《Results in Engineering》：Investigating the performance of bitumen containing hydrogel microcapsules with industrial waste oil core
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本文推荐一项关于自愈合沥青材料的研究。为解决沥青路面疲劳开裂问题，研究人员开发了以工业废油为芯材、水凝胶为壳材的微胶囊，并系统研究了其在沥青中的性能。结果表明，添加4 wt%微胶囊的沥青复合材料在FTIR分析中表现出最高的自愈合效率（HEIC=O=0.55），MSCR测试显示其应变恢复率R(0.1kPa)提升至6.91%，ITS测试证实老化后愈合指数达22.9%，显著优于未改性沥青。该研究为低成本、高性能自愈合沥青的开发提供了新策略。
沥青路面作为全球应用最广泛的铺面材料之一，在长期使用过程中面临着严峻的挑战。随着时间推移，沥青材料会逐渐硬化，松弛能力下降，导致脆性增加，进而产生微裂纹，最终在集料与沥青粘结料界面处形成宏观开裂。其中，疲劳开裂是严重影响路面耐久性的主要问题之一。理解沥青材料在分子水平上的自愈合能力与疲劳寿命之间的关系，对于延长路面使用寿命、促进预防性养护至关重要。
近年来，自愈合技术作为一种潜在的解决方案，为改善沥青路面寿命带来了新的希望。其中，使用 encapsulated 再生剂（微胶囊）的方法显示出巨大的应用前景。当微裂纹扩展时，会遇到嵌入的微胶囊，导致其破裂并释放出再生剂。这些再生剂通过毛细作用填充裂纹，同时恢复因老化而改变的沥青化学组成。然而，以往研究中所用微胶囊的合成成本高昂，且其对自愈合性能的改善效果有限，往往导致其在实际工程中的应用在经济上不可行。此外，先前的研究多集中于微胶囊对自愈合的益处，而其对沥青机械和物理性能的潜在负面影响尚未得到全面研究。
正是在此背景下，发表在《Results in Engineering》上的这项研究，开发了一种以工业废油为芯材、新型水凝胶为壳材的微胶囊。该研究旨在填补现有研究空白，同时考察掺入微胶囊的广泛效果，包括其对自愈合性能、沥青力学和物理性能以及热稳定性的影响。
为开展本研究，研究人员主要采用了扫描电子显微镜（SEM）观察微胶囊形貌和分散性；傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析化学结构变化并计算愈合效率指数（HEI）；热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）评估热行为；拉伸试验评估力学性能；多重应力蠕变恢复（MSCR）测试流变性能；以及间接抗拉强度（ITS）测试评估沥青混合料的自愈合行为。
4.1. 扫描电子显微镜 (SEM)
SEM分析表明，合成的水凝胶微胶囊呈球形，粒径分布均匀，范围在25至44 μm之间。混合后，微胶囊在沥青基质中分散均匀，无明显团聚，并保持了其原始形貌和结构完整性，表明其能承受高温高剪切混合过程。热致开裂后的SEM图像显示部分微胶囊发生变形，表明其破裂并释放了再生剂。
4.2. 傅里叶变换红外光谱 (FTIR)
FTIR分析显示，掺入微胶囊增强了沥青的自愈合性能。在2、3、4和5 wt%的微胶囊添加量中，含有4 wt%微胶囊的样品对羰基（C=O）的愈合效率指数（HEI）最高，达到0.55，表明其具有最佳的自愈合性能。
4.3. 热重分析 (TGA)
TGA结果表明，掺入4 wt%微胶囊（被确定为自愈合性能和机械性能的最佳含量）不会降低沥青在180°C以下的热稳定性，甚至略微提高了主要降解的起始温度，表明改性沥青与沥青生产过程热相容。
4.4. 差示扫描量热法 (DSC)
DSC分析表明，掺入4 wt%微胶囊并未改变沥青的主要热转变，表明其结构与沥青相容。转变焓（ΔH）的轻微增加也表明在沥青加工温度范围内的热性能保持不变。
4.5. 拉伸试验
拉伸试验结果显示，含有5 wt%微胶囊的复合材料断裂能最高，但表现出脆性断裂。而含有3 wt%和4 wt%微胶囊的复合材料在延性和断裂能之间取得了更好的平衡。其中4 wt%的复合材料在峰值载荷处具有最大的延伸量，并在达到最大载荷后吸收了更大比例的总断裂能，表明其具有更渐进和延性的破坏行为。
4.6. 多重应力蠕变恢复 (MSCR)
MSCR测试结果表明，添加4%微胶囊显著改善了应变恢复（R）和抗永久变形能力（Jnr），特别是在低应力条件下，表明改性沥青的弹性恢复能力增强。
4.7. 密度
尽管沥青和微胶囊之间存在轻微的密度差异，但通过优化混合条件（包括在165°C下混合，初始1000 rpm预混合10分钟，随后高速混合40分钟），可以确保微胶囊的稳定性和在粘结料中的均匀分布。
4.8. 物理试验
物理性能测试表明，除了延度和针入度值因添加4 wt%微胶囊而发生显著变化外，其他参数如软化点和粘度，在基础沥青和含4 wt%微胶囊的沥青之间没有产生显著差异。
4.9. 间接抗拉强度 (ITS)
间接抗拉强度（ITS）测试结果揭示，掺入4%微胶囊显著改善了沥青混合料的损伤-愈合行为。虽然未老化时，含与不含微胶囊的混合料初始性能几乎相同，但老化后，含4%微胶囊的混合料承载能力高出20%。此外，在自愈合期后，微胶囊改性混合料的愈合指数是未改性混合料的1.5倍。
4.10. 成本分析和大规模微胶囊生产的经济性
经济性分析表明，本研究提出的水凝胶微胶囊的生产成本（约1.52 USD/kg）比常用的海藻酸钙微胶囊（约3.16 USD/kg）低约52%。按每吨沥青混合料添加2公斤微胶囊（对应沥青质量的4%）计算，增加的成本约为3 USD/吨，仅占每吨铺路总成本的约5%。考虑到其延长使用寿命、减少开裂和降低维护成本等益处，这具有充分的经济合理性。
综上所述，本研究成功开发并系统评估了以工业废油为芯材的水凝胶微胶囊改性沥青。研究确定4 wt%为微胶囊的最佳掺量，该复合材料在自愈合效率、力学性能（强度与延性的平衡）和流变性能（抗车辙能力）方面均表现出显著改善，同时保持了良好的热稳定性。经济分析表明该微胶囊具有成本效益。这项研究为开发低成本、高性能的自愈合沥青材料提供了有力的实验依据和理论支持，对延长沥青路面寿命、促进道路工程的可持续发展具有重要意义。未来的研究可进一步关注微胶囊尺寸优化以改善延性，以及在更广泛气候条件和荷载下的长期性能验证。
