作者及发表信息
本研究由Yu-xiang Tian（长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室及密歇根理工大学土木与环境工程系）、Biao Ma（通讯作者，长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室）、Feng-wei Liu（山东省交通规划设计院）、Ning Li（长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室）及Xue-yan Zhou（西安邮电大学现代邮政学院）共同完成。该研究成果于2019年6月14日在线发表于国际学术期刊 Construction and Building Materials 第221卷，页码为139至150。
研究背景与目的
沥青路面作为一种典型的粘弹性材料，具有极强的温度敏感性。在高温环境下易产生车辙（rutting），在低温环境下则易发生开裂，这些病害直接影响了路面的服务水平和疲劳寿命。为增强沥青路面对环境温度变化的自我调节能力，特别是应对快速温度变化条件，将相变材料（Phase Change Material, PCM）作为一种储能材料应用于沥青混合料中是一个有效的方法。它利用其相变潜热效应，在温度升高时吸收并储存热量以减缓路面升温，在温度下降时释放热量以延缓路面降温。然而，在沥青高温拌合过程中，相变材料易发生泄漏，导致潜热效应的严重损失。为解决此问题，研究者采用了微胶囊化技术（microencapsulation technology）对其进行封装保护。尽管前人在此领域已取得诸多成果，但相变材料在公路工程中的实际应用仍处于初级阶段，尤其缺乏有效表征其潜热效应的评价指标，且对外部环境下潜热的时间和温度控制域分析相对较少。
基于此，本研究的核心目标有三：（i）研发带有温度传感器的沥青混合料室外立方体试件（outdoor cubic specimen），以实现对温度场的实时监测；（ii）建立评价指标以分析微胶囊相变材料（micro-PCM）的热调节效应；（iii）在升温和降温过程中，比较不同时间和温度域下微胶囊相变材料的潜热效应。
研究详细工作流程
整个研究流程主要分为材料制备与表征、试验系统搭建与监测、评价指标构建及数据分析四个关键步骤。
1. 材料制备与表征 研究对象为一种自主研发的5℃序列微胶囊相变材料（micro-PCM）和由其制备的AC-13沥青混合料。 * 微胶囊相变材料（micro-PCM）: 该材料由定型相变材料（shape-stabilized PCM）和膜有机溶液（membrane organic solution）组成。定型相变材料是自调节单元，由相变材料和纳米二氧化硅载体构成，后者能保持材料的非流动性和可加工性。膜有机溶液是保护密封单元，由乙基纤维素膜材料和乙醇制成，具有结构稳定、耐高温和耐腐蚀的特性。成品为白色粉末，平均粒径1-2毫米。通过德国耐驰公司的差示扫描量热仪（Differential Scanning Calorimetry, DSC）测试其热物性，结果显示：升温过程中，相变温度区间为4.54℃至26.64℃，峰值在11.61℃，相变焓为80.24 J/g；降温过程中，相变温度区间为2.16℃至-31.65℃，峰值在-4.83℃，相变焓为80.31 J/g。 * 沥青混合料: 采用AC-13级配的SBS改性沥青混合料，用于路面上面层。通过马歇尔试验及路用性能试验，确定了基准沥青混合料的最佳沥青用量为4.7%；添加微胶囊相变材料的混合料，其微胶囊相变材料掺量为混合料质量的0.3%，最佳沥青用量为4.5%。
2. 试验系统搭建与监测 为研究复杂外部环境下的温度场分布，研究团队首创性地设计并制备了沥青混合料室外立方体试件，并构建了实时温度监测系统。 * 试件制备: 采用轮碾法成型300 mm × 300 mm × 100 mm的车辙板，然后将三块板自下而上堆叠，并用沥青砂浆粘结层间缝隙，制成300 mm × 300 mm × 300 mm的立方体试件。同时，制备了不含微胶囊相变材料的基准试件作为对照。试件由金属支架支撑，使其底部离地，以确保各面具有相似的空气流通条件。 * 传感器布置: 在试件内部布设了足够数量的PT100温度传感器（精度0.1℃，测量不确定度±0.3℃），以涵盖各关键位置。传感器布置分为三部分：第一部分沿中心轴深度方向，在距顶面100 mm、150 mm、200 mm处分设测点M1、M2、M3，以记录竖直方向的温度变化；第二部分在深度100 mm处纵向水平布置5个测点（如PUL1， M1， PUL4等）；第三部分在深度200 mm处横向水平布置5个测点（如PDT1, M3, PDT4等）。此布局可全面监测试件不同位置在日照和非日照面的温度差异。
3. 评价指标构建 为量化评价微胶囊相变材料的潜热效应，本研究提出并定义了两个创新性的核心指标： * 潜热累积温度值（Latent Heat Accumulated Temperature Value, LHATV）: 基于有无微胶囊相变材料的试件在相变时段内温度-时间曲线与时间轴围成面积的差值（ΔS）而建立。它是一个衡量潜热过程中温度和时间累积效应的综合指标，直接表征了微胶囊相变材料的潜热性能强弱。 * 潜热热调节指数（Latent Heat Thermoregulation Index, LHTI）: 定义为ΔS除以潜热持续时间（Δt）与潜热温度变化范围（ΔT）的乘积。该指数表征了在单位时间和单位温度变化内，潜热过程的完成程度，即潜热效率。 此外，研究还明确了“潜热时间域”（latent heat time domain, Δt）和“潜热温度域”（latent heat temperature domain, ΔT）的概念，用以界定潜热过程分析的时间和温度边界。
4. 数据分析流程 研究分别在升温与降温过程中，控制“相同时间域”和“相同温度域”两种工况进行对比分析。具体而言，在升温过程中，选取日照条件下的PUL1、M1等上层测点以及PDT1、M3等下层的代表性测点，分析其在0-120分钟同一时间域内，以及温度升高5℃的同一温度域内的温度变化和评价指标差异。降温过程则选取夜间数据，分析在0-300分钟同一时间域内，以及温度降低3℃的同一温度域内的变化规律。
主要研究结果与分析
研究通过对不同工况下温度数据和评价指标的细致分析，揭示了微胶囊相变材料热调节效应的关键影响因素和作用规律。
1. 升温过程的热调节效应 * 相同时间域下的表现: 随着最高环境温度的升高，各测点的潜热温度域（temperature domain）和升温速率均逐渐增大。日照侧（如前侧、右侧）和顶层测点的温度域和升温速率显著高于内部和背阴处测点。潜热累积温度值（LHATV）随最高环境温度的升高而增大，且从试件外部向内部递减，表明日照侧的潜热积累效应更显著。然而，潜热热调节指数（LHTI）却随最高环境温度的升高而减小。这说明更强的太阳辐射导致了过快升温，微胶囊相变材料对传热过程产生了滞后响应，潜热效应未能完全发挥，效率反而降低。在相同升温速率下，内部测点因升温缓慢、热量不足，其LHTI值也明显偏小。 * 相同温度域下的表现: 当控制相同的5℃温升幅度时，环境温度越高，则完成该温升所需的潜热时间域（time domain）越短。相应地，潜热累计温度值（LHATV）也随之减小。潜热热调节指数（LHTI）随最高环境温度和升温速率的增加而略有下降。这表明，过快的升温速度导致相变过程不充分，热调节效率低下。
2. 降温过程的热调节效应 * 相同时间域下的表现: 随着最低环境温度的降低，各测点的降温温度域和降温速率均逐渐增大。受空气对流和气流扰动影响，无遮挡的前部位置热量散失最快，降温速率最大。潜热累积温度值（LHATV）和潜热热调节指数（LHTI）均随最低环境温度的降低而下降，且呈现出“外部前侧 > 外部侧边 > 内部”的分布规律。外部点因较早进入潜热过程，效率高于内部点；内部点因降温滞后，当它开始相变时，环境温度已趋于稳定，导致潜热效率低下。降温速率越快，LHTI值也越低。 * 相同温度域下的表现: 在相同的3℃降温幅度下，环境温度越低，所需的降温时间域越短。由于其受空气对流干扰小，降温速率缓和，相变过程得以逐步激活，导致潜热累积温度值（LHATV）和潜热热调节指数（LHTI）呈现出“外部侧边 > 外部前侧 > 内部”的分布规律。然而，总体而言，过快的降温速率仍会导致相变响应滞后，热调节性能降低。
综合来看，无论是在升温还是降温过程中，过快的温度变化速率都会阻碍热量的完全潜热转化，导致微胶囊相变材料的热调节效率低下。
结论与价值
本研究通过创新性的试验设计和评价方法，系统分析了微胶囊相变材料在沥青混合料中的热调节效应，得出了以下重要结论： 1. 环境影响机制: 太阳辐射强度和气流条件是影响微胶囊相变材料潜热效应的关键外部因素。在升温过程中，太阳辐射主导热量吸收；在降温过程中，气流条件则显著影响热量释放。 2. 空间效应与滞后性: 试件内部不同位置的传热过程响应存在差异，导致潜热效率在空间上分布不均。当环境温度变化过快时，试件内部的相变响应会相对滞后，潜热过程受阻，热量无法有效转化。 3. 最佳效能条件: 微胶囊相变材料的热调节效率在适宜的温度变化条件下能维持在较高水平，即需要一个适中的温度范围（medium temperature range）和时间跨度（time span）来充分发挥其有效的潜热调节功能。
本研究的重要科学价值在于，首次提出了LHATV和LHTI两个量化指标，为评价相变材料的热调节效果提供了新工具和新思路，填补了该领域评价体系的空白。其应用价值在于，为道路工程中热调节材料的应用提供了明确的材料与结构设计指导，即未来工程应用需考虑气候条件（太阳辐射、气温变化速率）和路面结构位置，以最大化相变材料的调温效益，这对于提升沥青路面抵抗极端温度和延长使用寿命具有重要的实践意义。
研究亮点
本研究的亮点主要体现在三个方面：其一，独特的研究对象，采用自研的微胶囊化相变材料，有效解决了高温泄漏这一关键瓶颈；其二，创新的试验方法，开发了集成分布式温度传感器的室外立方体试件，实现了对三维空间温度场的实时、精细化监测，较传统的单点或一维监测有显著进步；其三，新颖的评价体系，建立了LHATV和LHTI两个核心评价指标，将潜热效应从定性描述提升到量化表征，并科学地阐明了“时间域”和“温度域”对调控效能的关键影响，为后续研究和工程应用奠定了重要的方法论基础。