本研究由Chang’an University公路工程教育部重点实验室的Feng Ma、Jiasheng Dai、Yanzhe Zou、Zhen Fu、Pengkai Yang、Yingjie Hou、Xinye Jiang、Siqi Li以及Missouri University of Science and Technology的Jenny Liu等人完成，发表于Construction and Building Materials期刊2025年第458卷，文章编号139719，于2024年12月27日在线发表。研究聚焦于低温柔性相变微胶囊（microencapsulated phase change materials，MPCMs）的制备及其对沥青结合料性能的影响，属于道路工程材料与热能存储交叉领域。沥青路面在低温环境下易变硬变脆，导致开裂和结冰问题，传统除冰方法存在劳动密集、成本高且反应滞后等不足。相变材料（phase change materials，PCMs）能够在相变过程中吸收或释放潜热，具有自主调温潜力，但PCM与沥青直接接触会损害沥青的流变性能和储存稳定性，因此采用微胶囊化技术将PCM封装于壁材中成为可行策略。本研究旨在制备三种二元低共熔相变微胶囊，系统评价其热物性、热稳定性、微观形貌和力学性能，并优选性能最佳的微胶囊以不同掺量加入基质沥青，评估改性沥青的热性能、调温能力和流变特性，为相变微胶囊在道路工程中的主动调温应用提供依据。

研究流程可分为三个主要阶段：MPCMs的制备与表征、MPCM改性沥青的制备与性能测试、以及基于Burgers模型的蠕变特性分析。在第一阶段，以十四烷（tetradecane）分别与月桂酸（lauric acid）、癸酸（decanoic acid）和肉豆蔻酸（myristic acid）通过Schroeder公式计算低共熔质量比，制备三种二元复合芯材，分别命名为1#、2#和3#。芯材制备过程中加入去离子水和十二烷基硫酸钠（SDS），在60℃水浴中搅拌乳化。壁材采用三聚氰胺-脲-甲醛（melamine-urea-formaldehyde，MUF）树脂，通过原位聚合法制备微胶囊。具体步骤包括：首先将三聚氰胺、尿素和甲醛在碱性条件下于70℃反应1小时形成MUF预聚体；然后将预聚体逐滴加入液态复合芯材溶液中，以氯化铵为催化剂，在pH 3.0和80℃条件下反应2小时完成缩聚固化；最后经过滤、无水乙醇洗涤和60℃真空干燥得到MPCMs。对所得微胶囊采用差示扫描量热法（differential scanning calorimetry，DSC）在-20℃至30℃范围内以5℃/min升降温速率测试相变温度和焓值；采用热重分析（thermogravimetric analysis，TGA）在0℃至500℃、氮气气氛下评价热稳定性；采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析化学组成；采用光学超景深显微镜和扫描电子显微镜观察微观形貌；通过高速剪切（3000 r/min，15 min）后的焓值变化计算破碎率（damage rate，DR），通过在140℃烘箱中加热5小时后的质量变化计算泄漏率（leakage rate，LR），以评价力学性能和抗渗性能。第二阶段中，根据MPCMs表征结果优选1# MPCM，以0%、3%、5%、7%和9%的质量掺量加入70#基质沥青，在140℃和1500 r/min条件下高速剪切15分钟制备改性沥青。对改性沥青进行DSC测试（-20℃至20℃），按照JTG E20-2011规范测试针入度、软化点和5℃延度，采用动态剪切流变仪（dynamic shear rheometer，DSR）进行频率扫描（30℃至70℃，0.1 rad/s至100 rad/s）和温度扫描（34℃至76℃，10 rad/s，1.25%应变），采用弯曲梁流变仪（bending beam rheometer，BBR）在-12℃、-18℃和-24℃下测试低温蠕变劲度S和蠕变速率m。第三阶段通过将温度传感器埋入沥青试样，在-10℃环境箱中记录降温过程中的内部温度变化，评价调温能力。此外，基于Burgers模型拟合BBR蠕变数据，获得延迟弹性参数E₁、瞬时弹性参数E₂、延迟黏性参数η₁和黏性流动参数η₂，并计算综合蠕变柔量J(t)。

研究结果显示，三种MPCMs均呈球形结构，粒径主要分布在20 μm至250 μm之间，壁材与芯材通过物理方式结合，红外光谱未发现新化学键生成。DSC测试表明1# MPCM的结晶焓最高，为88.428 J/g，结晶温度范围为-8.26℃至1.76℃，峰值温度为-1.55℃；2#和3# MPCM的结晶焓分别为71.354 J/g和73.611 J/g。封装后相变温度范围变化较小，但焓值因壁材占比增加而有所降低。TGA结果显示在180℃时1# MPCM残余质量分数为86.99%，显著高于2#和3#的74.46%和81.41%，表现出优异的热稳定性。力学测试中1# MPCM的破碎率为8.10%，低于2#的13.06%和3#的9.69%，泄漏率为2.56%，也低于其他两种微胶囊，说明其壁材强度最佳。在改性沥青热性能方面，DSC曲线显示MPCM改性沥青在降温过程中出现明显放热峰，相变温度范围为-8.35℃至7.15℃，且随微胶囊掺量从3%增加到9%，结晶焓从25.32 J/g升至35.74 J/g。调温试验表明，在降温20分钟左右，1-9%掺量的改性沥青与基质沥青温差最大，达到5.9℃；基质沥青降温至-1.8℃需18.2分钟，而1-9%改性沥青所需时间延长7.6分钟。物理性能方面，随微胶囊掺量增加，针入度从67（0.1 mm）逐渐上升，软化点从47.6℃降至41.5℃，5℃延度从5.4 cm显著增至21.9 cm，表明低温延展性大幅改善但高温稳定性有所下降。BBR测试结果显示随MPCM掺量增加，蠕变劲度S逐渐降低，蠕变速率m逐渐升高，低温抗裂性能明显提升。Burgers模型拟合结果表明，1-9%改性沥青的η₁值在-12℃和-18℃下分别较基质沥青降低65.9%和75%，综合蠕变柔量J(t)随掺量增加而增大，进一步证实了低温柔性改善。DSR频率扫描的主曲线显示，在低温高频区，高掺量改性沥青的主曲线更平坦，表明温度敏感性降低；在低频区，MPCM改性沥青的复数模量G*高于基质沥青。然而温度扫描结果显示，随温度升高和掺量增加，G和车辙因子G/sinδ均逐渐下降，表明高温抗车辙性能有所损失。这种主曲线与温度扫描结果之间的矛盾被归因于主曲线试验未真实反映微胶囊相变后的液体泄漏效应。粘度-温度敏感性指数（viscosity-temperature susceptibility，VTS）的绝对值随微胶囊掺量增加而降低，1-3%改性沥青的VTS较基质沥青下降5.4%，从3%到9%掺量时VTS进一步降低2.4%，说明温度敏感性有所改善。

研究结论指出，三种MPCMs均具有良好的球形结构和化学稳定性，其中1# MPCM具有最高的焓值、最佳的热稳定性和力学性能，最适合用于沥青改性。MPCM改性沥青表现出显著的降温热滞后效应，最大温差可达5.9℃，1-9%掺量可延缓降温至-1.8℃达7.6分钟。低温性能方面，MPCM的加入显著提高了沥青的低温抗裂性，BBR测试和Burgers模型分析均证实了这一点。尽管相变后芯材泄漏导致高温刚度有所降低，但VTS的降低表明微胶囊能有效改善沥青的温度适应性。该研究的科学价值在于系统比较了不同二元低共熔相变微胶囊的性能差异，并通过多尺度实验揭示了微胶囊掺量对沥青热性能和流变性能的影响规律。应用价值在于为寒冷地区沥青路面的低温开裂和结冰问题提供了一种基于相变储能的被动调温策略。研究的亮点包括：采用十四烷与三种不同脂肪酸构建二元低共熔体系，实现了接近0℃的相变温度；通过MUF树脂原位聚合封装获得高焓值和高机械强度的微胶囊；将宏观调温试验与微观热分析、流变学表征相结合，全面评价了改性沥青的性能。此外，文章还指出了未来研究方向，包括综合评价MPCM改性沥青的短期老化特性，以及在保持功能性的前提下进一步提升低温MPCMs的热稳定性，以满足沥青混合料生产和施工中的高温要求。