该研究由来自绍兴大学元培学院建筑工程学院的孙彬祥（第一作者）和杨利军（通讯作者），以及绍兴大学土木工程学院的李鸣树和李德生（通讯作者之一为孙彬祥）合作完成。研究成果以标题“Mitigation of freeze-thaw damage to open-graded friction courses in seasonal climate areas via a binary phase change system”发表在国际期刊 Construction and Building Materials 第412卷（2024年），文章于2024年1月6日在线发布。
这项研究属于道路工程与材料科学交叉领域，具体关注季节性气候区沥青路面的耐久性提升技术。研究的背景在于，在季节性气候区域，开级配抗滑表层（Open-Graded Friction Course, OGFC）或透水沥青路面，面临着由降雨、降雪、温度快速变化、温差大以及冻融循环等复杂场景共同导致的严重性能劣化问题。OGFC虽然具有良好的排水、降噪和抗滑性能，但其高孔隙率也使其更容易受到水分侵入和温度应力的影响，尤其在冻融循环作用下，内部结构易因高温融化和低温冻胀效应而产生损伤，导致强度下降、开裂和使用寿命缩短。
为了解决这一问题，近年来学者们探索了利用相变材料（Phase Change Material, PCM）来主动调节路面温度。PCM能在特定温度范围内发生相变（如固-液相变），通过吸收或释放大量潜热来减缓路面温度的升降速率，从而理论上可以减轻高温车辙、低温开裂和冻融破坏。然而，现有研究多集中于使用单一PCM在特定温度范围（如仅针对夏季高温或仅针对冬季低温）进行调节。对于同时经历夏季高温和冬季低温的典型季节性气候区，单一PCM的调控能力有限。此外，直接将微胶囊相变材料（Microencapsulated PCM, MPCM）掺入高温拌和的沥青混合料中，存在胶囊壳破裂、材料损失以及部分MPCM水稳定性差等问题。因此，该研究旨在提出并验证一种“二元相变系统”新概念，即同时掺入两种具有不同相变温度范围的微胶囊相变材料，并对其进行水泥包覆改性以增强热稳定性和水稳定性，从而综合提升OGFC在冻融循环下的损伤抵抗能力和温度调节能力。
本研究的主要目标是实验研究在季节性气候区，利用二元相变系统（分别在高温度范围和低温度范围触发相变效应）来改善多孔沥青路面路用性能的可行性。具体目标包括：1) 制备由波特兰水泥包覆的两种复合微胶囊相变材料（CMPCM）；2) 通过室内试验，评估掺有不同含量和比例的CMPCM的OGFC混合料的温度调节能力；3) 通过冻融循环和单轴压缩试验，分析OGFC混合料的抗压强度、强度损失率和应变对冻融循环次数的依赖性，从而评估其抗冻融损伤性能；4) 探讨改善季节性气候区OGFC混合料使用寿命的技术方案。
详细工作流程如下： 研究首先进行了原材料准备和复合微胶囊相变材料（CMPCM）的制备。研究选用了两种商用MPCM：以石蜡为核心、SiO₂为外壳的P46（相变点约46°C）和以正十四烷为核心、SiO₂为外壳的P5（相变点约5°C）。为了解决MPCM在约200°C的沥青拌和温度下可能破裂，以及P5易溶于水的问题，研究创新性地采用波特兰水泥对MPCM进行二次包覆，制备出复合微胶囊相变材料CP46和CP5。制备过程包括：将水泥与MPCM按不同质量比（C/P）混合，再添加不同水灰比（W/C）的水，搅拌均匀后浇筑、养护、破碎、烘干、研磨筛分。通过热稳定性（200°C烘箱加热2小时后的质量损失率）和水稳定性（吸水率）测试，优化出了最佳配比：W/C = 0.5， C/P = 2.0。在此配比下，CP46和CP5的质量损失率分别降至7.6%和8.8%（远低于原始MPCM的约21%），P5的吸水率降至11.1%（远低于原始的40%），显著提升了材料的热稳定性和水稳定性。DSC测试表明，包覆后的CP46和CP5仍保有相当的相变焓值。
其次，研究进行了CMPCM-OGFC试件的制备。采用OGFC-13级配，设计孔隙率约为20%，最佳油石比为4.5%。为了减少CMPCM掺入对混合料体积参数和性能的影响，采用了等体积置换法，用CP46和/或CP5逐步替换矿粉（≤0.075 mm），若掺量超过矿粉含量，则继续替换0.075-0.15 mm的细集料。研究设计了多组变量：1) 单一材料掺量：CP46或CP5的掺量分别为0%（对照组）、1%、2%、3%、4%、5%；2) 二元材料掺量与比例：固定总掺量为3%，CP46与CP5的比例分别为4/0、3/1、2/2、1/3、0/4。制备了用于单轴压缩试验的马歇尔试件（Φ100×100 mm）、用于温度调节试验的车辙板试件（300×300×60 mm）等。
第三，研究通过一系列室内试验对试件性能进行系统评价，构成了核心的研究流程： * 加热试验（模拟夏季升温过程）：使用500W碘钨灯模拟太阳光辐射，照射置于恒温（30°C）环境箱中的车辙板试件。通过预埋在试件表面下20mm处的铂电阻温度传感器，监测试件在80分钟光照升温及后续自然冷却过程中的内部温度变化，评价掺CP46混合料的降温效果。 * 冰融化试验/冷却试验（模拟冬季降温过程）：在恒温（15°C）环境箱中，将预先制备好的薄冰层（约2-3mm厚）置于车辙板试件表面，然后将环境箱温度设定为恒定的-5°C，模拟降温过程。监测试件内部温度变化，并每隔15分钟称量冰层质量，记录冰融化质量随时间的变化曲线，评价掺CP5混合料的升温融冰效果。 * 冻融循环试验：对饱水后的马歇尔试件进行冻融循环处理。每个循环包括：-18°C冷冻12小时，然后60°C水浴12小时。共进行0、2、5、10、15、20次循环。 * 单轴压缩试验：在每次设定的冻融循环次数后，对马歇尔试件进行单轴压缩试验。测量最大荷载，并根据公式计算试件的抗压强度、强度损失率（以初始强度为基准）和破坏应变，以此作为评价冻融损伤程度的指标。
数据分析工作流程 主要是对上述试验采集的温度、质量、荷载、变形等原始数据进行处理，分别绘制了温度-时间曲线、最大温差曲线、融冰质量-时间曲线、以及抗压强度、强度损失率、应变随冻融循环次数变化的曲线。通过对比不同掺量、比例试件与对照组试件的性能曲线差异，进行定性和定量分析，揭示CMPCM的掺入对OGFC混合料温度调节能力和抗冻融损伤性能的影响规律。
主要结果如下： 1. 温度调节能力： * 夏季降温效果：掺CP46的OGFC混合料在加热阶段表现出明显的降温效果。随着CP46掺量增加，降温效果增强。掺量5%时，试件内部最高温度比对照组低约3.9°C。这是由于CP46在升温至约46°C时发生固-液相变，吸收大量潜热，减缓了升温速率。对于固定总掺量3%的CP46/CP5二元体系，降温效果随CP46比例增加而增强，CP46/CP5=4/0（即纯CP46）时降温效果最好，CP46/CP5=0/4（即纯CP5）时几乎没有降温效果。 * 冬季升温融冰效果：掺CP5的OGFC混合料在冷却阶段表现出显著的升温融冰效果。随着CP5掺量增加，试件内部温度比对照组更高，表面冰层融化质量更大。掺量5%时，内部温度比对照组高约6.0°C，冰融化量达1.011 kg/m²。这是由于CP5在降温至约5°C时发生液-固相变，释放潜热。对于固定总掺量3%的二元体系，升温融冰效果随CP5比例增加而增强。CP46/CP5=0/4时效果最好，内部温差达4°C，融冰量0.600 kg/m²。视觉对比也证实，CP5比例越高，表面冰层融化越明显。 * 二元协同效应：研究证实，同时掺入CP46和CP5，可以在一个冻融周期内分别于高、低两个温度区间触发相变效应，实现对温度波动幅度的双向抑制，从而综合提升OGFC混合料的温度调节能力。
研究的结论可详细归纳为以下几点： 1. 成功制备了水泥包覆的复合微胶囊相变材料CP46和CP5，显著提高了原始MPCM的热稳定性和水稳定性，为将其应用于热拌沥青混合料奠定了基础。 2. 单一掺入CP46或CP5的OGFC混合料，能分别在夏季升温和冬季降温过程中通过相变潜热效应产生显著的降温和升温效果，且效果随掺量增加而增强。 3. 创新的“二元相变系统”（同时掺入CP46和CP5）能够在一个年度温度周期或单个冻融循环内，于高、低两个温度区间分别触发相变效应，从而大幅提升OGFC混合料的综合温度调节能力。 4. 掺入CMPCM能够降低OGFC混合料在冻融过程中的升/降温速率，减轻因高温融化和低温冻胀效应造成的损伤。从兼顾路用性能和耐久性的技术角度，推荐CP46和CP5的最佳掺量范围为2%至3%。对于总掺量为3%的二元体系，推荐采用CP46与CP5比例为1:1（即2/2），此比例下混合料的抗冻融损伤性能改善最为显著。 5. 针对不同特点的季节性气候区，提出了改善OGFC使用寿命的技术建议：对于正、负温区面积相当的区域，推荐采用二元相变系统；对于以正温或负温为主的区域，则可选用相应相变温度的单一CMPCM。
本研究的科学价值与应用价值在于： 在科学上，首次系统提出并实验验证了“二元相变系统”用于沥青路面温度调节和抗冻融损伤的概念，揭示了两种不同相变温度材料协同作用的工作机理和优化配比，丰富了相变材料在道路工程中的应用理论。在应用上，为解决季节性气候区透水沥青路面易受冻融破坏这一工程难题提供了一种创新、可行的技术途径，所推荐的材料制备方法、掺量及比例具有明确的工程指导意义，有助于延长路面使用寿命，提升行车安全，并可能对缓解城市热岛效应和路面结冰有积极作用。
研究的亮点包括： 1. 研究理念新颖：突破了传统单一相变材料的局限性，创造性提出了适用于宽温域季节性气候的“二元相变系统”。 2. 材料改性方法有效：采用波特兰水泥包覆MPCM，巧妙解决了其高温易损、水稳性差的关键技术瓶颈，方法简单实用。 3. 实验设计系统全面：研究涵盖了从材料制备、性能优化到混合料温度调节、融冰、抗冻融损伤的全链条性能评价，变量设计（掺量、比例、冻融次数）合理，数据支撑充分。 4. 结论明确且具有指导性：不仅验证了二元系统的有效性，还通过大量实验数据明确了最佳掺量和比例范围，为工程应用提供了直接参考。 5. 对损伤机理的深入分析：通过对比CP46和CP5在抗冻融性能上的差异，得出了“抑制低温冻胀比抑制高温融化对减轻冻融损伤更有效”这一有价值的发现，深化了对冻融损伤过程的认识。