要求。球磨实验的光学显微图像显示约90%的胶囊保持完好，证明了其良好的机械鲁棒性，尽管仍有部分胶囊破损的潜在风险。
热循环实验结果： 这是本研究最核心的发现，直接证明了微胶囊PCM的温控功效。 1. 加热阶段： 所有试样温度最初线性上升。当温度接近PCM的熔融起始温度（约36.5°C）时，掺有PCM的试样升温速率开始明显减缓，出现温度“滞后”。具体表现为，含10 vol%和20 vol% PCM的试样分别比对照组晚约0.8小时和1.8小时达到48°C。在达到约44°C时，两者与对照组的温度差分别达到最大值-4.6°C和-10.1°C。这表明PCM在熔化过程中吸收了大量热量，有效延缓了混合料的升温，峰值温度有所降低。作者分析认为，这种滞后效应主要是PCM潜热作用的结果，但也部分归因于微胶囊的引入降低了混合料的整体热扩散率。 2. 冷却阶段： 在降温过程中，当试样温度降至PCM的结晶温度范围（约41-43°C）时，PCM释放凝固潜热，导致掺有PCM的试样冷却速率减慢，温度暂时高于对照组。含10 vol%和20 vol% PCM的试样在冷却阶段的最高温度梯度（相比对照组）分别为+2.9°C和+5.4°C。 3. 热梯度分布： 温度梯度在试样中部和底部表现最为显著，这是因为试样仅顶部暴露于对流环境，侧面和底部均被隔热。
动态模量测试结果： 力学性能测试揭示了技术应用中的一个重要挑战。结果表明，在所有测试温度和频率下，含有10 vol% PCM微胶囊的试样，其动态模量均显著低于对照组。特别是在高温（40°C）和低频（1 Hz）——这是评估车辙敏感性的典型条件——下，PCM试样的动态模量降低了约75%。这预示着混合料的刚度大幅下降，可能对路面的抗车辙性能产生负面影响。作者分析了可能的原因：一是PCM微胶囊本身是光滑的球体，替换了有棱角、纹理粗糙的矿物填料（如布袋除尘粉），导致集料间嵌挤和摩擦力下降；二是微胶囊密度远低于矿物集料，且其聚合物/石蜡结构的模量本身较低；三是在混合过程中破损胶囊泄漏的石蜡可能改变了沥青结合料的化学成分，增加了胶质含量，从而降低了整体模量。
本研究得出的核心结论是：所研究的新型商业PCM微胶囊能够承受热拌沥青的生产条件，并且当以10-20 vol%的掺量加入沥青混合料时，能够有效地调控其温度变化，在升温阶段显著延缓升温并在相变点附近形成5-10°C的温度滞后，在降温阶段减缓冷却速度。这验证了使用微胶囊PCM来减缓沥青路面极端温度、缓解城市热岛效应和延迟车辙形成的概念可行性。
然而，研究也明确指出了当前技术面临的主要挑战：PCM微胶囊的加入会显著降低沥青混合料的动态模量（刚度），可能对路面的长期结构性能和抗车辙能力产生不利影响。这意味着，虽然热管理目标可以实现，但可能以牺牲力学性能为代价。
本研究具有重要的科学价值和应用价值。科学价值在于它系统性地探索了微胶囊封装这一新路径在沥青路面PCM应用中的可行性，提供了从材料表征到复合材料性能评估的完整实验数据链，特别是揭示了热性能收益与力学性能损失之间的权衡关系。应用价值在于为未来开发适用于沥青路面、性能更优的专用微胶囊指明了方向。它证明了这个思路是可行的，但需要针对沥青应用的特殊环境进行材料优化。