本研究《construction and building materials》期刊（2019年第194卷83–91页）收录的论文《Thermal and rheological performance of asphalt binders modified with expanded graphite/polyethylene glycol composite phase change material (EP-CPCM)》由Dong Zhang, Meizhu Chen（通讯作者）, Shaopeng Wu, Martin Riara, Jiuming Wan, Yuanyuan Li共同完成，他们均来自中国武汉理工大学的硅酸盐建筑材料国家重点实验室。该研究于2018年6月6日收稿，2018年11月8日在线发表，旨在探索相变材料（Phase Change Materials， PCMs）用于调节沥青路面温度以防治其热病害的潜力。

研究的学术背景植根于道路工程与材料科学交叉领域，核心问题是沥青路面的温度敏感性。沥青路面在极端温度下易出现车辙、疲劳损伤和开裂等“热病害”，不仅缩短路面使用寿命，也加剧城市热岛效应。传统的缓解方法如改进级配、使用聚合物改性沥青（如SBS改性沥青）、热反射涂层等虽有一定效果，但在极端温度条件下仍显不足。因此，发展一种主动的温度调控技术成为重要研究方向。相变材料（PCMs）因其高储能密度、可选择的控温范围和良好的循环耐久性，在建筑节能等领域已广泛应用。将PCMs引入沥青路面以实现温度调控已成为研究热点，但前期研究多集中于PCMs自身的制备与性能提升，而PCMs对沥青结合料（其对车辙等性能起关键作用）本身的热学与流变性能的影响尚不清楚。因此，本研究的主要目标是系统探究一种新型复合相变材料——膨胀石墨/聚乙二醇复合相变材料（Expanded Graphite/Polyethylene Glycol Composite Phase Change Material, EP-CPCM）——对两种常用沥青结合料（60/80号基质沥青和SBS改性沥青）热学与流变性能的影响。

研究的详细工作流程系统而严谨，主要包含材料准备、性能表征和数据分析三大阶段，具体可分为以下程序：

第一程序：材料选择与改性沥青制备。 研究选取了两种沥青结合料作为研究对象：60/80针入度基质沥青（标记为A0）和SBS改性沥青（标记为S0）。改性剂为课题组前期研制的EP-CPCM，其特点是热导率高、稳定性好，且多孔的膨胀石墨骨架能作为成核剂，降低PEG的过冷度，提升储热能力。为了模拟常规悬浮密实沥青混合料中填料与沥青的体积比（约0.4:1.0），研究设定了四种EP-CPCM与沥青的体积比：0.1:1.0, 0.2:1.0, 0.3:1.0 和 0.4:1.0（对应EP-CPCM体积分数分别为9.09%, 16.67%, 23.08%, 28.57%）。由此得到的改性基质沥青分别标记为A1, A2, A3, A4；改性SBS沥青分别标记为S1, S2, S3, S4。制备过程在130°C下进行，以600 rpm的恒定转速机械搅拌15分钟，以确保EP-CPCM均匀分散。

第二程序：热学性能表征。 此程序旨在全面评估改性沥青的热学行为，包含四个关键实验： 1. 相容性稳定性测试：由于EP-CPCM的相变温度接近沥青软化点，传统软化点差法可能不准确，本研究创新性地采用热导率差作为评价指标。将改性沥青样品在163°C下垂直静置48小时后，快速冷却，沿垂直方向分为上、中、下三段，测量顶部和底部的热导率。热导率差距（差值占中部热导率的百分比）用于量化EP-CPCM的离析程度，评估其与沥青的相容性。 2. 热传导性能测试：使用热常数分析仪（TPS 2500S）在25°C下测量改性沥青样品的热导率、热扩散系数和体积比热容。这些参数共同决定了沥青材料与环境的热交换速率和能力。 3. 热存储性能测试：使用差示扫描量热仪（DSC）以0.5°C/min的速率进行升温和降温扫描（0°C至70°C再返回0°C），测定改性沥青的相变焓（熔融焓和结晶焓）、相变温度范围及峰值温度。通过计算理论焓值与实测焓值的比率（效率），评估EP-CPCM在沥青中的有效储热能力。 4. 温度调节性能测试：通过嵌入铂电阻温度传感器，记录改性沥青样品在恒温65°C水浴中加热（从25°C开始）和在恒温25°C水浴中冷却（从65°C开始）过程的时间-温度曲线。分析曲线在相变温度区间的斜率变化，直观评估EP-CPCM对沥青升降温过程的缓冲（调温）效果。

第三程序：流变性能表征。 此程序旨在评估改性沥青在不同温度下的力学行为，对应路面服务的高温、中温和低温条件： 1. 高温抗车辙性能：使用动态剪切流变仪（DSR）在52°C至82°C温度范围内进行频率扫描（10 rad/s，应变0.5%），测量复数剪切模量（G*）、相位角（δ），并计算车辙因子（G*/sinδ）。G*/sinδ值越高，表明沥青结合料在高温下抵抗永久变形的能力（抗车辙性）越强。 2. 中温抗疲劳性能：使用DSR在16°C至40°C温度范围内进行频率扫描（10 rad/s，应变降低至0.05%），测量G*和δ，并计算疲劳因子（G*·sinδ）。在中等温度下，较低的G*·sinδ值通常意味着更好的抗疲劳开裂性能。 3. 低温抗开裂性能：使用弯曲梁流变仪（BBR）在-12°C和-18°C下进行蠕变试验，测量蠕变劲度（S）和蠕变速率（m值）。根据Superpave规范，良好的低温性能要求S值不大于300 MPa，m值不小于0.3。较低的S值和较高的m值表明沥青在低温下更具柔韧性，抗开裂能力更强。

数据工作流程遵循标准科研实践：每个实验均进行三次平行测试，取平均值作为结果。通过绘制图表（如热导率对比图、DSC曲线、时间-温度曲线、流变参数随温度/掺量变化曲线）直观展示数据趋势。结果分析部分将热学参数与流变参数分别进行系统阐述，并探讨其内在联系（如相变行为对流变性能的影响），最后进行综合讨论并得出整体结论。

研究的主要结果丰富且具有明确的逻辑递进关系：

在热学性能结果方面：首先，相容性测试表明，所有改性沥青样品顶部与底部的热导率差距均低于8%（基质沥青体系约7.02%-8.37%，SBS体系约6.66%-7.94%），证明EP-CPCM与两种沥青结合料均具有良好的相容性，且与SBS沥青的相容性略优于基质沥青，推测是由于SBS网络结构有助于固定EP-CPCM颗粒。其次，热传导性能显著提升。随着EP-CPCM掺量增加，两种沥青的热导率和热扩散率均大幅提高。当体积比达到0.4:1.0时，改性基质沥青（A4）和改性SBS沥青（S4）的热导率分别达到其基准样的约2倍；热扩散率更是分别提升了2.237倍和2.892倍。这表明EP-CPCM的加入极大地改善了沥青的热传递能力，有利于路面内部热量快速均衡。同时，改性沥青的体积比热容略有下降，意味着其温度敏感性可能稍有增加。第三，热存储性能得到证实。DSC测试显示，基准沥青A0和S0没有明显的相变峰。而所有EP-CPCM改性沥青在约40-50°C（熔融）和25-35°C（结晶，因过冷度而低于熔融温度）出现明显的吸热和放热峰。对于体积比为0.4:1.0的样品，改性基质沥青A4的熔融焓和结晶焓分别为13.77 J/g和10.22 J/g，而改性SBS沥青S4则达到14.63 J/g和13.59 J/g。SBS体系更高的焓值和效率（计算值）表明，EP-CPCM在SBS改性沥青中保存得更好，热存储性能更优。第四，温度调节效果明显。时间-温度曲线显示，在加热阶段的40-50°C区间，改性沥青的升温速率明显放缓，甚至出现平台（高掺量时），这是因为EP-CPCM熔融吸热缓冲了温升。然而，在冷却阶段，由于EP-CPCM的过冷现象（结晶发生在约35°C以下）以及改性沥青整体更高的热导率和更低的热容，其降温速率总体上比基准沥青更快，总冷却时间缩短。这表明EP-CPCM在升温过程中能有效延缓温升，但在降温过程中的缓冲作用受过冷现象影响。

在流变性能结果方面：首先，高温抗车辙性能得到改善。DSR测试表明，在52-82°C（高于EP-CPCM相变温度），EP-CPCM主要起填充作用。随着其掺量增加，改性沥青的G增大，δ减小，导致车辙因子G/sinδ显著升高。对于SBS改性沥青，其δ曲线的“平台区”（归因于聚苯乙烯嵌段的刚化作用）随EP-CPCM掺量增加而延长，进一步证实了高温弹性和抗车辙能力的提升。其次，中温抗疲劳性能受到影响。在16-40°C的中温区间，当温度高于EP-CPCM的起始熔融温度（约28°C）后，相变吸热效应开始影响流变行为。对于基质沥青，EP-CPCM的加入普遍提高了疲劳因子G*·sinδ，意味着抗疲劳性能可能受损。对于SBS沥青，G*·sinδ随EP-CPCM掺量呈先略降后快速升高的趋势，表明低掺量时可能略有改善，但高掺量时明显恶化。第三，低温抗开裂性能有所下降。BBR测试显示，在-12°C和-18°C下，随着EP-CPCM掺量增加，改性沥青的蠕变劲度S值增大，而蠕变速率m值减小。在-18°C时，所有改性样品的S值均超过300 MPa或m值低于0.3，不满足Superpave规范要求。这表明EP-CPCM作为刚性填料，增加了沥青在低温下的脆性，不利于抵抗低温开裂。

基于以上结果，研究得出了明确的结论：1) EP-CPCM与沥青结合料相容性良好。2) EP-CPCM显著提高了沥青的热传导性能（热导率、热扩散率），但略微降低了比热容。3) 改性沥青具有可观的热存储能力（相变焓），且SBS体系性能更优。4) EP-CPCM的相变能在升温过程（40-50°C）中延缓沥青温升，但其过冷现象削弱了在降温过程中的调温效果。5) 在高温下，EP-CPCM作为填料提高了沥青的抗车辙性能。6) 在中温下，EP-CPCM的加入损害了沥青的抗疲劳性能；在低温下，则增加了其低温开裂的风险。

本研究的科学价值在于首次系统、深入地揭示了EP-CPCM这类高性能复合相变材料对沥青结合料核心性能（热学与流变）的全面影响机制，填补了该领域的研究空白。它不仅证实了PCMs用于沥青路面温度调控的可行性（热学性能提升），也客观揭示了其可能带来的工程风险（中低温流变性能的负面影响），为后续研究提供了关键的数据支持和理论依据。其应用价值在于为开发“智能调温”沥青路面材料提供了具体的配方参考（如掺量选择）和性能预警，促使未来研究需在提升储热密度与保持/改善沥青力学性能之间寻求平衡。

本研究的亮点突出：第一，研究对象的特殊性：选用的EP-CPCM相比传统PCMs具有高导热和低过冷度的优势；同时对比研究了基质沥青和广泛应用的SBS改性沥青，结论更具工程指导意义。第二，研究方法的创新性：创造性地采用热导率差法评价PCM与沥青的相容性稳定性，避免了传统方法因温度重叠可能带来的误差。第三，研究内容的系统性：全面涵盖了从相容性、热传导、热存储、实际调温效果到高、中、低温全温度段的流变性能，形成了完整的研究链条。第四，研究发现的重要性：明确指出了PCMs在改善沥青热学性能的同时，对中低温力学性能存在潜在负面影响，这一辩证发现对领域发展至关重要，避免了盲目乐观。

此外，论文在最后指出了未来研究方向：需致力于提高PCMs的单位体积储热焓；可采用多应力蠕变恢复（MSCR）和线性振幅扫描（LAS）等更先进的流变试验全面表征性能；并需研究具有不同相变温度的PCMs对不同沥青的影响。这些建议为该领域的持续深入探索指明了路径。