本研究报告基于发表于《Fuel》期刊第419卷（2026年）的原创性研究论文《Rheological properties and low-temperature performance of bitumen modified with polyvinyl alcohol phase change microcapsules》。该研究由长安大学公路学院的杜文杰、韦坤（通讯作者）、郭旭和赵超共同完成。研究致力于解决温度敏感性材料——沥青，在低温环境下易发生脆性开裂这一长期困扰寒区道路工程的技术难题。通过引入相变微胶囊技术，研究旨在主动调控沥青路面温度，提升其低温抗裂性能，并为此开发了一套结合实验与数值模拟的综合研究方法。
研究背景与目标
沥青作为一种典型的温度敏感性材料，其路用性能高度依赖于环境温度。在高温条件下，沥青易软化，导致车辙、推移等病害；而在低温条件下，沥青则会变脆，产生收缩裂缝和层间剥离，严重影响道路安全和使用寿命。中国拥有广阔的多年冻土和季节性冻土区，约占国土面积的22.3%，低温开裂问题尤为突出。传统的预防性养护、结构优化设计等方法虽能缓解，但未能从根本上主动调节路面温度场。
相变材料（Phase Change Materials, PCMs）作为一种热能存储材料，能在相变过程中吸收或释放大量潜热，从而缓冲温度变化。将PCMs应用于沥青及混合料中，理论上可以通过潜热的储存与释放来主动调节路面温度，减缓沥青的降温速率，降低开裂风险。然而，传统的固-固或固-液相变材料直接掺入沥青会劣化沥青性能。相比之下，微胶囊化技术可将相变材料封装在微小胶囊中，有效防止泄漏，且具有更大的比表面积，有利于热量的高效吸收与释放。
在众多壳材中，聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol, PVA）因其优异的成膜性、化学稳定性和环境友好性而备受关注。然而，传统微胶囊制备方法（如原位聚合法）工艺复杂，难以大规模生产，且PVA基相变微胶囊在沥青中的应用研究尚不充分。此外，常规沥青低温性能测试多在固定温度下进行，无法模拟路面实际经历的连续、动态降温过程，导致评价结果与路面实际服役性能存在差异。
为此，本研究确立了明确的研究目标：首先，开发一种适用于大规模生产且适用于沥青路面的相变微胶囊制备方法。其次，制备以PVA为壳材、实验室合成的低温相变材料为核心材的相变微胶囊，并探讨掺入碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNT）以提升其导热性能的可行性。最后，系统地评价改性沥青的流变性能，并创新性地采用动态热机械分析（Dynamic Thermomechanical Analysis, DMA）和基于ANSYS Fluent软件的温度-应力模拟，在动态降温条件下评估改性沥青的低温断裂性能。
详细研究流程
本研究流程清晰，可分为材料制备、表征、沥青改性、性能测试与数值模拟等多个相互关联的步骤。
步骤一：相变微胶囊的制备与表征。 研究采用喷雾干燥法（Spray-drying method）制备了两种相变微胶囊：PVA相变微胶囊（MPCM）和掺有碳纳米管的PVA相变微胶囊（CNT-MPCM）。具体流程是：首先，按核心材：壳材=2：1的比例，将低温相变材料（PCM）与PVA水溶液混合，并加入占核心材质量1.9%的乳化剂（Tween-80），在2900 rpm转速下剪切乳化30分钟，形成相变乳液。随后，将此乳液通过喷雾干燥设备（入口温度221°C，雾化频率600 Hz，蠕动泵流量90 ml/min）进行干燥，即得到MPCM粉末。CNT-MPCM的制备则在上述相变乳液制备阶段加入特定量的CNT。这种方法相比传统的原位聚合法，工艺更简单，更利于规模化生产。对制备的MPCM和CNT-MPCM，研究进行了全面的表征：利用X射线衍射（XRD）分析晶体结构，傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析化学官能团，扫描电子显微镜（SEM）观察微观形貌，差示扫描量热法（DSC）测定相变焓和相变温度，瞬态热线法测定导热系数，并测量了其比热容。
步骤二：改性沥青的制备。 将制备好的MPCM和CNT-MPCM分别以3%、6%、9%的质量比（相对于70#基质沥青）掺入沥青中。在150°C、2000 r/min的条件下，通过高速剪切机充分混合，制得一系列改性沥青样品，分别命名为MPCM3%、MPCM6%、MPCM9%、CNT-MPCM3%、CNT-MPCM6%、CNT-MPCM9%。此外，利用荧光显微镜（FM）观察了微胶囊在沥青中的分散情况。
步骤三：改性沥青的常规流变性能测试。 使用动态剪切流变仪（DSR）评估沥青的高温性能。测试在46°C至88°C温度范围内进行（温度梯度6°C），固定频率10 rad/s，应变6%。测量了复数剪切模量（G）、相位角（δ），并计算了车辙因子（G/sinδ）和失效温度（G*/sinδ降至1000 Pa时的温度）。同时，使用弯曲梁流变仪（BBR）评估沥青的低温流变性能。测试在-12°C、-18°C和-24°C下进行，测量了蠕变劲度（S）和蠕变速率（m）值。
步骤四：基于DMA的动态低温断裂性能测试。 这是本研究的创新点之一。研究采用动态热机械分析仪（TA Q800），在等应变模式下对沥青试件进行动态降温测试。试件尺寸为长×宽×厚=约15mm×5mm×2mm。测试从初始温度10°C开始，以2°C/min的速率降温，并实时记录降温过程中沥青因收缩而产生的温度应力，直至试件断裂。以断裂温度（试件发生断裂时的温度）和断裂强度（断裂前所能承受的最大温度应力）作为评价沥青低温抗裂性能的关键指标。
步骤五：基于ANSYS Fluent的温度-应力数值模拟。 这是本研究的另一个核心创新。为了从机理上更精确地模拟DMA测试的动态降温过程，研究建立了ANSYS Fluent的多相流混合模型，并利用用户自定义函数（UDF）来模拟液氮蒸发吸热过程。物理模型将DMA测试腔简化为一个轴对称二维模型，包含腔体、液氮喷嘴、出口和固定的沥青试件。通过网格无关性验证，确定了0.5 mm为合适的网格尺寸。模拟中，将微胶囊的相变潜热通过有效热容法整合到比热容中。改性沥青的密度、导热系数和比热容通过混合法则计算获得。模拟首先计算了动态降温过程中的温度场变化。更重要的是，研究将BBR实验测得的蠕变劲度数据，通过Hopkins和Hamming算法转换为松弛模量，再拟合Christensen-Anderson-Marasteanu (CAM) 模型，结合时间-温度等效原理（Williams-Landel-Ferry方程）和Boltzmann叠加原理，最终推导出用于计算降温过程中沥青内部温度应力的数学模型，并将此模型嵌入Fluent模拟中，预测了不同沥青样品的温度-应力变化曲线及断裂温度。
主要研究结果
1. 相变微胶囊的特性结果。 XRD和FTIR结果表明，MPCM和CNT-MPCM的谱图与PVA壳材一致，说明核心材PCM被成功封装，且壳材与核心材之间仅为物理结合，未发生化学反应。SEM图像显示，MPCM呈规则球形，表面光滑完整，分散良好，无团聚，证明了PVA优良的成膜性和喷雾干燥法的有效性。DSC测试表明，核心材PCM的相变焓为86.75-88.56 J/g，MPCM的相变焓降至47.24-48.79 J/g，这主要是由于不参与相变的PVA壳材的“稀释”作用以及部分微胶囊破损所致。CNT-MPCM的相变焓（46.27-47.95 J/g）略低于MPCM，归因于CNT水浆的进一步稀释。关键的是，CNT-MPCM在降温过程中的放热区间（-8.2°C 至 2.6°C）比MPCM（-8.2°C 至 2.1°C）更接近核心材PCM的区间（-7.1°C 至 3.2°C），这表明CNT的加入改善了热传递。导热系数测试直接证实了这一点：CNT-MPCM的导热系数达到0.4291 W/(m·K)，比MPCM的0.2465 W/(m·K)提高了74%。比热容曲线显示，MPCM和CNT-MPCM在相变温度附近（约-3°C）均出现明显的尖峰，表明其储存和释放潜热的能力。
2. 改性沥青的常规流变性能结果。 荧光显微镜观察显示，MPCM在沥青中分散均匀，无团聚。DSR测试结果表明，随着MPCM和CNT-MPCM掺量的增加，沥青的复数模量（G）和车辙因子（G/sinδ）均有所下降，相位角（δ）增大。这表明微胶囊的加入略微降低了沥青的高温抗变形能力（抗车辙能力）。失效温度分析也显示，改性沥青的失效温度比基质沥青略低，且随掺量增加而降低。BBR测试结果则呈现相反趋势：在相同低温下，改性沥青的蠕变劲度（S）低于基质沥青，蠕变速率（m）高于基质沥青，说明微胶囊的加入显著改善了沥青的低温松弛性能，使其在低温下更柔韧，抗裂性更好。由于MPCM和CNT-MPCM具有相同的PVA壳材，二者对沥青流变性能的影响相似。考虑到高温性能的下降，研究建议MPCM和CNT-MPCM的掺量不宜超过6%。
3. DMA动态低温断裂性能结果。 DMA测试直接揭示了动态降温下沥青的断裂行为。基质沥青的断裂温度为-37.04°C，断裂强度为0.53 MPa。掺入微胶囊后，沥青的断裂温度显著降低，断裂强度显著提高。例如，当CNT-MPCM掺量为6%时，改性沥青的断裂温度降至-47.15°C，断裂强度升至1.12 MPa，与基质沥青相比，分别提升了27.30%和111.32%。并且，在相同掺量下，CNT-MPCM改性沥青的低温断裂性能优于MPCM改性沥青。这归因于相变微胶囊在降温过程中释放潜热，减缓了沥青的降温速率和温度应力积累；而CNT-MPCM更高的导热系数使其潜热释放更快、更均匀，避免了局部应力集中，从而表现出更优的性能。
4. 数值模拟结果。 温度场模拟直观显示了DMA腔内动态降温过程，并计算出了改性沥青试件中心点与温度传感器（代表腔体平均温度）之间的温差。在降温过程中，改性沥青与基质沥青之间出现了最大可达4.0°C的温差，且温差峰值出现的时间点与改性沥青比热容曲线上的相变峰对应，这直接证明了微胶囊通过相变潜热主动调节了沥青自身的温度变化速率。温度-应力模拟曲线与DMA实测曲线趋势一致。虽然模拟的断裂温度值与实测值存在差异（归因于模拟中使用的合理假设，如恒定的热膨胀系数），但模拟结果成功复现了不同改性沥青之间低温性能的优劣趋势，验证了数值模型的有效性。模拟从传热和力学机理层面，为实验现象提供了有力的解释和补充。
研究结论与意义
本研究得出以下主要结论： 1. 采用喷雾干燥法成功制备了形貌规整、表面完整的PVA基相变微胶囊（MPCM及CNT-MPCM）。CNT的加入使微胶囊的导热系数提升了74%，且其相变温度更接近核心材。 2. 掺加MPCM和CNT-MPCM会在一定程度上削弱沥青的高温性能，但能显著增强其低温性能。由于壳材相同，二者对沥青流变性能的影响相似。为平衡性能，建议掺量不超过6%。 3. 在动态降温条件下，微胶囊的加入能大幅提升沥青的低温断裂性能。CNT-MPCM因更高的导热系数，其改性效果优于MPCM。当CNT-MPCM掺量为6%时，沥青的断裂温度和断裂强度相较于基质沥青分别改善了27.30%和111.32%。 4. 基于ANSYS Fluent的耦合数值模拟框架能够有效地模拟动态降温过程，虽然断裂温度的绝对值存在偏差，但成功捕捉了性能变化趋势，为理解相变调温机理提供了有力工具。
本研究的科学价值在于：提出并验证了一种适合规模化生产的相变微胶囊制备新工艺（喷雾干燥法）；创新性地将DMA动态降温测试与多物理场数值模拟相结合，建立了一套更贴合路面实际服役环境的沥青低温性能评价方法；明确了PVA基相变微胶囊，特别是CNT增强型微胶囊，对沥青流变性能和低温抗裂性能的改善机理。
其应用价值显著：为解决寒区沥青路面低温开裂这一工程难题提供了一种主动式、智能化的温控材料解决方案。尽管微胶囊的添加会带来一定的成本增加（据估算，掺加6%的MPCM和CNT-MPCM，每平方米路面成本分别增加约1.90美元和2.10美元），但考虑到其能显著延长寒区路面使用寿命、减少维修费用，从全寿命周期成本角度看具有可观的经济效益。该研究成果为相变材料在道路工程中的实际应用推广奠定了重要的理论与实验基础。
研究亮点
其他有价值内容
研究还进行了初步的成本分析，估算了微胶囊的材料成本及其对路面造价的影响，体现了研究从实验室走向工程应用的考量，增强了研究成果的实用参考价值。同时，研究指出了模拟与实验值存在差异的原因（如沥青热膨胀系数非恒定、粘弹性模型简化等），为后续研究的进一步精细化指明了方向。