本研究由Haya Almutairi和Hassan Baaj完成，作者均来自加拿大滑铁卢大学（University of Waterloo）土木与环境工程系。该论文发表于 Applied Sciences 期刊，于2023年4月13日正式刊出，文章标题为“Rheological, Spectroscopic, and Chemical Characterization of Asphalt Binders Modified with Phase Change Materials, Polymers, and Glass Powder”。本文属于类型a，即单一原创研究的学术论文，以下将以学术报告形式对该研究进行全面介绍。
一、研究背景与目的
近年来，高性能沥青路面因交通量快速增长和荷载不断增加而面临严峻的早期损坏问题，沥青结合料（asphalt binder）的品质对路面整体性能具有重要影响。因此，研究者不断开发新型改性剂以提升沥青混合料的力学性能和热学性能。相变材料（Phase Change Materials, PCMs）作为一种热能储存材料，能够在相变过程中吸收或释放大量潜热，从而调节沥青路面的温度波动，延缓极端温度出现的时间，减少低温开裂和高温车辙等病害。玻璃粉（Glass Powder, GP）则是一种来源广泛的城市废弃物，将其回收用于沥青混合料中不仅可提高材料的稳定性，还具有良好的环境效益。
然而，PCM与GP在沥青结合料中的应用研究仍处于早期阶段，关于它们对结合料流变性能、化学组成及微观结构的综合影响尚缺乏系统认识。此前有研究指出，将PCM直接掺入沥青结合料会导致PCM泄漏、结合料黏聚力下降，甚至试件脱模后立即坍塌。因此，本研究旨在系统评估PG 58-28和PG 70-28（含3% SBS聚合物）两种基质沥青在掺入PCM及GP与PCM复合改性剂（GPCM）后的流变、光谱及化学特性变化，并探索采用GP吸附PCM以改善高温稳定性的可行性。
二、研究流程与实验方法
本研究共设置了7种结合料组合，包括对照组PG 58-28、PG 70-28、5% PCM、5% GPCM、7% GPCM、5% GPCM-SBS以及7% GPCM-SBS。GPCM通过将GP与PCM按70:30的比例在常温下搅拌2–3分钟制成均匀浆体，该比例经试验筛选确定，50:50时PCM泄漏明显，80:20则因GP过多导致浆体干燥硬化。
由于热重分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）显示PCM的初始蒸发温度较低，5% PCM结合料的制备温度控制在80–90°C，5%和7% GPCM改性PG 58-28结合料的制备温度为90–110°C，而改性PG 70-28则需在130–150°C下搅拌20分钟以保证均匀混合。共制备52个试样，分别用于旋转黏度计、动态剪切流变仪（Dynamic Shear Rheometer, DSR）、傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）、差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry, DSC）、环境扫描电子显微镜（Environmental Scanning Electron Microscopy, ESEM）及TGA测试。
在黏度测试中，采用Brookfield旋转黏度计在90–165°C范围内分级测定；DSR测试按照AASHTO T315标准测定车辙因子（G*/sinδ）及主曲线，主曲线采用Sigmoidal模型以20°C为参考温度生成，频率范围为0.1–20 Hz；FTIR用于分析化学官能团变化；DSC在−90°C至100°C之间以10°C/min的升降温速率测量热流变化；ESEM在20 keV加速电压和0.8 mbar舱压下观察结合料的微观纤维结构。
三、主要研究结果
TGA结果表明，纯PCM在50°C时即开始失重，至150°C时几乎完全蒸发；而GPCM的失重起始温度延迟至125°C，最大失重速率出现在250°C左右，说明GP的多孔结构能够吸附PCM并延缓其蒸发。对比结合料的TGA曲线可知，5% PCM结合料在225°C时才出现3%的质量损失，而7% GPCM结合料在260°C时失重3%，在590°C后仍有10%残余质量，说明GP的加入提高了PCM的热稳定性。
黏度测试结果显示，5% PCM结合料在90°C时仅黏度降低10.6%，而当温度超过PCM蒸发温度后，其黏度与对照结合料无显著差异。添加5%和7% GPCM后，PG 58-28和PG 70-28结合料在105°C以上的黏度显著降低，例如7% GPCM在150°C时黏度为0.152 Pa·s，而对照结合料为0.214 Pa·s。这种降黏效应有利于温拌沥青（Warm Mix Asphalt, WMA）的生产，但也可能削弱高温抗车辙性能。
DSR分级测试表明，5% GPCM的车辙因子（1.9472）与对照结合料（1.9880）接近，而5% PCM车辙因子降至1.7363，7% GPCM则大幅降至1.1452。随着GPCM掺量增加，结合料的连续PG高温等级相应降低，例如PG 58-28对照结合料的连续PG高温等级为63.6°C，而7% GPCM降至53.9°C。PG 70-28中加入5%和7% GPCM后，连续PG高温等级从69.9°C分别降至63.7°C和61.5°C，表明GPCM会降低结合料的高温抗车辙能力。
主曲线分析表明，5% PCM、5% GPCM和7% GPCM结合料与对照结合料的变化趋势相似，在中等频率下5% PCM结合料刚度略有提高，而7% GPCM略有降低。PG 70-28因其SBS聚合物网络在中等频率下刚度显著增加，但加入GPCM后刚度下降，表明GPCM软化效应削弱了SBS的增强作用，可能对疲劳开裂抗力产生不利影响。Black space曲线显示，5% PCM、5% GPCM和7% GPCM与对照结合料在低频高温下均表现出黏性主导行为，而PG 70-28弹性行为更强，但GPCM的加入使其相位角增大，弹性响应减弱。
DSC结果显示，5% PCM结合料在−15°C时释放的热流为0.335 W/g，而5% GPCM结合料在−20°C时释放的热流仅为0.175 W/g。GP的存在削弱了PCM的潜热释放能力，这可能是因为PCM被封闭在GP的低导热孔隙中，限制了其相变过程中的热量交换。
ESEM观察表明，纯PCM的加入使结合料纤维结构变得较宽且稀疏，而GPCM改性后的纤维尺寸介于对照结合料与PCM改性结合料之间。PG 70-28结合料表现出致密且相互连接的纤维网络，但GPCM的加入破坏了这种网络结构，使其微观形貌更接近软质结合料的特征。FTIR分析显示，各类结合料的特征峰总体相似，但在1700 cm⁻¹（多环芳烃）和1030 cm⁻¹（亚砜基）处存在差异；含SBS的结合料在700 cm⁻¹处因聚苯乙烯而出现更强吸收峰。储存一个月后，5% GPCM样品的FTIR谱图未发生明显变化，说明其化学官能团在室温储存条件下相对稳定。
四、研究结论与应用价值
本研究的主要结论包括：第一，PCM和GPCM显著降低了沥青结合料的黏度，有利于温拌沥青技术应用；第二，GP的加入提高了PCM的热稳定性，但同时也降低了PCM在低温下的潜热释放能力；第三，GPCM的加入在中等温度下显著降低了结合料刚度，可能对疲劳抗裂性能产生负面影响；第四，DSR分级显示GPCM会降低结合料的连续PG高温等级，削弱抗车辙性能；第五，该生物基PCM的蒸发温度低于热拌沥青的生产温度，因此不适用于热拌沥青，但更适合温拌沥青混合料。
本研究的科学价值在于首次系统整合了流变、热学、光谱及微观结构分析手段，全面揭示了PCM和GP对沥青结合料性能的多维度影响，并验证了利用GP作为PCM载体以提高热稳定性的可行性。应用价值方面，该研究为温拌沥青中PCM/GPCM改性剂的选择和掺量确定提供了实验依据，同时也为废旧玻璃的资源化利用提供了新思路。
五、研究亮点
本研究的创新性体现在以下方面：其一，提出了将玻璃粉与相变材料复合制备GPCM浆体以解决PCM泄漏和热稳定性差的问题；其二，通过TGA与DSC联合分析明确了PCM/GPCM在沥青结合料中的热行为边界条件，为后续工业化应用提供了重要参数；其三，系统地建立了PG 58-28和PG 70-28两种不同性能等级结合料在PCM/GPCM改性下的流变性能对比关系，为不同气候条件下沥青路面的改性策略提供了参考。