本研究由Zhipeng Fu、Yingjie Hou、Feng Ma、Zhen Fu等人完成，主要作者分别来自中交第一公路勘察设计研究院有限公司、极端环境绿色长寿道路工程全国重点实验室以及长安大学公路学院和材料科学与工程学院。该论文发表于Case Studies in Construction Materials期刊2024年第20卷，文章编号e03201，于2024年4月22日在线发表，随后于2024年5月6日发表了一则更正声明，修正了作者单位的标点与机构名称问题。

本研究的学术背景属于道路建筑材料领域，具体聚焦于沥青结合料的流变性能调控。冬季道路除雪通常是在降雪之后才开始，这会显著增加行车危险并阻碍车道通行。为了解决这一问题，研究人员尝试将相变材料（Phase Change Materials, PCMs）应用于沥青路面。相变材料能够根据环境温度与其相变温度之间的相对关系，通过相变过程吸收或释放热量，从而使沥青路面在温度低于相变温度时能够主动加热路面。传统的石蜡、聚乙二醇、十四烷和脂肪酸等相变材料相变温度固定，难以精确匹配具体应用地区的气候条件。为此，共晶相变材料（Eutectic Phase Change Materials, EPCMS）被提出，它由两种或多种有机组分以共晶比例混合而成，相变温度可以通过施罗德方程计算，便于设计出具有目标相变温度的材料。然而，相变材料在沥青中直接接触时，液态相变材料会影响沥青的路用性能，因此通常将相变材料微胶囊化后使用，形成微胶囊相变材料（Microencapsulated Phase Change Materials, MPCMs）。已有研究表明，不同组成和壳层材料的微胶囊对沥青流变性能的影响存在差异，因此系统评估低温微胶囊共晶相变材料（Microencapsulated Eutectic Phase Change Materials, MEPCMs）对基质沥青和SBS改性沥青流变性能的影响具有重要的工程意义。本研究旨在通过动态剪切流变仪（Dynamic Shear Rheometer, DSR）和弯曲梁流变仪（Bending Beam Rheometer, BBR）全面评价MEPCMs对沥青高温抗车辙性能、相结构均匀性、黏温敏感性、蠕变恢复能力以及低温流变性能的影响。

研究流程主要包括四个部分。首先，原材料准备与样品制备。研究采用山东道路材料有限公司提供的基质沥青（60/80级）和商用SBS改性沥青，按照中国标准JTG E20—2011测试了其基本指标。所用MEPCMs由课题组在实验室中制备，其芯材为十四烷与辛酸的共晶物，壳材由三聚氰胺、尿素和甲醛构成，并用二氧化钛和聚乙烯醇进行力学增强。MEPCMs的熔融温度为2.16°C，熔融焓为120.62 J/g，结晶温度为-4.09°C，结晶焓为140.61 J/g。将基质沥青和SBS沥青在150°C烘箱中加热至流动状态，然后分别加入质量分数为4%、7%、10%和13%的MEPCMs，在135°C下使用上海Fluke高速剪切机以1000 rpm的转速剪切10分钟，制得改性沥青。样品编号分别为B0、B4、B7、B10、B13以及S0、S4、S7、S10、S13。

其次，进行了温度扫描试验。采用DSR对沥青进行流变特性分析，首先通过应变振幅扫描确定线性弹性范围，选定应变振幅为1.25%，振荡剪切频率为10 rad/s。按照AASHTO T315-20标准，沥青样品置于直径25 mm、间隙1 mm的平行板之间。温度扫描范围为34°C至70°C，温度增量为6°C，以观察相变过程对沥青性能的影响。再次，进行了频率扫描试验。在30°C至70°C范围内以10°C为间隔，对沥青施加1.25%的恒定应变振幅，测试频率为0.1至100 rad/s。根据时温等效原理（Time-Temperature Superposition Principle, TTSP），利用Williams-Landel-Ferry（WLF）方程计算不同温度曲线与参考温度（30°C）之间的位移因子，得到复数模量主曲线。此外，还进行了多重应力蠕变恢复试验（Multiple Stress Creep and Recovery, MSCR）。试验首先对沥青样品施加0.1 kPa的力并保持1秒，然后卸载9秒，循环10次，再以3.2 kPa的力重复10个循环，以模拟实际道路条件下车辆对沥青路面的反复加载与卸载。根据记录的蠕变回复曲线计算了R、Jnr、Rdiff和Jnr-diff等指标。最后，进行了低温蠕变试验。采用弯曲梁流变仪测试沥青在-12°C、-18°C和-24°C下的低温蠕变性能。按照AASHTO T313标准，在250秒内采集蠕变劲度S和蠕变速率m值。同时，采用Burgers模型对试验数据进行拟合，计算综合蠕变柔量Js，用以更全面描述沥青在低温环境下的流变行为。

研究结果表明，随着MEPCMs掺量的增加，基质沥青和SBS沥青的复数模量和黏度均逐渐降低，相角增大，沥青的高温变形抗力下降。MEPCMs对基质沥青的影响比SBS沥青更为显著。当微胶囊掺量大于7%时，基质沥青的相角显著下降，而SBS沥青在掺量超过13%时才出现类似现象。原因在于高温下基质沥青流动性增强，微胶囊取代沥青成为主要受力组分，从而导致相角突然下降。黏温敏感性分析表明，MEPCMs掺量增加导致沥青黏度下降，但黏温敏感性降低，微胶囊作为颗粒物质阻碍了沥青流动，从而降低了其温度敏感性。SBS沥青的VTS值显著低于基质沥青，这与其优异的高温变形抗力有关。频率扫描结果表明，随着微胶囊含量增加，复数模量主曲线呈下降趋势，当微胶囊含量大于10%时，基质沥青和SBS沥青的主曲线在低频区域失去线性变化，表明此时沥青已失去线性黏弹性。储能模量与损耗模量随角频率的变化斜率分析显示，掺入微胶囊后沥青在30°C至70°C范围内表现为非均质多相聚合物，且均匀性随微胶囊掺量增加而变差。MSCR试验表明，R值随MEPCMs掺量增加而减小，Jnr值增大，说明MEPCMs降低了沥青的应变恢复能力并削弱了高温变形抗力。SBS沥青的R值显著高于基质沥青，0.1 kPa和3.2 kPa应力下基质沥青的R值分别为2.80%和1.14%，而SBS沥青分别为90.9%和46.9%，表明SBS沥青具有优异的应变恢复能力，受MEPCMs影响较小。Rdiff和Jnr-diff随微胶囊掺入逐渐增大，但几乎所有样品仍满足AASHTO MP19-10的要求。低温BBR试验结果显示，MEPCMs具有软化沥青的作用，随着微胶囊掺量增加，S值逐渐减小，m值逐渐增大，说明沥青在低温下变得更加柔韧。在-24°C时，B0与B13相比S值和m值分别降低了64.67%和提高了99.53%，S0与S13相比分别降低了82.96%和提高了52.15%。Burgers模型拟合结果显示，松弛时间λ1随微胶囊掺量增加而减小，延迟时间λ2则增大，综合蠕变柔量Js与MEPCMs含量呈正相关。添加7 wt%微胶囊的基质沥青和SBS沥青的Js分别增加了194%和651%，表明沥青中黏性组分比例提高，低温流变性能得到改善。

本研究的结论指出，MEPCMs降低了沥青的黏温敏感性，减弱了沥青的黏弹性，破坏了高掺量下沥青的线性黏弹性行为，并严重损害了沥青的蠕变恢复能力，但显著改善了沥青的低温流变性能。相比之下，SBS沥青对MEPCMs的适应性优于基质沥青，在相同掺量下其Rdiff、Jnr-diff和Js受MEPCMs影响较小。该研究为低温微胶囊共晶相变材料在沥青路面中的应用提供了系统的流变学依据，对于开发具有主动调温功能的沥青路面材料具有重要参考价值。研究的亮点在于系统比较了基质沥青和SBS沥青在不同MEPCMs掺量下的高低温流变行为，并结合DSR和BBR多种试验方法以及Burgers模型拟合，全面揭示了MEPCMs对沥青性能的影响规律。未来研究应重点提高微胶囊壁材的力学性能，延长相变材料的调温时间，以在实际道路中同时改善沥青的路用性能和温度调节能力。