本研究的主要作者为陈晓慧，指导教师为董福营与王娜，其所属机构为山东交通学院交通土建工程学院。该研究以硕士学位论文形式完成，并于2024年05月30日提交。
学术背景 本研究属于交通运输工程领域，具体聚焦于道路工程材料中的沥青路面技术。冬季路面结冰是严重影响道路交通安全与通行能力的全球性问题。传统被动除冰技术（如机械清除、撒布氯盐类融雪剂）存在效率低、破坏路面结构、腐蚀环境、损害道路附属设施等诸多弊端。近年来，主动抗凝冰技术成为研究热点，主要包括蓄盐路面、自应力弹性路面、热力融雪路面和低润湿性路面等。其中，低润湿性路面（如超疏水涂层）通过降低水与路面的润湿性来延迟结冰、减少冰粘附，展现了良好应用前景。同时，相变材料在沥青路面中的应用研究也取得了进展，其通过相变过程中的潜热吸收与释放，能够调节路面温度，理论上可延缓或抑制结冰过程。然而，将疏水性能与相变调温性能相结合，制备复合功能材料用于提升沥青路面主动抗凝冰性能的研究尚不充分。因此，本研究旨在通过制备兼具疏水性和相变调温特性的复合材料，并将其应用于沥青路面，以期实现从“被动除冰”到“主动抗凝”的转变，提升冬季道路安全性与耐久性。
详细工作流程 本研究共包含三个主要研究环节，构成了一个从材料制备、改性沥青性能表征到混合料性能验证的完整技术路线。
第一环节：相变微胶囊的制备及性能研究。 本环节的研究对象是以十四烷为相变芯材、二氧化硅为外壳的相变微胶囊。研究目标是通过界面聚合法优化制备工艺，并系统表征其形貌、化学结构、相变特性与热稳定性。 1. 材料制备与工艺优化： 以正硅酸乙酯为硅源，十六烷基三甲基溴化铵为乳化剂，通过界面聚合法制备二氧化硅包覆十四烷的相变微胶囊。研究采用单因素法，系统考察了三个关键工艺参数的影响：乳化剂质量（0.6g, 0.8g, 1.0g, 1.2g）、芯材（十四烷）与壳材原料（TEOS）质量比（0.8:1, 1:1, 1.2:1, 1.4:1）以及合成反应搅拌速度（300 rpm, 500 rpm, 700 rpm）。总共制备了9组不同配方的样品（MPCM-1至MPCM-9）用于对比分析。 2. 测试与表征： * 微观形貌分析： 使用扫描电子显微镜观察不同工艺条件下制备的MPCM的微观形貌、粒径分布和球形完整性。 * 化学结构分析： 利用傅里叶变换红外光谱仪和X射线衍射仪分析MPCM的化学成分、化学键类型及晶体结构，确认芯材与壳材的结合方式（物理包覆或化学键合）。 * 相变特性分析： 使用差示扫描量热仪测试MPCM的相变温度范围和相变潜热，以此评估其储能能力。通过对比不同工艺参数样品的DSC曲线，优化制备条件。此外，对最优工艺制备的MPCM进行了50次热循环测试，以评估其循环稳定性（储能效率）。 * 热稳定性分析： 采用热重分析仪测试MPCM在升温过程中的质量损失情况，评估其在沥青路面施工及使用温度范围内的热稳定性。 * 数据处理流程： 通过SEM图像直观比较形貌，确定最优形貌对应的工艺参数；通过FT-IR和XRD图谱分析化学结构；通过DSC数据（峰值温度、焓值）定量比较相变性能，并结合形貌结果综合确定最优制备工艺；通过TG曲线分析热分解起始温度，判断热稳定性。
第二环节：MPCM/PDMS复合改性沥青的制备及性能研究。 本环节的研究对象是由上述最优工艺制备的MPCM与低粘度聚二甲基硅氧烷复合而成的改性沥青。研究目标是探究复合材料的加入对沥青微观结构、基本物理性能、疏水性、调温性能及流变性能的影响。 1. 材料制备： 将MPCM与PDMS预先混合均匀，制备成MPCM/PDMS复合材料，然后将其掺入基质沥青中，通过剪切搅拌制备复合改性沥青。 2. 测试与表征： * 微观形貌与化学作用分析： 使用荧光显微镜观察MPCM/PDMS复合材料在沥青中的分散状态。使用FT-IR分析复合改性沥青的谱图变化，探究MPCM/PDMS与基质沥青之间是否存在化学反应。 * 基本物理性能测试： 按照规范测试复合改性沥青的针入度、软化点、延度和布氏黏度，评价其常规路用性能。 * 疏水性测试： 使用接触角测量仪测量水在复合改性沥青表面的接触角，并与基质沥青对比，定量评价其疏水性能的提升。 * 调温性能测试： 采用两种方法：一是使用DSC测试复合改性沥青的相变潜热；二是在可控的降温环境中，使用数显温度计监测复合改性沥青试件内部温度达到结冰点（0°C）的时间，并与基质沥青试件对比，评估其延迟降温的能力。 * 流变性能测试： 使用动态剪切流变仪测试复合改性沥青在不同温度和频率下的复数模量、相位角等指标，评价其高温抗车辙性能；使用弯曲梁流变仪测试其低温蠕变劲度，评价其低温抗开裂性能。
第三环节：沥青混合料的抗凝冰性能研究。 本环节的研究对象是AC-13型沥青混合料。研究目标是在材料层面性能研究的基础上，验证复合改性沥青在实际混合料体系中的抗凝冰效果。 1. 混合料设计与制备： 设计了三种AC-13沥青混合料进行对比：① 基质沥青混合料（对照组）；② MPCM/PDMS复合改性沥青混合料；③ MPCM等体积替代部分矿粉的基质沥青混合料。首先进行配合比设计，确定各混合料的最佳油石比。 2. 性能测试： * 水稳定性测试： 通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，分别测试混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比，评价其抗水损害能力。 * 抗凝冰性能测试： 设计了三个关键指标来综合评价：表面结冰温度（在持续降温环境下，用红外测温仪监测混合料表面开始结冰时的温度）、表面结冰延迟时间（从开始喷水降温到表面首次观测到结冰所需的时间）、表面结冰量（在固定条件下，于混合料试件表面形成冰层的高度或质量）。通过这些测试，全面评估材料延缓结冰、降低结冰程度的能力。
主要结果 第一环节结果： 研究确定了MPCM的最优制备工艺参数为：乳化剂质量1g、芯壳原料质量比1.2:1、搅拌速度500 rpm。在此条件下制备的MPCM粒径均匀、球形完整。FT-IR和XRD分析表明，二氧化硅外壳与十四烷芯材之间仅为物理包覆，未发生化学反应。DSC测试显示，MPCM的相变温度范围为-5~2°C，与路面抗凝冰需求相匹配，其相变潜热可达133 J/g。经过50次热循环后，潜热仍保持在129 J/g，表现出高的储能效率和良好的循环稳定性。TG分析表明，MPCM在路面施工温度范围内（通常低于200°C）具有良好热稳定性。这些结果为后续制备功能复合材料提供了合格的相变单元。
第二环节结果： FM观察表明，MPCM/PDMS复合材料能够均匀分散在沥青中。FT-IR分析发现，复合材料中的Si-OH与沥青中的-OH或-COOH发生了化学反应，形成了化学键合，这有利于提高改性体系的稳定性。接触角测试显示，复合改性沥青的水接触角比基质沥青提高了28°，疏水性显著增强。DSC测试表明，复合改性沥青可以释放22 J/g的相变潜热。降温试验中，复合改性沥青内部温度达到0°C的时间比基质沥青延迟了7分钟，证实其具有明显的调温性能。流变性能测试表明，虽然MPCM/PDMS的加入对沥青的高温性能（DSR指标）有一定不利影响，但显著改善了其低温性能（BBR测试显示低温抗开裂能力增强）。
第三环节结果： 路用性能方面，MPCM/PDMS复合改性沥青混合料的冻融劈裂强度比和浸水残留稳定度分别比基质沥青混合料提高了1.5%和2.4%，表明其水稳定性略有提升。抗凝冰性能方面，复合改性沥青混合料表现出显著优势：其表面结冰温度降低了1.4°C；开始结冰时间延迟了7分钟；形成的表面冰层高度降低，即结冰量减少。这三点共同证明了该混合料具有优异的延迟结冰和减轻结冰程度的能力。
结论与价值 本研究成功制备了一种以二氧化硅包覆十四烷的相变微胶囊（MPCM）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）为核心的复合改性材料，并将其应用于沥青路面。研究得出以下结论： 1. 材料制备方面： 优化了MPCM的界面聚合制备工艺，获得了相变温度适宜、潜热高、热稳定性好的微胶囊产品。 2. 改性沥青性能方面： MPCM/PDMS复合材料与沥青发生了化学键合，能均匀分散，赋予沥青显著的疏水性和相变调温性能，同时改善了沥青的低温抗裂性。 3. 混合料性能方面： 基于该复合改性沥青的AC-13混合料，在保证水稳定性的前提下，具备降低结冰点、延迟结冰时间、减少结冰量的综合抗凝冰能力。
本研究的科学价值在于： 提出并验证了将疏水材料（PDMS）与相变调温材料（MPCM）结合，通过化学-物理协同作用改性沥青的新思路，为开发多功能主动抗凝冰路面材料提供了新的技术路径和理论依据。 应用价值在于： 所开发的复合材料及改性沥青制备工艺相对简单，易于与现有沥青路面施工技术结合。其主动抗凝冰特性有望减少对传统融雪剂的依赖，降低养护成本，减轻环境腐蚀，延长道路使用寿命，最终提升冬季行车安全与道路通行效率，具有重要的工程应用前景和社会经济意义。
研究亮点 1. 功能集成创新： 研究创新性地将低润湿性（疏水）与相变调温这两种主动抗凝冰机理集成于一种复合材料中，实现了“疏水排水”与“调温抑冰”的协同增强，突破了单一功能材料的局限性。 2. 材料设计新颖： 选用无机二氧化硅作为相变微胶囊壳材，提高了材料的热稳定性和环境友好性；选用PDMS作为疏水组分，其优异的化学稳定性和柔韧性有助于提升改性沥青的耐久性。 3. 系统性的性能评价体系： 研究构建了从微观形貌、化学结构、基本物理性能到宏观路用性能（水稳定性）和专项功能性能（抗凝冰三指标：结冰温度、延迟时间、结冰量）的完整、多层次性能评价体系，论证充分、逻辑严谨。 4. 明确的机理揭示： 通过FT-IR等手段明确了复合材料与沥青之间存在化学键合，解释了改性体系稳定性的原因；通过对比试验，清晰分离并证明了疏水性与调温性各自对最终抗凝冰效果的贡献。
其他有价值内容 研究在引言部分对国内外沥青路面抗凝冰技术（被动与主动）及相变材料应用进展进行了详尽的综述，系统梳理了各类技术（如蓄盐路面、自应力路面、热力融雪路面、低润湿性路面等）的原理、优缺点与研究现状，为整个研究的立项提供了坚实的背景支撑，也使论文本身具有较高的参考价值。技术路线图清晰展示了“材料制备-沥青改性-混合料验证”的研究逻辑。