本研究的主要作者为韦坤、王亚川和马彪，分别来自中国长安大学交通铺面材料教育部重点实验室和天津市市政工程设计研究院。该研究发表于renewable energy期刊的2019年第132卷。

这项研究属于道路工程与建筑材料领域，具体聚焦于沥青路面材料的改性技术。其学术背景在于，沥青路面在服役过程中会受到交通荷载和环境温度应力的综合作用，容易出现高温车辙、低温开裂和疲劳开裂等病害。这些病害与沥青材料本身的粘弹性行为密切相关：高温下沥青刚度降低易导致车辙，而低温下沥青粘度过高则易引发开裂。传统上，通过添加各类改性剂（如纳米材料、合成聚合物等）来改善沥青性能是一种常见方法。近年来，利用相变材料（Phase Change Materials, PCMs）作为新型沥青改性剂因其独特的储热/释热能力（在相变温度附近吸收或释放大量潜热）而受到关注，它能够调节路面温度，缓解温度极端变化带来的负面影响。然而，直接将PCMs掺入沥青可能导致其在相变过程中泄漏，影响长期性能。因此，研究者们将目光投向微胶囊化相变材料（Microencapsulated PCMs, Micro-PCMs），其核心PCM被聚合物或无机外壳包裹，可以有效防止泄漏并控制相变时的体积变化。本研究的目的是评价掺加微胶囊化相变材料对沥青结合料物理性能、储存稳定性以及温度调节性能的影响。

研究的详细工作流程包括以下几个主要步骤：

第一步：微胶囊化相变材料（Micro-PCMs）的制备与表征。 研究采用原位聚合法制备了以三聚氰胺-甲醛（Melamine-Formaldehyde, MF）树脂为外壳、正十四烷（n-Tetradecane）为核心相的微胶囊。制备过程具体为：首先，将三聚氰胺与甲醛在水溶液中混合，调节pH至9.0，在60°C下搅拌60分钟形成预聚体溶液。然后，将正十四烷、乳化剂Tween 40和蒸馏水在50°C、5000转/分钟的转速下乳化45分钟，形成均匀稳定的乳液，并用乙酸调节乳液pH至4。接着，将预聚体溶液滴加到乳液中，在60°C、400转/分钟的转速下继续反应100分钟。反应结束后，对产物进行过滤、乙醇洗涤，并在60°C真空烘箱中干燥24小时，最终得到粉末状微胶囊。对制备的Micro-PCMs进行了系统的表征：使用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析其化学结构，验证MF树脂外壳是否成功包覆了正十四烷核心，并对180°C热老化30分钟后的样品也进行了FT-IR分析以评估其高温稳定性；使用扫描电子显微镜（SEM）观察微胶囊的表面形貌、粒径以及破碎后的核壳结构；使用差示扫描量热法（DSC）测试其相变温度和相变焓，以评估其热性能；使用热重分析（TGA）评估其热稳定性。

第二步：Micro-PCMs改性沥青的制备。 选用90#道路石油沥青作为基质沥青。将基质沥青和制备好的Micro-PCMs分别加热至150°C并保温30分钟。然后将基质沥青倒入烧瓶，在低速搅拌下缓慢加入Micro-PCMs。预混合后，将混合物再次加热至160°C，并在4000转/分钟的转速下高速剪切搅拌约45分钟，以确保均匀分散。最终制备了Micro-PCMs掺量分别为1 wt%（P100）、3 wt%（P300）和5 wt%（P500）的改性沥青样品。

第三步：改性沥青的性能测试。 对改性沥青进行了三方面的测试。首先，根据中国标准JTG E20-2011，测试了改性沥青的常规物理性能，包括25°C针入度、软化点和10°C延度。其次，评估了改性沥青的储存稳定性：将样品置于163°C的铝管中静置48小时后，测量管顶部和底部样品的软化点差值。最后，也是本研究的关键，设计并进行了温度调节性能测试。该测试采用了一套双保温桶系统（如图3所示）和实时数据采集系统。具体步骤为：将沥青样品装入圆柱形金属模具（Φ101mm × 87mm），模具中心预埋温度传感器；然后将模具整体浸入装有95°C热水的保温桶中，并用保温材料覆盖以减少热损失；通过数据采集系统持续记录水和沥青试样的温度变化，直至两者温度相同。基于测试得到的温度-时间曲线，研究者进一步通过热平衡方程（公式2：水的比热容×水的质量×水温变化值 = 沥青比热容×沥青质量×沥青温度变化值）计算了改性沥青在降温过程中的比热容随温度的变化关系。

研究取得的主要结果如下：

关于Micro-PCMs的表征结果： FT-IR光谱证实，制备的微胶囊同时出现了MF树脂外壳和正十四烷核心的特征峰，表明成功实现了微胶囊化。热老化后的样品特征峰强度未明显减弱，说明在高温下正十四烷从微胶囊中泄漏的概率较低。SEM图像显示，所制备的Micro-PCMs呈规则球形、表面光滑，粒径在100-200微米之间，破碎后的图像清晰显示了核壳结构，外壳厚度约为1.6微米。DSC测试表明，微胶囊的熔融温度为4.5°C，结晶温度为0.7°C（纯正十四烷分别为5.2°C和2.2°C），存在轻微过冷现象。其熔融焓为100.3 J/g，根据公式计算其封装率约为39 wt%。TGA分析显示，微胶囊的分解分为三步：约80°C开始失水和小分子释放；约235°C开始，正十四烷逐渐蒸发；约397°C时，MF树脂外壳分解。这表明MF外壳能保护正十四烷在低于235°C时不易逃逸，满足沥青混合料拌和与铺设的温度要求。

关于改性沥青物理性能和储存稳定性的结果： 随着Micro-PCMs掺量的增加，改性沥青的25°C针入度和10°C延度仅有轻微增加（例如，掺量5%时，延度仅增加约10%），软化点则轻微下降（从52.8°C降至51.9°C）。这些变化幅度很小，表明Micro-PCMs的添加对沥青的常规物理性能影响不大。SEM观察也证实，即使经过高速剪切，大多数微胶囊在沥青中仍保持完整，且与沥青粘结良好、分散均匀，没有出现团聚。然而，储存稳定性测试结果显示，随着Micro-PCMs掺量增加，铝管顶部与底部样品的软化点差值增大。当掺量达到5 wt%时，该差值达到6.9°C，超过了常规聚合物改性沥青的允许范围（通常要求≤2.5°C），表明过高的Micro-PCMs掺量会对改性沥青的储存稳定性产生不利影响。研究者推测，在制备过程中可能有少量微胶囊因外力而破裂，导致了性能的微小变化和轻微的软化。

关于改性沥青温度调节性能的结果： 温度变化曲线显示，当Micro-PCMs掺量超过3 wt%时，沥青试样在4°C至9°C温度区间的升温（实为从高温向室温冷却的过程中的降温速率）速率明显减慢。这是由于在此温度区间，微胶囊内的正十四烷发生固-液相变，吸收了大量热量，从而延缓了沥青整体的降温速度。比热容计算结果的曲线（图12）更清晰地揭示了这一机理：所有沥青试样在-15°C至4°C区间，比热容随温度升高而急剧下降（研究者归因于试样尺寸大、导热性低导致的测量误差）。但在4°C至9°C区间，掺加Micro-PCMs显著提高了沥青的比热容。当掺量超过3 wt%时，比热容在约4°C处开始急剧上升，并在约6°C处达到峰值。P300和P500样品的峰值比热容分别达到1607 J/(kg·°C)和1719 J/(kg·°C)。这一峰值现象正是微胶囊在相变温度区间大量吸热的直接体现，且峰值大小随掺量增加而增大。

基于以上结果，本研究得出的主要结论是：1) 采用原位聚合法可以成功制备以MF树脂为壳、正十四烷为核的Micro-PCMs，其具有高相变潜热和良好的热稳定性，可用于沥青路面。2) 添加Micro-PCMs对沥青的常规物理性能影响不显著，但过高的掺量（如5 wt%）会损害改性沥青的储存稳定性。3) 当Micro-PCMs掺量超过3 wt%时，改性沥青在相变温度区间（4-9°C）表现出明显的温度缓冲效应，其降温速率减慢，比热容出现峰值，且峰值随掺量增加而增大。这表明Micro-PCMs改性沥青具有作为路面温度调节材料的潜力。

本研究的价值体现在：在科学价值层面，系统揭示了Micro-PCMs改性沥青的制备-结构-性能关系，特别是通过比热容曲线峰值直观证实了微胶囊在沥青体系中发挥了相变储热功能，深化了对相变材料在粘弹性基体中热调节机理的理解。在应用价值层面，为开发智能调温沥青路面提供了一种可行的材料改性思路，通过减缓路面温度的剧烈波动，有望从材料层面缓解沥青路面的温度病害，提升路面耐久性和舒适性。

本研究的亮点在于：首先，研究对象具有新颖性，将微胶囊化相变材料作为沥青改性剂进行系统性研究在当时文献中报道较少。其次，研究方法上，不仅进行了常规性能测试，还自主设计了基于双保温桶系统的温度调节性能测试装置，并通过热平衡原理推算出比热容变化，巧妙而直观地揭示了改性沥青的热缓冲机制，这是该研究在方法论上的一个特色。最后，研究结论明确指出了Micro-PCMs发挥有效温度调节作用的临界掺量（>3 wt%）以及高掺量对储存稳定性的负面影响，为后续研究和工程应用提供了重要的参数依据。

此外，研究者在结论部分也指出了未来的研究方向：沥青路面最终是由沥青混合料构成的，在沥青结合料与集料拌和过程中，部分微胶囊可能会破裂。因此，未来需要研究Micro-PCMs对沥青混合料路用性能（如高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性等）的影响，这是将其推向实际应用不可或缺的步骤。