本报告介绍由任永祥（Yong-xiang Ren）与郝培文（Pei-wen Hao）共同完成，并于2022年2月21日发表于期刊 Coatings 上的一篇原创性研究论文，标题为“Low-Temperature Performance of Asphalt Mixtures Modified by Microencapsulated Phase Change Materials with Various Graphene Contents”。

一、 作者、机构与发表信息 本研究的第一作者兼通讯作者为任永祥，其所属机构包括长安大学公路学院（School of Highway, Chang’an University）以及许昌职业技术学院（Xuchang Vocational and Technical College）。通讯作者为郝培文，来自长安大学公路学院。该研究论文于2022年2月21日正式在期刊 Coatings (2022, 12, 287) 上在线发表，是一篇遵循知识共享许可协议的开放获取文章。

二、 学术背景与研究目标 本研究属于道路工程材料领域，具体聚焦于沥青混合料的性能改良技术。沥青路面的低温开裂是寒冷地区常见的病害，其根本原因在于温度骤降时，沥青由粘弹性态转变为弹性态，导致由温度变化产生的热应力无法得到有效松弛，当热应力超过材料的抗拉强度极限时便会产生开裂。

为了缓解这一问题，相变材料（Phase Change Materials, PCMs）被引入到沥青路面中。PCMs可以在特定温度范围内通过相变（如固-液相变）吸收或释放大量的潜热，从而起到调节路面温度、减缓温度变化速率、降低热应力的作用。然而，直接将PCMs掺入沥青基质中，会因其与沥青相容性差而显著劣化沥青及其混合料的常规路用性能。为解决此问题，出现了相变微胶囊技术，即通过封装将PCMs与沥青基质隔离，在保持其温控功能的同时减少对材料力学性能的负面影响。

近年来，石墨烯（Graphene）因其优异的力学性能和导热性能，被证明可以增强改性沥青的路用性能，并提高复合相变微胶囊的相变储能与放能效率。基于此背景，本研究旨在探究一种新型改性材料——石墨烯复合三聚氰胺-甲醛树脂相变微胶囊（Graphene composite melamine formaldehyde resin phase change microcapsules, CGMFPCMs）——对沥青混合料性能的综合影响。具体研究目标包括：评估不同石墨烯含量的CGMFPCMs对沥青混合料低温抗裂性能的改善效果；测试改性沥青混合料的热传导与热存储性能（即温控性能）；并验证其水稳定性和高温稳定性是否满足规范要求，从而为开发一种兼具优良低温性能和有效温控功能的新型沥青路面材料提供实验依据和理论支持。

三、 详细研究流程 本研究流程设计严谨，包含材料制备、性能测试与数据分析三个主要阶段，具体步骤如下：

1. 材料制备与试样准备：

   • 基质沥青与相变微胶囊：研究采用山东科力达公司生产的70#基质沥青，其各项技术指标均符合中国规范（JTG E20-2011）要求。所使用的相变微胶囊为作者团队先前自制（引用自文献[43]），共三种类型：未添加石墨烯的MFPCM、添加0.30%石墨烯的CGMFPCM2以及添加0.45%石墨烯的CGMFPCM3。这些微胶囊的相变温度在2.12~6.73°C之间，具有不同的潜热值。
   • 改性沥青与混合料设计：将上述三种相变微胶囊以固定的5%掺量（相对于沥青质量），通过高速剪切工艺分别掺入基质沥青中，制备得到三种改性沥青。随后，采用玄武岩和石灰岩作为粗细集料，石灰岩矿粉作为填料，按照AC-16级配进行混合料设计。通过马歇尔试验确定所有混合料（包括普通基质沥青混合料作为对照组）的最佳油石比均为4.5%。

2. 性能测试程序与方法： 研究对四种沥青混合料（普通基质、MFPCM改性、CGMFPCM2改性和CGMFPCM3改性）进行了系统性的性能测试，每种测试均设置了平行试验以保障数据可靠性。

   • 低温抗裂性能测试：
     • 半圆弯曲试验（Semi-Circular Bending Test, SCB）：参照美国AASHTO TP105标准方法进行。将直径101.6 mm、高63.5 mm的圆柱体试件切割成厚25 mm的半圆试件，并在底部预制10 mm深的缺口。在-20°C和-10°C两个温度下，以1 mm/min的加载速率进行三点弯曲试验。通过记录的载荷-位移曲线，计算断裂能（Gf）、断裂韧性（KIC）和劲度（Stiffness, S） 三个指标来评价抗裂性能。断裂能反映材料断裂所需的总能量，值越大抗裂性越好；断裂韧性表征材料抵抗裂纹扩展的能力；劲度则反映材料发生弹性变形的难易程度，低温下劲度过高不利于应力松弛。
     • 小梁弯曲试验（Beam Bending Test）：参照中国规范T0715-2011进行。将车辙板切割成长250 mm、宽30 mm、高35 mm的棱柱体小梁试件。在-10°C下，以50 mm/min的加载速率进行三点弯曲试验，直至试件破坏。记录最大荷载和跨中挠度，计算弯拉强度（Rb）、最大弯拉应变（εb）和弯拉劲度模量（Sb）。此外，根据中国国家标准GB/T 38948-2020，通过积分应力-应变曲线下的面积，计算出弯曲应变能密度（dw/dv），该指标被提议作为评价沥青混合料低温抗裂性能的核心参数。
   • 水稳定性测试：采用冻融劈裂试验，参照中国规范T0729-2000。对两组马歇尔试件（一组常规养护，一组经过一次冻融循环）在25°C下进行劈裂试验，计算劈裂强度比（TSR） 来评价混合料抵抗水损害的能力。
   • 高温稳定性测试：采用车辙试验，参照中国规范T0703-2011。在60°C下，对标准尺寸的车辙板试件施加0.7 MPa的轮压，测试其动稳定度（DS），用以评价混合料抵抗高温永久变形的能力。
   • 热性能测试：
     • 导热系数测试：使用TC5000E导热系数测定仪，测试温度范围覆盖-268.15 K至298.15 K（重点关注常温附近）。试件为从马歇尔试件上切割下的50 mm × 50 mm × 30 mm方块。
     • 体积比热容测试：使用同一仪器，在相同温度范围内测试材料的体积比热容。该参数反映了单位体积材料升高单位温度所需的热量，更能体现相变材料添加后对整个混合料体系热存储能力的影响。
   • 数据分析方法：除了报告各项性能测试的平均值并进行直观比较外，研究还对关键试验数据（SCB试验的Gf、KIC、S；小梁弯曲试验的Rb、εb、Sb、dw/dv；冻融劈裂TSR；车辙动稳定度DS）进行了方差分析（ANOVA）。通过计算F值并与临界值F0.05比较，判断石墨烯（CG）含量在相变微胶囊壁材中的变化是否对特定性能指标有显著性影响。这是一种重要的统计手段，用于甄别影响性能的主次因素。

四、 主要研究结果 1. 低温抗裂性能结果： * SCB试验结果较为复杂：在-20°C下，MFPCM和CGMFPCM2的加入提高了混合料的断裂能（Gf），但CGMFPCM3却降低了Gf。在-10°C下，仅MFPCM提高了Gf。三个改性组的断裂韧性（KIC）在两个温度下均低于普通混合料。劲度（S）的结果显示，在-20°C下，CGMFPCM3改性混合料的劲度低于普通混合料，而在-10°C下，所有改性混合料的劲度均降低，其中CGMFPCM3组降至普通组的62.5%，表明其弹性变形能力增强，有利于应力松弛。方差分析表明，SCB试验的三个指标（Gf, KIC, S）与石墨烯含量无显著相关性，说明SCB方法用于评价此类PCM改性混合料的低温性能可能不够敏感或存在局限性。 * 小梁弯曲试验结果明确且积极：在-10°C下，所有PCM改性混合料的弯拉强度（Rb）均高于普通混合料，且随石墨烯含量增加而提高。最大弯拉应变（εb）也显著提高，以CGMFPCM3组最为突出，表明其低温变形能力最佳。CGMFPCM3改性混合料的弯拉劲度模量（Sb）显著降低，这从Hills温度应力理论出发，意味着在相同降温条件下其内部积累的热应力更小，抗低温开裂潜力更大。最为关键的发现是弯曲应变能密度（dw/dv）：CGMFPCM3改性混合料的dw/dv值是普通混合料的1.7倍，表现出卓越的低温抗裂性能。方差分析进一步确认，在弯曲试验的所有指标中，只有弯曲应变能密度（dw/dv）的F值（9.13）显著高于临界值（4.26），证明石墨烯含量对该指标有显著性影响。因此，研究推荐将弯曲应变能密度作为评价PCM改性沥青混合料低温性能的最有效指标。

1. 水稳定性与高温稳定性结果：

   • 水稳定性：冻融劈裂试验表明，添加MFPCM和CGMFPCM2使混合料的劈裂强度比（TSR）分别下降了34.5%和11.4%，其中MFPCM组甚至不满足规范（JTG F40）要求。然而，CGMFPCM3改性混合料的TSR为91.65%，略高于普通混合料（90.63%），表明其水稳定性未受损害且略有改善。方差分析显示TSR与石墨烯含量无显著相关性。
   • 高温稳定性：车辙试验显示，所有PCM改性混合料的动稳定度（DS）均下降，这是因为在60°C的试验温度下，微胶囊内的PCM发生相变，增加了沥青的流动性。MFPCM和CGMFPCM2改性混合料的DS分别下降了约50%和68%，不满足规范对重交通道路的要求（≥1800次/mm）。但CGMFPCM3改性混合料的DS为2019次/mm，虽比普通组下降了20%，但仍符合规范要求。方差分析同样表明DS与石墨烯含量无显著相关性。

2. 热性能结果：

   • 在268.15 K至298.15 K的温度范围内，所有PCM改性混合料的导热系数和体积比热容均高于普通沥青混合料。
   • MFPCM改性混合料的导热系数最高，而CGMFPCM3改性混合料的体积比热容最大。在278.15 K（约5°C，接近相变温度）时，CGMFPCM3改性混合料的导热系数比普通混合料提高了5%，体积比热容更是大幅提高了43%。
   • 对数据进行线性拟合发现，导热系数的变化率与石墨烯含量无显著关系，而体积比热容的变化率则随石墨烯含量增加而显著增大，且明显高于普通混合料。这表明石墨烯的加入显著增强了混合料单位体积的热存储能力，这对于发挥PCM的温控功能至关重要。

3. 综合分析：综合所有试验数据，CGMFPCM3改性沥青混合料（石墨烯含量0.45%）展现出最佳的综合性能：它具有最优的低温抗裂性能（弯曲应变能密度最高）、满足规范要求的水稳定性和高温稳定性，以及出色的热存储能力（体积比热容最大）。因此，它被确定为本研究中最有应用前景的配方。

五、 研究结论与价值 1. 结论： * 在评价PCM改性沥青混合料低温性能的指标中，弯曲应变能密度（dw/dv） 是反应石墨烯含量影响的最显著、最有效的评价指标。随着相变微胶囊壁材中石墨烯含量的增加，改性沥青混合料的低温抗裂性能得到增强。CGMFPCM3改性沥青混合料的弯曲应变能密度是普通混合料的1.7倍。 * 添加CGMFPCM3可以在基本不损害甚至略微改善水稳定性的前提下，使沥青混合料的高温动稳定度保持在规范要求之上（下降20%后仍达标）。 * 导热系数和体积比热容均可用于评价PCM改性沥青混合料的温控性能。CGMFPCM3改性混合料在相变温度附近具有显著提高的体积比热容（+43%），表明其强大的温度缓冲和热应力削减潜力。 * 本研究自主研发的CGMFPCM3改性沥青混合料在低温性能、水稳定性、高温稳定性和热性能方面均表现优良，满足相关技术规范要求，具备实际工程应用的潜力。

1. 价值：
   • 科学价值：本研究系统揭示了石墨烯复合相变微胶囊对沥青混合料多维度性能（力学性能与热物理性能）的影响规律，明确了弯曲应变能密度作为核心评价指标的有效性，深化了对PCM温控机理与路用性能协同优化机制的理解，为多功能沥青路面材料的设计与评价提供了新的理论依据和方法学参考。
   • 应用价值：成功开发出一种综合性能优异的CGMFPCM3改性沥青混合料，为解决寒区沥青路面低温开裂这一工程难题提供了一种新颖、有效的技术方案。论文还对材料成本进行了估算，指出虽然实验室小规模制备成本较高，但通过工业化大规模生产可显著降低成本，为其未来产业化推广提供了经济性分析基础。

六、 研究亮点 1. 材料创新：将石墨烯与相变微胶囊技术相结合，用于改性沥青混合料，旨在同时提升其低温力学性能和主动温控能力，研究思路具有前瞻性和创新性。 2. 评价方法创新：首次在PCM改性沥青混合料研究中，系统应用并验证了弯曲应变能密度这一指标的有效性，并通过方差分析明确了其相对于传统SCB指标的优势，为领域内的性能评价提供了更精准的工具。 3. 系统性与深度：研究没有局限于单一性能，而是对改性混合料的低温抗裂性、水稳定性、高温稳定性和热性能进行了全面、系统的测试与关联分析，结论全面可靠。 4. 显著的性能提升：成功获得了CGMFPCM3这一优选配方，其低温弯曲应变能密度提升70%、体积比热容提升43%的同时，关键路用性能仍满足规范，取得了显著的协同增强效果。 5. 严谨的数据分析：广泛采用方差分析等统计方法对试验结果进行显著性检验，增强了研究结论的科学性和说服力。

七、 其他有价值内容 论文在讨论部分指出，已有文献报道增加PCM含量会降低沥青混合料的导热系数，而本研究中石墨烯的复合则提高了改性混合料的导热系数。这一对比凸显了石墨烯在改善复合材料热传导方面的重要作用，有助于PCM在混合料中更高效地发挥其储热和放热功能。此外，对材料成本的初步估算体现了研究者对成果转化可行性的关注，增加了研究的实用性和完整性。