本研究由来自中国山东省交通规划设计院集团有限公司及所属的高性能绿色道路材料工程技术研究中心，以及北京工业大学桥梁工程安全与韧性国家重点实验室和城市安全与灾害工程教育部重点实验室的研究团队合作完成。主要作者包括丁婷婷、魏思双、任鑫、郭猛（通讯作者）和于得水。研究成果以题为《Multiscale Evaluation on Temperature Adjusting Performance and Road Performance of Asphalt Mixture Containing Dual Phase Change Materials》的学术论文形式，发表于Elsevier旗下的学术期刊《Construction and Building Materials》第417卷（2024年），该卷出版于2024年2月13日，论文最终被接受于2024年1月31日。
从学术背景来看，本研究属于道路工程与材料科学交叉领域，具体聚焦于改性沥青路面技术。沥青路面作为一种温度敏感性材料，其长期性能深受环境温度波动的影响。在高温环境下，沥青混合料容易产生车辙病害；而在低温环境下，则易发生低温开裂。这两种破坏模式往往相互矛盾，难以通过单一改性技术同时得到有效改善。因此，如何平衡沥青混合料的高温抗车辙与低温抗裂性能，是道路工程领域长期面临的挑战。传统的温度调控方法多属于被动控制，如使用热反射涂层或改变路面结构。近年来，相变材料作为一种主动温度控制技术，因其能够通过相变过程吸收、储存或释放潜热，有效调节材料体系的温度，开始受到道路研究者的关注。然而，现有的研究多集中于单一相变温度的PCM（Phase Change Material），这类材料难以同时应对高温和低温两种极端环境，实现双向温控。此外，PCM在沥青中的泄露问题、与沥青的相容性、以及最佳掺量的确定都是实际应用中的关键难题。基于此，本研究旨在开发一种适用于道路工程的双相变温控材料，该材料能同时调节高、低温环境下的路面温度，并系统验证其温控效能及对沥青混合料路用性能的影响，以期为解决沥青路面高低温病害平衡难题提供新的技术途径。
详细的工作流程包含多个严谨的步骤，环环相扣，构成了完整的研究体系。研究首先进行了相变材料（PCM）的筛选与基础表征。研究者根据技术要求，从市售产品中选择了六种复合相变材料，其中三种为高温相变材料（相变温度40-48°C），编号为1#（生物基高导热型）、2#（生物基微胶囊型）和3#（纳米微胶囊型）；另外三种为低温相变材料（相变温度-13-4°C），编号为4#（生物基高导热型）、5#（生物基微胶囊型）和6#（纳米微胶囊型）。在表征阶段，研究采用了差示扫描量热仪（DSC）分析六种PCM的潜热性能（相变温度与焓值），采用热重分析仪（TGA）评估其热稳定性（在35-180°C温度范围内的质量损失），并利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析其与基质沥青混合后的化学稳定性（是否产生新化学键）。这些基础测试的样本即为六种PCM本身，旨在从热物理和化学角度筛选出性能优良的候选材料。
其次，研究进入相变沥青制备与性能评价阶段。以中国70号基质沥青为基准，按5%的固定掺量，分别制备了六种相变沥青。首先，通过DSC测试评价了相变沥青的潜热性能，验证PCM在沥青基体中的相变行为是否得以保留。接着，通过自建的温度调控性能测试装置（将沥青样品置于控温环境箱中，使用传感器监测中心温度变化），量化分析了相变沥青在升温（20-70°C）和降温（-20-20°C）过程中的温度变化曲线及升/降温速率。这一方法模拟了沥青在实际温度变化下的响应，能直观反映PCM的温控效果。最后，利用动态剪切流变仪（DSR），系统地研究了六种相变沥青的流变与力学性能。这包括：通过频率扫描构建复数模量主曲线，分析PCM对沥青粘弹性的影响；通过温度扫描获取车辙因子（G*/sinδ），评价其高温抗车辙能力；通过Glover-Rowe（G-R）参数，评价其中温抗疲劳性能；通过弯曲梁流变仪（BBR）测试获取蠕变劲度模量（S）和蠕变速率（m），评价其低温抗裂性能。此阶段的研究对象是六种相变沥青及其对应的基质沥青对照样，每种样品进行相应的流变学测试。
第三，基于前期结果，研究确定了目标PCM并优化其掺量。综合温控性能和对沥青性能的影响，筛选出综合表现最优的3#（高温纳米微胶囊）和6#（低温纳米微胶囊）两种PCM作为开发双相变温控材料的原料。随后，针对这两种材料，以1%、3%、5%三种掺量制备相变沥青，进一步研究掺量对温控效果（升/降温速率）和沥青关键力学性能指标（复数模量、车辙因子、劲度模量）的影响差异。通过计算“影响差异值D”（即掺加PCM前后性能指标差值的绝对值），评估了掺量增大的副作用。在确定合理掺量范围为1%-3%后，引入了试验设计中的星点设计-响应面优化法这一新颖的数据分析工作流程。该方法将3#和6# PCM的掺量作为两个自变量因子，构建了包含5个水平的中心复合设计（CCD）实验矩阵。选取复数模量影响差异、车辙因子影响差异、劲度模量影响差异、升温速率和降温速率这五个指标作为评价体系，通过“归一化”方法处理数据，并计算几何平均值得到综合评价值（OD）。利用SPSS软件对OD值与两个因子进行非线性回归分析，建立数学模型，从而求解出使综合性能最优（OD值最大）的最佳掺量组合。
第四，研究验证了最佳配方下双相变沥青混合料的性能。根据响应面优化结果，确定3#和6# PCM的最佳掺量均为1.3%。以此配方制备相变沥青，并进一步拌和成SMA-13型沥青混合料试件（马歇尔试件、车辙板试件、小梁试件）。通过类似沥青温控测试的方法，将装有温度传感器的双相变沥青混合料试件与普通沥青混合料试件一同放入环境箱，测试其在升降温循环（20-70°C和-20-20°C）下的内部温度变化，定量评估混合料层面的温控性能。同时，通过浸水马歇尔试验评价其水稳定性，通过高温车辙试验评价其动态稳定性和抗车辙能力，通过低温弯曲试验评价其最大弯拉应变和抗低温开裂能力。这些测试严格遵循规范要求，确保了数据的可比性和可靠性。
本研究取得了一系列明确且相互支撑的结果。在PCM基础表征方面，DSC结果显示六种材料均具有明显的吸/放热峰和较高的相变焓值，表明其具备良好的储热能力。TGA显示高温PCM热稳定性普遍优异（质量损失%），而低温PCM中6#材料的热稳定性相对最好（最终残重60.9%）。FTIR光谱表明所有PCM与沥青混合后未产生新的特征吸收峰，证明了良好的化学相容性，这是PCM在沥青中发挥作用而不引发不良反应的基础。
在相变沥青性能评价结果中，潜热性能测试（DSC）显示，在5%掺量下，仅1#、3#和6#相变沥青表现出明显的吸热或放热峰，说明其他几种PCM在沥青中可能未能有效发挥相变功能。这一结果直接引导了后续对有效PCM的聚焦。温控性能测试数据更为关键：在高温段，1#和3#相变沥青的升温速率（分别为0.448和0.466 °C/min）和降温速率均低于基质沥青（0.501和0.356 °C/min）；在低温段，6#相变沥青的升降温速率（0.270和0.222 °C/min）显著低于基质沥青（0.302和0.261 °C/min）。这确凿证明了1#、3#（高温）和6#（低温）PCM能够有效延缓沥青的温度变化速率。流变性能结果显示，3#和6# PCM对基质沥青的复数模量和车辙因子影响最小，同时对低温劲度模量和蠕变速率的影响也相对较弱，意味着它们在提供温控功能的同时，对沥青原有力学性能的负面影响最小。这些结果逻辑清晰地导向了选择3#和6#作为双相变材料核心的决策。
掺量优化分析结果进一步精细化。研究发现，随着3#和6#掺量从1%增至5%，相变沥青的温控效果（升/降温速率降低）愈加明显，但同时对沥青力学性能指标的“影响差异值D”也显著增大，尤其是在掺量从3%增至5%时增幅明显。这表明存在一个平衡点，即掺量并非越高越好。响应面优化最终计算出当3#和6#掺量均为1.3%时，综合评价值OD最大（0.6696），从而科学确定了最佳掺量。这一结果为实际工程应用提供了精确的配方指导。
最终的双相变沥青混合料验证结果令人鼓舞。温控性能方面，与普通沥青混合料相比，添加1.3%双相变材料后，在高温条件下（20-70°C）混合料的升温速率降低了4.8%，降温速率降低了6.8%；在低温条件下（-20-20°C）升温速率降低了6.9%，降温速率降低了10.2%。这定量证实了双相变材料在混合料尺度上依然具备显著的双向温控能力。路用性能方面，双相变沥青混合料的动态稳定性达到7778次/mm，比普通混合料（6085次/mm）提高了27.8%；最大弯拉应变达到3528 µε，比普通混合料（3515 µε）提高了0.37%；浸水残留稳定性也提高了22.06%，且所有指标均满足规范要求。这表明，双相变材料的加入不仅没有损害混合料的基本性能，反而在一定程度上提升了其高温抗车辙、低温抗开裂及水稳定性能。
本研究得出的结论具有重要的科学与应用价值。首先，研究成功开发并验证了一种由纳米微胶囊型高温（3#）和低温（6#）相变材料复合而成的双相变温控材料，其最佳掺量为各1.3%。其次，该材料能够有效延缓沥青混合料在高、低温环境下的温度变化速率，为解决夏季车辙和冬季低温开裂/结冰等病害提供了新的主动调控思路，具有明确的工程应用前景。第三，研究证实，在最佳掺量下，双相变材料的引入不仅能实现温控功能，还能提升沥青混合料的综合路用性能，实现了“功能”与“性能”的协同增强。从科学价值看，本研究建立了一套从材料筛选、性能表征、掺量优化到混合料验证的多尺度系统评价方法，特别是将星点设计-响应面法引入道路相变材料配方优化，为同类研究提供了严谨的方法论参考。研究结果也深化了对纳米微胶囊PCM在沥青中作用机理的理解，即其稳定的纳米壳层既能防止芯材泄漏，又具有良好的导热性，确保了相变过程的有效传递。
本研究的亮点突出体现在以下几个方面：一是研究目标的创新性，率先提出并实现了针对沥青路面高低温双向调控的“双相变”材料体系，突破了单一相变温度的局限。二是研究方法的系统性与先进性，采用了从微观材料表征到宏观混合料性能的全链条、多尺度评价体系，并结合了经典的流变学测试与创新的试验设计优化方法，使得结论科学可靠。三是研究结果的实用性，不仅给出了明确的材料配方和掺量，而且通过混合料试验证明了其路用性能的优越性，为后续的试验路铺筑和工程化应用奠定了坚实基础。此外，研究过程中对六种市售复合PCM的对比评价，也为行业选择相变材料提供了有价值的参考数据。
最后，作者在论文结尾也指出了未来研究方向，包括需进一步研究复合PCM的制备工艺、探索更优的PCM与沥青的拌和方式，以及结合实体试验路对PCM的长期温控效果进行多尺度现场验证。这些建议为该技术的持续发展与完善指明了路径。