关于“沥青结合料中低至高调温范围微胶囊相变材料性能评估”研究的学术报告

一、 研究团队与发表信息 本研究由美国罗文大学先进交通系统工程研究中心（CREATES）的Ayyaz Fareed、Anil Kumar Baditha、Ayman Ali、Yusuf Mehta，以及美国陆军工程兵团寒区研究与工程实验室的Wade Lein共同完成。研究论文《Performance assessment of microencapsulated phase change materials with low to high thermoregulation range in asphalt binder》于2024年在线发表在《International Journal of Pavement Engineering》期刊上，是该期刊第25卷第1期的文章，论文编号为2431883。

二、 学术背景与研究目的 本研究属于道路工程材料领域，具体聚焦于沥青改性技术。柔性路面在极端高、低温及温度剧烈波动下易产生车辙、疲劳开裂和低温开裂等病害，缩短使用寿命并增加维护成本。传统改性剂（如橡胶屑、纤维、生物油）虽能改善部分性能，但缺乏主动调节路面温度的能力。微胶囊相变材料（Microencapsulated Phase Change Materials, MPCMs）通过在其相变点（熔化/结晶）吸收或释放潜热，理论上可调节沥青材料温度，从而缓解温致病害。然而，MPCMs对沥青结合料性能的影响，尤其是在其调温范围内的具体表现，尚缺乏系统深入的理解。

此前研究多关注MPCMs的最大调温温差，或仅在稳态测试条件下评估其改性沥青的性能，这可能无法准确捕捉相变过程中的动态热效应。此外，对于高掺量（>10%）MPCMs的研究、不同调温范围MPCMs的综合比较、以及MPCMs在施工温度下的存活率评估均存在不足。

因此，本研究旨在填补上述空白，具体目标包括：1) 设计确保MPCMs调温性能成功转移的沥青共混方法；2) 通过简易实验室测试评估MPCMs在施工温度下的封装完整性（存活率）及改性沥青的粘度；3) 研究MPCM类型和掺量对不同基质沥青热调节性能及流变性能的影响；4) 通过稳态和非稳态测试，探究MPCMs对沥青高、低温性能的影响。

三、 详细研究流程与方法 本研究流程严谨，涵盖了材料制备、性能验证和全面性能评估。

1. 材料准备与共混工艺： * 研究对象： 选用两种基质沥青：PG 58-28和PG 64-22。选用三种市售MPCMs，其熔化点分别为6°C（MPCM6D）、28°C（MPCM28D）和37°C（MPCM37D），核心材料为十四烷或石蜡，外壳为密胺甲醛。每种MPCM在每种基质沥青中的掺量设定为5%、10%和20%（按沥青重量计）。 * 共混方法： 采用低速剪切混合器进行共混，以避免胶囊破损。共混温度严格控制在制造商建议的150°C以下（PG 58-28沥青为125±5°C，PG 64-22沥青为140±5°C），剪切速率为1000 rpm。MPCMs通过筛网逐步加入热沥青中，共混15-30分钟。此方法旨在物理混合的同时最大限度保持胶囊完整性。

2. 实验程序与测试方法： 研究包含一系列实验室测试，以系统评估MPCMs的封装完整性、热特性及其对沥青性能的影响。 * 封装完整性验证： * 改性扩散渗出圈试验： 对纯MPCM粉末进行测试。将粉末置于滤纸上的标准圆圈（直径30mm）内，在160°C烘箱中加热1小时，观察并测量可能的PCM液体泄漏圈直径。结果显示所有三种MPCMs均未观察到泄漏痕迹，表明其在施工温度下封装完整性良好。 * 热特性与胶囊存活率验证： * 差示扫描量热法测试： 对纯MPCMs及其改性沥青进行DSC测试。温度范围-50°C至50°C，升/降温速率3°C/分钟。通过测量熔化/结晶点及焓变，验证MPCMs本身的热调节特性，并通过比较改性沥青实测焓变与理论计算焓变（基于MPCM掺量和纯MPCM焓变），评估共混过程中胶囊的存活情况。结果表明，所有MPCMs均显示出明确的相变峰，且改性沥青的实测焓变接近或略低于理论值，证实了调温性能的成功转移和共混过程中胶囊的高存活率。 * 施工和易性评估： * 旋转粘度测试： 依据AASHTO T316标准，在135°C和165°C下测试改性沥青的粘度。结果表明，随着MPCM掺量增加，两种基质沥青的粘度均显著上升，这归因于MPCM颗粒的物理填充和阻碍流动效应。然而，所有样品在135°C和165°C的粘度均未超过Superpave规范限值（分别为3 Pa·s和1 Pa·s），表明掺量高达20%的MPCM改性沥青仍具备可行的拌和与压实工作性。 * 流变与性能评估（稳态条件）： * 弯曲梁流变仪测试： 依据AASHTO T313，在-10°C和-18°C下测试未老化沥青的蠕变劲度（S）和蠕变速率（m值），以评估低温抗裂性。结果显示，无论MPCM类型如何，增加掺量均导致蠕变劲度增加、m值降低，表明低温抗裂性能下降。研究者认为，在BBR测试的稳态温度条件下，MPCMs的调温效应（如MPCM6D在0°C附近的放热）可能无法被有效捕捉，测试主要反映了MPCM颗粒物理存在导致的沥青硬化。 * 频率扫描测试： 依据AASHTO T315，在多个温度（0°C至82°C）和频率下测试复数剪切模量（G*），并绘制主曲线（参考温度25°C）。同时计算Glover-Rowe参数以评估抗裂性。结果显示，添加任何类型MPCM均导致复数剪切模量增加，特别是在高温（低频）区，表明抗车辙潜力提升。G-R参数随掺量增加而增大（在Black Space图中向右上角移动），表明抗裂性降低。再次说明，在DSR的稳态测试条件下，主要观察到的是MPCMs的物理硬化效应。 * 流变与性能评估（非稳态条件 - 本研究重点）： * 温度扫描测试： 这是本研究用于捕捉MPCMs调温效应的关键非稳态测试。使用8mm平板，间隙2mm，以3°C/分钟的速率进行升温和降温扫描（-0.5°C至46°C），恒定应变1%，频率10 rad/s。通过分析复数模量变化率和相位角变化率，可以探测在MPCMs相变点附近因吸热或放热引起的流变性质突变。此外，计算了疲劳因子（G*·sinδ） 和车辙因子（G*/sinδ），并在MPCMs的调温范围内（即相变点附近）评估其性能。 * 数据分析： * 统计分析： 对BBR、频率扫描和温度扫描测试结果进行单因素方差分析和Tukey HSD事后检验（置信水平95%），以量化MPCM类型和掺量对各项性能参数的显著性影响。

四、 主要研究结果 1. 热特性与胶囊完整性： DSC测试证实了三种MPCMs具有明确的相变温度和显著的焓变。改性沥青的焓变随MPCM掺量增加而线性增加，且实测值与理论值吻合良好，强有力地证明了采用的共混工艺能有效保持胶囊完整性，并将调温功能成功引入沥青。 2. 施工性能： 粘度测试表明MPCMs的加入提高了沥青粘度，但所有样品均满足施工要求。改性扩散渗出圈试验进一步证实MPCMs在160°C下无泄漏，验证了其耐施工高温的能力。 3. 稳态测试下的性能： BBR和频率扫描（稳态）测试结果一致表明，MPCMs的加入物理性地增加了沥青的刚度（表现为更高的蠕变劲度、更高的复数模量），降低了应力松弛能力（更低的m值）和抗裂性（更高的G-R参数）。这种效应与MPCMs的调温范围无关，而是由于其作为硬质颗粒的物理填充作用。统计分析显示，除个别低掺量情况外，MPCMs的添加对低温流变参数有显著影响。 4. 非稳态测试下的关键发现（调温效应显现）： * 复数模量与相位角变化率： 在温度扫描测试中，MPCM6D和MPCM28D改性沥青在降温结晶过程中，其复数模量变化率在相变点附近出现明显偏离恒定速率的现象（出现峰值），这表明结晶放热过程减缓了沥青模量的增长速率，即产生了软化效应。相反，MPCM37D在升温熔化过程中，复数模量变化率也出现显著变化，表明吸热过程可能加剧了模量增长，产生硬化效应。相位角变化率也观察到类似趋势，证实了MPCMs能够调节沥青的粘弹性性质。 * 性能参数在调温范围内的表现： * MPCM6D（~6°C熔化点）： 在结晶点附近，掺量5%和10%的改性沥青，其疲劳因子（G*·sinδ）与相应基质沥青相当（统计上无显著差异）。但在20%掺量时，疲劳因子显著升高，表明物理硬化效应开始主导，抗疲劳性能下降。 * MPCM28D（~28°C熔化点）： 在结晶点附近，掺量5%和10%的改性沥青，其疲劳因子与基质沥青相当。20%掺量时，疲劳因子显著增大，抗疲劳性能变差。 * MPCM37D（~37°C熔化点）： 在熔化点附近，所有掺量的改性沥青其车辙因子（G*/sinδ）均高于基质沥青，表明抗车辙能力得到增强。这种增强是相变吸热导致的硬化效应与MPCM物理硬化效应共同作用的结果。统计分析证实，10%和20%掺量对车辙因子的提升是显著的。

五、 研究结论与价值 本研究系统评估了三种不同调温范围MPCMs对沥青结合料性能的影响，并强调了测试条件对准确评价其调温效应的重要性。

主要结论： 1. 采用低速剪切、控制温度的共混工艺，能成功将MPCMs的调温性能引入沥青，并保持较高的胶囊存活率。 2. MPCMs的加入会增加沥青粘度，但在高达20%的掺量下，仍能满足Superpave施工和易性要求，且胶囊在施工温度下保持完整。 3. 在稳态测试条件（如BBR、标准DSR频率扫描）下，MPCMs主要表现出物理填充导致的沥青硬化，掩盖了其调温效应，导致测得的低温抗裂性下降。 4. 非稳态的温度扫描测试能有效捕捉MPCMs的调温效应。 结果表明： * 在各自的调温范围内，掺量不超过10%的MPCM6D和MPCM28D，其改性沥青的抗疲劳性能（以疲劳因子表征）与基质沥青相当，证明了其通过放热软化沥青、潜在改善中低温抗裂性的能力。 * MPCM37D在其熔化点附近能显著提高改性沥青的抗车辙因子，展现了通过吸热硬化改善高温性能的潜力。 5. 当MPCM掺量达到20%时，其物理硬化效应可能压倒调温效应，导致整体性能（如抗疲劳性）下降。

研究价值： * 科学价值： 明确了评价MPCM改性沥青性能时区分“物理效应”和“热效应”的重要性，论证了非稳态温度扫描测试在揭示MPCMs调温功能方面的有效性，为未来相关研究提供了关键的方法学见解。 * 应用价值： 为道路工程师提供了MPCMs在沥青中应用的可行性数据和指导原则。研究表明，通过选择合适调温点（如用MPCM37D抗车辙，用MPCM6D/28D缓解中低温开裂）和控制掺量（建议≤10%），可以有针对性地改善沥青路面在特定温度区间的性能，而不损害其施工可行性。研究结果为开发智能调温沥青路面奠定了基础。

六、 研究亮点 1. 系统性对比： 首次在同一研究框架内，系统比较了低（6°C）、中（28°C）、高（37°C）三种不同调温范围MPCMs对两种常用PG等级沥青性能的影响。 2. 方法学创新： 强调了非稳态测试条件（温度扫描） 对于准确评估MPCMs调温效应的必要性，并成功应用复数模量/相位角变化率等参数揭示了相变过程中的流变行为突变，这是区别于以往多数研究的关键。 3. 高掺量研究： 将MPCM掺量研究扩展至20%，明确了高掺量下物理效应可能主导的规律，为工程应用中的掺量选择提供了重要边界。 4. 实用性验证： 通过简易的改性扩散渗出圈试验和常规粘度测试，验证了MPCMs在模拟施工高温下的封装完整性和改性沥青的施工可行性，增强了研究成果的工程转化潜力。 5. 机制阐释清晰： 清晰区分并阐述了MPCMs在沥青中作用的双重性：一是普遍存在的物理填充硬化效应，二是特定温度下发生的、依赖于相变方向的调温（软化或硬化）效应。

七、 其他有价值内容 研究在讨论部分提出了有价值的未来研究方向：1) 探索具有更宽调温范围的新型MPCMs或MPCMs组合，以覆盖更广的路面服务温度区间；2) 开发更多考虑MPCMs调温效应的实验室沥青性能评价方法；3) 将研究从沥青结合料层面延伸至沥青混合料层面，验证其在实际路面结构中的性能。这些方向对推动MPCMs在道路工程中的实际应用至关重要。