本次研究由多位学者合作完成，主要作者包括马峰（Feng Ma）、庞猛（Meng Pang）、傅震（Zhen Fu）、姜新叶（Xinye Jiang）、安强（Qiang An）、侯英杰（Yingjie Hou）、董文豪（Wenhao Dong）、Jenny Liu 和戴家晟（Jiasheng Dai）。他们分别来自长安大学公路学院（School of Highway, Chang’an University）、长安大学材料科学与工程学院（School of Material Science and Engineering, Chang’an University）、美国密苏里科技大学（Missouri University of Science and Technology）以及广西大学土木建筑工程学院（School of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University）。此项研究成果以题为“Flaked paraffin wax-based thermally enhanced composite phase change materials: Toward a highly efficient thermally responsive temperature-regulating asphalt pavement”的学术论文形式，于2026年2月24日在线发表于《Construction and Building Materials》期刊第517卷，文章编号145729。

此项研究属于土木工程材料与道路工程交叉领域，具体聚焦于沥青路面材料改性及温度调控技术。研究的出发点是解决沥青路面在夏季高温下因吸收太阳辐射导致路面温度升高，进而引发车辙、老化等病害，同时加剧城市热岛效应的突出问题。当前常用的降温路面技术，如使用热致变色骨料、彩色沥青或反射涂层等，虽然具有一定效果，但往往伴随着机械性能下降或耐久性不足等问题。相变材料（Phase Change Materials, PCMs）因其高潜热容量，能够在相变过程中吸收或释放大量热量，为调控沥青路面温度提供了新的思路。其中，片状石蜡（Flaked Paraffin Wax, FPW）因其高潜热焓、化学惰性和热稳定性被视为理想的相变基质。然而，单一FPW存在相变温度调节困难、潜热不足以及在实际应用中易泄漏等问题。复合相变材料（Composite Phase Change Materials, CPCMS）和微胶囊封装技术（Microencapsulation）是解决这些问题的潜在途径。尽管已有研究探索了多孔材料吸附和微胶囊化技术，但对于不同封装结构与高导热载体之间的协同调控机制，特别是在沥青体系中如何平衡高潜热存储、高导热性和可接受的路用性能，尚缺乏系统研究。基于此，本研究旨在以相变温度控制与增强导热性的协同机制为基础，选用FPW及其微胶囊（FPW-MPCM, FM）作为相变芯材，结合膨胀石墨（Expanded Graphite, EG）的高导热性和吸附特性，构建两种复合相变材料体系，并系统研究其对沥青及沥青混合料性能的影响，最终为设计高效热响应的温控沥青路面提供新的技术途径和理论依据。本研究的具体目标包括：确定不同PCMs掺量下改性沥青的高低温性能等级（PG分级）；评估复合PCMs对沥青混合料热物理性能和路用性能的综合影响；通过温控性能实验评价其温度调控效果；并通过相关性分析阐明复合材料体系热学性能与力学性能之间的内在联系。

详细的研究工作流程包含多个紧密衔接的环节，涉及材料制备、性能表征、混合料测试和数据分析。首先，研究团队进行了复合相变材料的制备。为了防止FPW在沥青混合料中泄漏，采用原位聚合法制备了微胶囊化FPW（FM）。具体过程包括：以三聚氰胺（M）、尿素（U）和甲醛（F）合成MUF预聚体作为壁材；将FPW芯材与乳化剂、水混合，经高速剪切形成水包油（o/w）乳液；在酸性条件下将预聚体缓慢加入芯材乳液，恒温反应形成具有核壳结构的微胶囊，经洗涤、过滤、真空干燥得到FM粉末。为了进一步提升导热性，研究者通过两种方式引入了EG：一是将EG作为吸附载体，制备EG吸附的FPW相变微胶囊（FPW-MPCM-EG, FME）；二是将EG作为芯材的一部分，制备FPW/EG石墨相变微胶囊（FPW/EG-MPCM, F/EM）。通过高温（140°C，5小时）滤纸泄漏测试验证了MUF壳层的完整性，FM、FME和F/EM的泄漏率（LR）分别为1.80%、1.40%和1.30%，表明其具有良好的封装屏障性能。

其次，基于前期研究基础，研究者以上述四种PCMs（FPW, FM, FME, F/EM）作为改性剂，按3%、6%、9%和12%（质量百分比）的掺量制备了相变改性沥青（Phase Change Materials Modified Asphalt, PCMA）及相应的沥青混合料（Phase Change Materials Modified Asphalt Mixtures, PCAM）。沥青采用90#基质沥青（BA），集料采用玄武岩，矿物填料为石灰石粉，混合料采用AC-13级配，油石比为4.8%。

第三阶段是性能测试与表征，这是本研究的核心部分，分为多个子步骤： 1. PCMA的性能等级（PG）评定： * 高温性能：通过动态剪切流变仪（DSR）进行温度扫描试验，获取不同温度下沥青的复数模量（G）和相位角（δ），以车辙因子（G/sinδ）作为评价指标。根据Superpave规范，确定满足G*/sinδ ≥ 1.0 kPa的温度作为沥青的高温PG等级。 * 低温性能：采用弯曲梁流变仪（Bending Beam Rheometer, BBR）在-12°C和-18°C下测试沥青的蠕变劲度（S）和蠕变速率（m值）。根据规范（S < 300 MPa，m > 0.3）评定其低温PG等级。 2. PCAM的热物理性能测试：采用DRE-2C快速导热系数测试仪（湘潭仪器有限公司），通过瞬态平面热源法测量了不同掺量下PCAM试样的导热系数（λ）、热扩散系数（α）和比热容（c）。测试条件为：功率720 mW，持续时间320秒，环境温度20°C。 3. PCAM的路用性能验证：基于PG分级和热物理性能测试结果，选定6%掺量作为性能平衡点，对PCAM进行全面的路用性能测试。 * 高温稳定性：采用车辙试验，在60°C、0.7 MPa轮压下测试标准车辙试件（300mm×300mm×50mm）的动态稳定度（DS）。 * 低温抗裂性：进行低温弯曲试验，测量试件的最大弯拉应变（ε）和弯曲劲度模量（S）。 * 水稳定性：通过浸水马歇尔试验，计算浸水残留稳定度（MS0）；通过冻融劈裂试验，计算冻融劈裂强度比（TSR）。 4. PCAM的温控性能评价：设计了室内模拟实验来评估PCMs的温度调控效果。选取基质沥青混合料（BAM）和四种6%掺量的PCAM试样（F6, FM6, FME6, F/EM6）制备车辙试件。在试件中心区域钻取测温孔，布置“3上2下”的温度传感器。将试件置于环境箱中，模拟从环境温度升温至65°C再自然冷却的过程，记录其升温和降温曲线。同时，使用红外热像仪在实验的不同时间点（0、30、90、240分钟）扫描试件表面的温度分布。 5. 数据分析与关联性研究：在获得上述各项性能数据后，研究者采用皮尔逊（Pearson）相关性分析方法，系统探讨了PCAM的热物理性能参数（λ, α, c）与其力学/耐久性能参数（DS，弯拉应变，弯曲劲度模量，浸水残留稳定度，TSR）以及沥青低温性能参数（m/s值）之间的内在联系，以揭示复合材料体系中性能之间的协同与权衡关系。

研究取得了系统且富有启发性的结果。首先，在PCMA的PG分级方面，结果表明：单纯添加FPW会显著降低沥青的高温性能等级（从PG 64降至PG 58或更低），并在掺量超过6%时损害其低温性能。而微胶囊化（FM）及与EG复合（FME, F/EM）有效缓解了PCMs对沥青结构的扰动。在6%掺量下，所有PCMA体系均能保持PG 64-28的等级，并具有相对较高的m/s值，表明其在高低温性能之间取得了最佳平衡。掺量过低则潜热调控不足，过高则导致粘弹性和低温等级同时下降。

其次，关于PCAM的热物理性能，研究发现：EG的加入显著增强了体系的导热和扩散能力。所有PCMs的掺入都提高了沥青混合料的导热系数（λ）和热扩散系数（α），但降低了比热容（c）。在12%掺量下，F/EM的导热系数比基质沥青混合料（BAM）提高了49.83%，FME提高了45.10%。热扩散系数的变化趋势类似，含EG的体系提升更为显著。比热容的降低意味着材料对温度变化的响应更快，这在一定程度上有助于PCMs发挥更显著的温控作用，但也可能增加材料在剧烈温度波动下的热应力风险。

第三，在PCAM的路用性能方面，6%掺量的测试显示：FPW的加入轻微降低了混合料的高温抗车辙能力（F6的DS比BAM降低5.23%），但MUF壳层封装和EG的复合有效改善了这一点。相对于F6，FME6和F/EM6的DS分别提高了9.8%和9.3%。在低温性能上，FPW和FM的加入略微提高了弯拉应变，但微胶囊和EG的引入增加了沥青的脆性，导致弯曲劲度模量下降（FME6和F/EM6分别比BAM降低11.14%和12.36%），不过仍满足规范要求。水稳定性方面，所有PCMs的加入都对沥青与集料的粘附性产生了不利影响，导致浸水残留稳定度下降，其中含EG的体系下降更为明显，甚至可能低于规范要求；冻融劈裂强度比（TSR）也有所降低，但仍能满足不低于80%的标准。

第四，温控性能实验的结果清晰地展示了PCMs的调控效果。在加热过程中，PCAM试样的温度始终低于BAM。在260分钟时，F6、FM6、FME6和F/EM6试样的温度分别比BAM低4.1°C、3.0°C、2.8°C和3.2°C。含EG的体系在升温初期更快，但通过增强导热性，延迟了达到峰值温度的时间并降低了峰值温度。在冷却阶段，PCAM试样在40°C以下因PCMs凝固放热而减缓了降温速率。红外热成像显示，含EG的体系（FME6, F/EM6）表面温度分布更均匀，边缘温度峰值更小，这有利于提高路面高温稳定性。

最后，皮尔逊相关性分析揭示了性能之间内在的耦合与权衡关系。分析结果表明，热物理性能参数（λ, α, c, m/s值）彼此间呈强正相关，构成一个性能簇；而力学与耐久性能参数（弯曲劲度模量、弯拉应变、TSR、DS、浸水残留稳定度）构成另一个强正相关的性能簇。然而，两个簇之间的参数普遍呈现显著的负相关性。例如，导热系数（λ）与弯曲劲度模量的相关系数为-0.866，热扩散系数（α）与浸水残留稳定度的相关系数高达-0.933。这说明在复合材料体系中，热学性能的改善（如提高导热性）往往以牺牲部分力学稳定性和耐久性为代价，这源于导热填料的加入在构建传热通路的同时，可能破坏了基质的连续相并削弱了界面粘结。

基于以上结果，研究得出了明确的结论： 1. 对于PCMA改性体系，6%的PCMs掺量实现了高低温性能的最佳平衡。 2. 与EG协同显著增强了PCAM的热传导和扩散能力，有效延迟了升温、降低了峰值温度并使表面温度场更均匀。 3. 虽然FPW会削弱混合料的高温抗车辙性，但经MUF壳层封装并与EG复合后，此性能得到改善。然而，这些改性对低温抗裂性和水稳定性产生了不利影响，不过仍能满足规范要求。 4. 相关性分析表明，高导热性的实现常以机械完整性为代价。机理上，EG构建的导热通路和复合骨架提高了λ和α，但过高的掺量会破坏基质连续性并促进微裂纹扩展。因此，在材料设计中应优先考虑适度的导热增强和界面优化，以抑制热-机械负耦合。

本研究的科学价值与应用意义重大。在科学层面，它系统阐释了不同封装结构（微胶囊化）与高导热载体（EG）在沥青相变复合材料中的协同作用与权衡机制，通过多尺度性能测试（沥青、混合料）和皮尔逊相关性分析，深刻揭示了此类多功能材料体系中热学性能与力学性能之间的内在矛盾，为后续的材料设计提供了理论依据和优化方向。在应用层面，研究证实了基于FPW的热增强复合PCMs能够有效提高沥青混合料的导热性，为设计具有高效热响应能力的温控沥青路面提供了重要的技术指导和实践参考，有助于缓解沥青路面高温病害并减弱城市热岛效应。

本研究的亮点突出：首先，研究构思新颖，系统性地比较了FPW直接添加、微胶囊化、以及两种EG复合方式（作为吸附载体和作为芯材）共四种PCMs体系，并探究了其在不同掺量下的综合性能，研究框架完整。其次，研究方法全面，涵盖了从材料制备、沥青流变性能、混合料路用性能、热物理性能到实际温控效果的全链条评价，并创新性地引入了室内温控模拟实验和红外热成像技术来直观展示温度调控效果。第三，数据分析深入，不仅报告了各项性能指标，还通过皮尔逊相关性分析深入挖掘了各性能参数之间的内在联系，揭示了热-机械性能的权衡规律，提升了研究的理论深度。第四，研究结论明确且具有指导性，不仅确定了最佳掺量，还指出了材料优化应关注界面和耐久性（特别是水稳定性）的未来方向。

此外，文中还提及了一些有价值的细节，例如，所制备的MUF壳层具有优异的机械性能（硬度达1.43 GPa），确保了微胶囊在沥青混合料制备和服役过程中的完整性。研究也指出，PCMs的温控效益取决于路面温度进入其熔融区间（52-54°C）的频率和时长，因此该材料体系在夏季炎热、太阳辐射强的地区预期效果最佳，这为工程选材和应用提供了重要依据。