相变材料改性沥青混合料抗车辙性能评估的改进型车辙试验研究报告

主要作者及发表信息

本研究由河海大学土木与交通工程学院的陈俊（Jun Chen）副教授团队主导，合作单位包括东南大学交通学院及Stecol Corporation。通讯作者为陈俊。该原创研究成果发表于国际材料与结构研究实验联合会（RILEM）旗下的期刊 *Materials and Structures*，在线发表日期为2025年12月10日。

学术背景与研究目的

本研究属于道路工程与功能性材料交叉领域。沥青路面作为一种深色铺装材料，在夏季会吸收并储存大量热量，导致路面温度急剧升高。高温引发沥青粘结剂软化，进而在反复车辆荷载作用下产生车辙（rutting）病害。车辙不仅严重劣化路面性能、缩短服役寿命，还会因平整度下降而威胁行车安全与乘客舒适性。

为解决这一问题，学者们提出将相变材料（Phase Change Materials, PCMs）掺入沥青混合料中，利用其在特定温度下吸收或释放潜热的特性，主动调节路面温度，从而提高其高温抗车辙（rutting resistance）性能。已有研究证实了PCMs的降温效果，但关于其对抗车辙性能影响的研究结论并不一致，甚至相互矛盾。研究人员分析，这可能是因为现有的常规车辙试验（Conventional Wheel Tracking Test, CWTT）存在局限。CWTT的测试规程要求在恒定60°C条件下进行，而不同的PCMs具有不同的相变温度区间（phase transition process），在恒定60°C下，它们可能处于完全不同的相变阶段（例如，有的已完成相变，有的则尚未开始），导致CWTT无法准确反映PCM在整个相变过程中的热-力学耦合作用。此外，PCMs在路面结构中的掺入策略（单一结构层或双层结构）对抗车辙性能的影响尚不明确。

基于此，本研究设定了两大核心目标：第一，基于对CWTT局限性的分析，提出一种能够准确评估PCMs改性沥青混合料（PCMs-Modified Asphalt Mixtures, p-MAM）在整个相变过程中抗车辙性能的改进型车辙试验方法（Improved Wheel Tracking Test, IWTT）。第二，利用IWTT探究PCMs在沥青路面中的最优掺入策略，以获得最佳的抗车辙性能。

研究方法与详细工作流程

本研究的工作流程主要分为三个阶段：相变材料的制备、混合料设计与试验方案设定、以及从CWTT局限性分析到IWTT方法建立与应用的递进式研究。

第一阶段：相变材料（PCMs）的制备与表征。 研究选用聚乙二醇（Polyethylene Glycol, PEG）作为PCM，因其相变温度接近路面服役高温区间。为研究不同分子量的影响，制备了分子量为2000、4000、6000和8000的四种PEG（分别记为P-2, P-4, P-6, P-8）。为防止固态-液态相变后PEG从混合物中泄漏，采用二氧化硅（SiO₂）溶胶对其进行封装，制备PEG/SiO₂复合相变材料。通过差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry, DSC）表征了这四种材料的热力学参数。结果表明，随着分子量增加，PEG的相变起始和终止温度均向右偏移，相变区间有所不同，这将导致它们在不同温度下发挥不同的调温效果。

第二阶段：沥青混合料（p-MAM）试件设计与制备。 为模拟实际路面结构，本研究设计了单层和双层两种沥青混合料车辙板试件。单层试件为4厘米厚的PEG/SiO₂改性SMA-13沥青混合料。双层试件则由4厘米的改性SMA-13上层和6厘米的改性AC-20下层组成，以模拟实际路面结构分层。PEG/SiO₂颗粒以等体积替换粒径为0.6-2.36毫米细集料的方式掺入，掺量水平为1%、2%、3%和4%。

第三阶段：常规车辙试验（CWTT）局限性分析。 此阶段旨在系统证明CWTT不适用于p-MAM的评估。研究人员首先利用温度传感器监测了在不同初始温度（0°C和25°C）下，不同PCM掺量的SMA-13试件在60°C环境箱中保温5小时后的内部温度。结果显示，高掺量（4%）的PCM试件，特别是初始温度为0°C时，其内部温度无法在规定时间内达到60°C的测试要求温度。其次，计算了含不同PCM的试件在相变前、中、后三个不同温度下的动稳定度（Dynamic Stability, DS）。结果显示，p-MAM的DS在相变过程中高于普通混合料，但在相变前后却低于普通混合料，表现出显著的温度依赖性，单一温度的测试结果无法代表其整体性能。最后，对车辙深度随时间变化的曲线进行分析，发现p-MAM的车辙深度虽趋于稳定，但本研究引入的新评价指标——“变形速率”（Deformation Rate, δv）——却持续波动，这表明即使在测试后期，PCM的相变过程仍在影响材料变形。此三个方面的证据共同证明，CWTT的恒温加载模式及其评价指标不适用于评估p-MAM。

第四阶段：改进型车辙试验（IWTT）方法的建立与验证。 针对CWTT的缺点，研究提出了IWTT方法。其改进主要体现在以下两点：第一，采用可变温的加载模式以模拟真实环境。作者测量了夏季江苏路面温度变化，发现上午9点至12点，路面温度在太阳辐射下会在3小时内从约40°C升至70°C以上。因此，IWTT规程将试件从40°C开始加载，并利用热辐射灯模拟实测的太阳辐射强度，在3小时内逐步加热至70°C，完整覆盖了PCMs从开始相变到完成相变的整个过程。第二，引入基于相变全过程的评价指标体系。为了准确评价，测试完整记录车辙深度变化，并根据DSC确定的相变起止温度点，将整个变形过程划分为相变前、相变中和相变后三个阶段，分别计算和阶段和全程的平均变形速率（vi = Δd/Δt）。

为验证IWTT的合理性，对比了CWTT和IWTT对含不同掺量P-4的SMA-13试件的评价结果。CWTT的动稳定度随P-4掺量增加而降低，得出PCM对抗车辙不利的结论；而基于整个相变过程的IWTT评价结果显示，动稳定度随掺量增加而提高，表明PCM起到了积极作用。后者更符合PCM改善抗车辙性能的机理。进一步对变形速率的分析表明，所有掺量下，变形速率均呈现出相变前最大（v₁）、相变后最小（v₃）的规律，且全程平均变形速率（v）随PCM掺量增加而单调递减，这合理解释了PCM在整个升温过程中如何通过其相变行为有效延缓变形，从而验证了IWTT方法的合理性。

主要研究成果

1. 常规车辙试验（CWTT）的适用性评估结果。 研究明确证实了CWTT的局限性。在测试温度方面，含4% PEG/SiO₂的试件在60°C环境中按规定保温5小时后，其内部温度仍未达到60°C，这直接违反了试验前提。在力学响应方面，p-MAM的动态稳定性随其所处的相变阶段不同而剧烈变化，一个恒定的60°C测试温度无法捕捉这一特性。在变形稳定性方面，即使在试验的后期阶段，p-MAM的变形速率仍在持续波动，这表明CWTT所依赖的“变形已稳定”假设对于p-MAM不成立。这些系统性证据有力地论证了CWTT不适用于评估p-MAM的抗车辙性能。

2. 改进型车辙试验（IWTT）的评估结果与最优掺入策略的确定。 * 单层p-MAM的最优策略： 为确定单层结构中最有效的PCM类型，研究利用IWTT测试了含4%掺量的四种不同分子量PEG/SiO₂的SMA-13试件。结果显示，所有试件的变形速率均表现为v₁ > v₂ > v₃的规律。其中，掺入P-6（PEG6000/SiO₂）的试件表现出最小的全程平均变形速率（v），以及最小的相变前变形速率（v₁），表明其抗车辙性能最优。而掺入P-2（PEG2000/SiO₂）的试件性能最差。该结论可能归因于P-6的分子量（即6000）在溶解度和刚度之间取得了最优平衡，从而在关键的温度上升区间提供了最佳的变形抵抗能力。 * 双层p-MAM的最优策略： 研究进一步探究了PCM在双层结构中的最优掺入位置。首先通过温度监测发现，在IWTT条件下，当上层最终达到65°C时，下层仅达到55°C。结合DSC数据计算相变完成度发现，所有PCM在上层均已完全相变，而在下层，P-2的相变完成度最高，约90%。据此，设计了四种掺入方案的对比试验：A组（空白对照组）、B组（仅上层加P-6）、C组（仅下层加P-2）、D组（双层均加）。降温效果监测显示，D组（双层都加）的降温幅度最大，B组次之，C组最差。然而，IWTT车辙深度测试结果却显示，抗车辙性能的排序为B组 > D组 > C组 > A组。即仅在上层添P-6的试件总车辙深度最小，抗车辙性能最优。这一反直觉结果的原因是，虽然D组降温效果好，但PCM在液态下会降低混合料内部粘结力，使其更易发生变形。因此，仅在受热辐射影响最大、对车辙贡献最大的上层适量使用高性能PCM，是实现最佳抗车辙效果和材料效益的理想策略。

研究结论与价值

本研究得出了以下核心结论：（1）明确判定常规车辙试验（CWTT）由于其恒温加载协议未考虑PCM的相变过程，不适用于评估PCMs改性沥青混合料（p-MAM）的抗车辙性能。（2）成功建立了改进型车辙试验方法（IWTT），该方法通过模拟太阳辐射下的渐变温度场（40-70°C），能准确、连续地评估p-MAM在整个PCM相变过程中的抗车辙变形能力，评价指标（变形速率）更科学合理。（3）基于IWTT确定了最优PCM掺入策略：在单层混合料中，掺入PEG6000/SiO₂效果最佳；在双层结构中，仅在上面层掺入PEG6000/SiO₂可获得最优的抗车辙性能。

研究亮点与价值

本研究具有重要的科学价值与应用价值。其科学价值在于，首次系统性地揭示了现行标准车辙试验方法在评估新型功能性材料（如PCM改性沥青）时存在的原理性缺陷，并通过创新的方法学设计，建立了能够反映材料热-力学耦合行为的IWTT测试与评价体系，为智能温控路面材料的性能评估提供了新的科学工具。其应用价值在于，该研究成果为今后的PCMs在沥青路面中的工程应用提供了明确的指导原则。IWTT方法更贴近真实服役环境，能可靠地筛选出综合抗车辙性能最佳的材料与结构。特别是关于“仅在上层掺入适量高分子量PCM”这一反直觉但更高效的结构优化策略，对于指导实际工程中在提升路面耐久性的同时控制材料成本，具有宝贵的实践价值。此外，PCM封装技术的稳定性也被证实，确保了其长期服役的潜力。文章的亮点在于其问题导向明确、递进式的研究逻辑：从发现矛盾、诊断问题（CWTT局限性），到提出方案、验证方案（建立IWTT），再到应用新方法解决实际问题（确定最优策略），整个研究框架严谨而完整。