本研究由长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室的戴嘉升、马峰（通讯作者）、付震、李晨、贾蒙、史珂、文亚璐和王文通，以及长安大学材料科学与工程学院的付震、史珂共同完成。研究论文《Applicability assessment of stearic acid/palmitic acid binary eutectic phase change material in cooling pavement》发表于期刊 Renewable Energy 的第175卷（2021年），页码为748-759，在线发表日期为2021年5月13日。
该研究隶属于道路工程与材料科学交叉领域，具体聚焦于利用相变材料（Phase Change Materials, PCM）实现沥青路面主动降温的技术。其学术背景源于全球范围内广泛使用的沥青路面所面临的高温挑战。沥青是一种对温度敏感的材料，环境温度变化会影响路面性能和使用寿命。黑色的沥青路面表面倾向于吸收更多的太阳辐射，导致热量积聚，路面温度持续升高。这种现象易引发车辙、泛油和老化等高温病害，不仅影响道路正常使用、增加养护成本，还会加剧城市热岛效应。传统的缓解方法（如改性沥青、添加纤维、优化级配）多属于“被动”接受高温，未能显著减轻高温损害。因此，研究一种能够“主动”调节温度、降低温度峰值的“冷却路面”技术具有重要意义。相变材料作为一种热能储存单元，能在相变过程中通过吸收或释放潜热来调节温度，已在建筑、纺织等领域得到应用。将其引入沥青混合料，可以防止路面吸收或散失过多热量，实现主动降温。对于冷却路面应用，理想的PCM需要具备合适的相变温度（通常在30-60°C之间）、高导热率、高相变潜热和良好的稳定性。有机PCM因其低腐蚀性、低毒性、经济性好等优点成为研究焦点，但其普遍存在导热系数低和过冷问题。共晶相变材料的引入旨在解决这些问题。共晶体系由两种或多种有机酸混合而成，有助于实现特定应用所需的热性能。然而，关于有机共晶PCM在道路工程中适用性的研究成果尚少。此外，将PCM引入路面构筑时，其与沥青的直接相互作用及对沥青流变行为的影响也亟待研究。基于此，本研究旨在评估硬脂酸/棕榈酸二元共晶相变材料在沥青结合料中应用的潜在适用性，具体目标包括：确定SA/PA-PCM的最佳配比；研究SA/PA-PCM及其改性沥青的结构与热特性；分析改性沥青在中高温下的流变行为，为开发高效的冷却沥青路面提供参考。
研究的详细工作流程清晰严谨，主要包含以下七个核心步骤，其逻辑链条环环相扣。首先，研究团队确定了共晶点。他们利用Schröder方程进行理论计算，以硬脂酸和棕榈酸的熔点、熔化焓等热物理性质为参数，计算得出SA/PA-PCM的最低共晶点温度为53.25°C，对应的摩尔分数比为SA:PA = 0.36:0.64，质量分数比为SA:PA = 0.39:0.61。这一步骤为后续材料的制备提供了精确的理论配方依据。其次，制备SA/PA-PCM及改性沥青。按照计算的质量比称量SA和PA，在70°C下熔融并磁力搅拌2小时以确保混合均匀，然后缓慢冷却至25°C得到SA/PA-PCM。随后，采用常规熔融共混法，在140°C下将不同掺量（5%、10%、15%、20%）的SA/PA-PCM加入90#基质沥青中，并以5000 rpm的转速高速剪切45分钟，制得系列改性沥青样品。整个研究流程如图1所示，且为确保实验可靠性，每个测试至少进行两次重复。
接下来是系统的表征与测试环节，此部分构成了研究的核心数据来源。在微观结构表征方面，研究运用了多种先进技术。傅里叶变换红外光谱用于分析SA、PA、SA/PA-PCM以及五种改性沥青的化学结构，扫描范围400-4000 cm⁻¹，旨在检测制备过程中是否发生化学反应。偏光显微镜用于在25°C至80°C温度下观察SA、PA和SA/PA-PCM的晶体形貌和相变过程。X射线衍射用于对样品进行化学表征，扫描角度2θ为5°至50°，并根据Scherrer方程、位错密度公式、微应变公式和结晶度计算公式，从XRD数据中定量计算出晶粒尺寸、位错密度、微应变和结晶度，以深入评估材料的晶体结构特性。
在热性能表征方面，研究采用差示扫描量热仪在氮气氛围下以10°C/min的速率进行测试（加热/冷却范围10-70°C），以获取样品的熔化/结晶峰值温度、起始温度、终止温度以及相变潜热（熔化焓和结晶焓）。同时，采用热重分析仪在氮气氛围下以10°C/min的速率从30°C加热至600°C，以评估样品的热稳定性（分解温度）。对于改性沥青的相变潜热，研究还通过公式计算了其理论值，用于与实际测量值对比。
在流变行为表征方面，研究利用动态剪切流变仪对五种沥青结合料进行了频率扫描和温度扫描测试。频率扫描在20°C、30°C和40°C三个温度下进行，频率范围为0.1-100 rad/s，固定应变为1.25%，以获取复数模量、相位角等随频率变化的流变特性。温度扫描则在22°C至76°C范围内进行（间隔6°C），固定频率为10 rad/s，固定应变为1.25%，以研究复数模量、相位角以及车辙因子随温度的变化规律，评估材料的高温性能。
本研究的主要结果丰富且具有明确的指向性，各步骤结果相互印证，共同支撑研究结论。在微观表征结果中，FT-IR光谱显示，SA/PA-PCM的特征峰位置与SA和PA相似，表明其在共晶混合过程中未发生化学反应，仅为物理混合。改性沥青的谱图是基质沥青与SA/PA-PCM谱图的叠加，且随着SA/PA-PCM掺量增加，脂肪酸特征峰强度逐渐增强，进一步证实了二元共晶酸与沥青之间主要是物理共混，无化学反应发生。XRD结果显示，SA/PA-PCM的衍射峰位置与单酸相似，但部分峰消失，晶体结构发生变化。计算表明，SA/PA-PCM的晶粒尺寸比SA和PA显著减小（约57%），而位错密度和微应变则大幅增加（分别约432%和140%），结晶度也更高，这表明SA/PA-PCM具有更稳定、更致密的晶体结构，对应着更高的相变潜热。对于改性沥青，XRD图谱在21.3°处出现衍射峰且强度随掺量增加而增强，表明SA/PA-PCM在沥青中保持了晶体结构，但基质沥青对其结晶有抑制作用，当掺量超过10%后，结晶度提升速度放缓。POM图像直观地显示，SA/PA-PCM的晶体尺寸更小、排列更规则、结构更致密，且相变过程（晶体熔化和再生）是可逆的，这为其在路面中的循环应用提供了基础。
在热性能结果方面，DSC测试表明，SA/PA-PCM的熔化和结晶峰值温度（50.0°C和59.6°C）低于SA和PA，更适用于冷却路面。其熔化焓和结晶焓分别为226.9 J/g和223.6 J/g，均高于SA和PA，这与XRD揭示的更好晶体结构相符。对于改性沥青，随着SA/PA-PCM掺量增加，相变温度峰点逐渐升高（熔化温度24.7-34.4°C，结晶温度47.0-51.0°C），但实测相变潜热均低于理论计算值，证实了基质沥青对SA/PA-PCM的相变过程存在抑制作用。TG分析显示，SA/PA-PCM的分解温度（约200°C）高于SA和PA，具有更好的热稳定性。虽然掺入SA/PA-PCM会略微降低沥青结合料的热稳定性，但其分解温度仍高于传统热拌沥青混合料的施工温度（约180°C），因此不影响施工适用性。
在流变行为结果方面，频率扫描表明，在20°C（低于相变温度）和低频率区域，SA/PA-PCM改性沥青的相位角低于基质沥青，复数模量和车辙因子更高，说明结晶态的SA/PA-PCM能抑制沥青变形，提高抗车辙能力。但在40°C（高于相变温度）或高频率区域，改性沥青的复数模量显著降低，流变性能变差。温度扫描进一步揭示了相变温度附近的关键现象：在达到相变温度前，改性沥青积累热量，剪切模量增加，相位角减小，抗车辙能力增强；但当温度超过相变温度（约30-40°C）后，液化的SA/PA-PCM对结合料产生负面影响，导致复数模量和车辙因子下降，高温性能退化。特别值得注意的是，10%、15%和20%掺量改性沥青的相位角在相变温度附近发生突变，这与DSC测得的相变温度区间吻合，直观反映了相变过程对材料粘弹性的显著影响。
基于上述实验结果，本研究得出了明确而具体的结论。第一，在SA/PA-PCM的制备过程中仅发生物理过程，无化学反应。其晶粒尺寸更小、洁净度、微应力和位错密度更高，晶体结构更好，因而具有更高的相变焓。第二，SA/PA-PCM在沥青中主要为物理共混，但沥青基质对其结晶有抑制作用，且掺量越高，抑制作用越明显。第三，与单酸相比，SA/PA-PCM具有更合适的相变温度、更高的相变焓和更好的热稳定性，证实其适用于沥青结合料。尽管其添加对沥青的热稳定性有轻微不利影响，但不影响施工。第四，在相变温度以下（或低加载频率下），SA/PA-PCM改性沥青具有更低的相位角和更高的复数模量与车辙因子，抗变形能力增强；但当温度超过相变温度后，PCM液化会削弱沥青的高温性能，降低抗车辙能力。在20°C下，仅10%和20%掺量的改性沥青其抗车辙性能优于基质沥青。此外，相位角在相变温度附近发生突变是一个重要现象。总结而言，SA/PA-PCM具有优异的相变特性和良好的冷却沥青路面适用性。然而，其相变液化后会劣化沥青的流变性能。因此，鉴于液化后PCM可能泄漏以及对沥青混合料拌和过程的重要性，有必要提出有效的保护方法（如微封装、多孔载体负载）来应用SA/PA-PCM。此外，还需从多角度综合评估其温度调节效果。
本研究的亮点突出。在研究发现上，首次系统评估了SA/PA二元共晶PCM用于沥青路面降温的可行性，并明确了其“双刃剑”效应：相变前增强沥青高温性能，相变后则劣化之。同时，发现了沥青基质对PCM结晶和相变潜热的抑制作用，以及相位角在相变温度附近的突变现象，这些对实际应用具有重要指导意义。在研究方法和流程上，采用了从理论计算（Schröder方程确定共晶点）到材料制备，再到多层次表征（微观、结晶、热学、流变）的完整闭环研究范式，逻辑严密。综合运用FT-IR、XRD、POM、DSC、TG、DSR等多种先进表征手段，从化学结构、晶体形态、热性能到流变行为进行了全面、深入的分析，数据相互支撑，结论可靠。特别是将XRD数据定量化为晶粒尺寸、位错密度等晶体学参数，并与热性能相关联，深化了对“结构-性能”关系的理解。
其他有价值的内容包括研究团队对该领域前沿的把握，如综述了PCM在路面中的应用方式（直接掺入、真空吸附、轻骨料包裹、微胶囊化等）及各自的优缺点，为本研究采用直接共混法提供了背景和对比。同时，也坦诚指出了当前技术的局限性（如微胶囊的泄漏问题），并基于本研究结果，明确提出了未来需要发展封装技术的方向，体现了研究的客观性和前瞻性。研究得到了中国国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助，且作者声明无利益冲突，保证了研究的独立性。文末提供了详尽的参考文献，为读者进一步深入探索该领域提供了便利。