《Case Studies in Construction Materials》：Porosity–Grouting–Luminescence Coupling Mechanism and Durability of Semi-Flexible Self-Luminous Pavements
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为应对道路照明能耗高、现有发光路面材料易磨损且路面性能下降的难题，本文研究团队聚焦于半柔性自发光（SFSL）路面开展系统性研究。通过将含有长余辉磷光体（SrAl2O4: Eu2+, Dy3+）的水泥基发光浆料灌注至多孔沥青的连通空隙中，探究了孔隙率、浆料凝结时间与填充效率对发光性能的影响，并结合OpenCV算法进行发光均匀性定量评估。结果表明，当孔隙率为20–22%、浆料凝结时间控制在25分钟内时，可获得最优的发光效率与约20 mm的渗透深度。研究证实SFSL路面在保持优异车辙抗力、抗滑性与水稳定性的同时，具备夜间超过6小时的持久发光能力，并揭示了其在加速加载下的三相性能衰减规律。该研究为平衡路面结构强度、耐久性与节能功能的半柔性自发光路面提供了定量设计指导与理论机制，展示了其在可持续自照明道路应用中的巨大潜力。
每当夜幕降临，城市道路两侧的路灯依次亮起，为行人和车辆照亮前路。然而，这背后是巨大的能源消耗，据统计，道路照明设施的能耗中，有效照明的效率甚至不足30%。在全球倡导节能减排的背景下，如何在保证道路交通安全与可见度的同时，降低对外部能源的依赖，成为了一个亟待解决的现实问题。与此同时，一种名为“长余辉发光材料”的特殊物质进入了研究者的视野，它们能在白天吸收并储存光能，在夜晚持续释放出可见光，且具备亮度高、余辉时间长、耐高温、无放射性污染等优点，已在安全标识、发光陶瓷和涂料等领域得到应用。那么，能否将这种神奇的发光材料“编织”进我们每天行走的路面之中，让道路本身在夜晚发出柔和的光亮呢？
这正是Wentong Wang、Yifan Zhao、Yu Cheng、Shuqian Wang、Wenxiu Jiao和Shiying Yan等研究人员思考的起点。他们构想了一种名为“半柔性自发光（Semi-Flexible Self-Luminous, SFSL）”的路面技术。其核心思路是：首先制备一种具有骨架空隙结构的多孔沥青混合料（Porous Asphalt Concrete, PAC），然后向这些相互连通的空隙中灌注一种掺有长余辉磷光体（具体为SrAl2O4: Eu2+, Dy3+）的水泥基发光浆料。最终形成的路面结构结合了沥青材料的柔性与水泥材料的刚性，并赋予了其自主发光的功能。这种设计有望让路面在白天吸收太阳能，夜晚自行发光，从而部分替代或辅助传统路灯，达到节能的目的。
然而，理想很丰满，现实却充满挑战。以往的发光路面技术，如发光涂层，容易在车轮磨损下剥落，导致发光效果骤减并显著降低抗滑性；而使用聚合物透明沥青作为粘结剂的自发光混合料，则会严重削弱路面的力学性能。此外，一个关键的技术瓶颈在于“光激发深度”：当水泥浆料灌入沥青混合料内部后，外部光源（如日光）只能激发试样表层的发光材料，深层的材料因无法获得有效光激发而“失活”。考虑到发光材料成本较高，过量的灌浆不仅无法增强发光效果，反而会造成浪费。因此，必须深入研究自发光浆料在多孔沥青混合料内部的填充深度、分布状态，并找到能够平衡发光效率、路面结构强度和耐久性的最优设计参数。
为了回答上述问题，研究团队在《Case Studies in Construction Materials》上发表论文，系统阐述了他们的研究工作。他们首先确定了原材料，包括白色波特兰水泥、特定化学组成的发光粉（LP）和反光粉（RP），以及高粘度改性沥青和符合技术指标的粗细集料。在样品制备阶段，他们设计了五种不同孔隙率（16%， 18%， 20%， 22%， 24%）的PAC-13马歇尔试件，并灌入水灰比为0.4、含有25 wt% LP和10 wt% RP的水泥基自发光浆料。灌浆后，试件被纵向切开，以便观察浆料在内部的分布。整个研究采用了多项关键技术方法进行综合评估：一是基于OpenCV计算机视觉算法开发了高精度图像处理软件，用于定量分析纵向切面的发光覆盖面积和均匀性；二是进行了全面的路用性能测试，包括车辙试验（高温稳定性）、低温弯曲试验、浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验（水稳定性），以及摆式摩擦系数（BPN）测试（抗滑性）；三是在真实室外环境下（中国西安）进行了为期一个月的太阳能辐射监测与对应的路面余辉亮度衰减测试，以评估实际光环境下的发光性能；四是利用环道加速加载设备模拟车辆长期碾压，进行了高达40万次的循环加载试验，系统研究了抗滑性能、发光区域面积和余辉亮度随磨损程度的衰减规律，揭示了其性能退化模式。
研究结果部分揭示了以下几个核心发现：
3.1. 灌浆深度
研究表明，试件的孔隙率显著影响水泥基发光浆料的渗透深度。孔隙率为24%和22%时，浆料基本能完全渗透整个试件（深度约63.5 mm）。随着孔隙率降低，渗透深度显著减小：孔隙率20%时，渗透深度约为试件高度的三分之二（42.1 mm）；18%时，降至约三分之一（20.8 mm）。综合发光覆盖率、平均亮度和浆料填充率等指标分析，孔隙率在20%-22%范围内能够实现光透射性、发光覆盖率和填充效率的三方性能均衡，达到最优的发光性能。
3.2. 自发光面积
研究关注了有效发光厚度（20 mm）内，不同凝结时间对浆料填充和发光效果的影响。结果表明，浆料的凝结时间（即可工作的时间窗口）至关重要。当凝结时间控制在25分钟时，浆料能充分填充试件内部空隙；而当时间延长至35分钟时，填充率降至约50%；40分钟时则几乎无法有效填充。因此，为保证不小于20 mm的灌浆深度和最大的发光面积，工程应用中应将水泥基自发光长余辉灌浆材料的工作时间限制在25分钟以内。
3.3. 灌浆体积
实际灌浆质量略低于理论计算值，且随着孔隙率增大，两者差值（从6%到14%）也增大。这表明自上而下的灌浆工艺无法完全填充多孔沥青混合料中所有的连通和半连通空隙，尤其底部的部分空隙可能未被完全填充。研究计算出了不同孔隙率下使内部空隙被完全填满所需的浆料理论用量，为工程实际灌浆量的确定提供了参考值。相关性分析进一步显示，试件的孔隙率、连通孔隙率与发光面积之间存在强相关性（相关系数>0.93），这意味着一旦确定了PAC的孔隙率，即可定量评估发光浆料的灌注量，并基于自发光面积预测发光效果。
3.4. 路用性能
全面的性能测试表明，SFSL路面在关键指标上表现优异：
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高温稳定性：动态稳定性随孔隙率增加而提高，当孔隙率超过20%时，动态稳定性值超过10，000次/mm，表现出极高的抗车辙能力，在孔隙率22%时达到最大值（12，690次/mm）。
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低温稳定性：最大弯拉应变随孔隙率增加而降低，表明低温抗裂性有所下降。这主要是由于刚性水泥石的注入在一定程度上降低了材料的整体柔韧性。
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水稳定性：残留稳定度和冻融劈裂强度比均保持在高水平（分别超过90%和95%），且与孔隙率无显著关系，表明灌浆后试件具有优异的防水性能。
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抗滑性能：灌浆后路面的摆值（BPN）虽较灌浆前有所下降，但仍保持在较高水平，且随着孔隙率增加，BPN值呈上升趋势。考虑到发光效率与路面性能的综合平衡，研究最终选择孔隙率为22%的PAC沥青混合料作为基质材料进行后续深入研究。
3.5. 发光特性
户外实测数据显示，SFSL路面在自然光激发下具备卓越的夜间发光能力。即使在冬季日照较弱的阴天条件下，路面被激发后，其亮度衰减至0.32 mcd/m2的时间仍超过6小时，其光亮在夜晚环境中仍能被肉眼明显感知。研究发现，更高的日间太阳辐射能有效提升路面的夜间初始发光亮度，但其衰减趋势在不同天气条件下保持稳定。初步估算显示，与传统LED路灯系统相比，SFSL路面在冬季条件下有潜力实现约38%的节能。
3.6. 性能退化规律
通过40万次的加速加载模拟磨损，研究揭示了SFSL路面性能随使用时间推移的三相衰减模式：
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抗滑性能衰减：可分为四个阶段：Ⅰ（0-2万次，快速下降期，BPN值急剧降低）、Ⅱ（2万-20万次，稳定下降期，衰减速率减缓）、Ⅲ（20万-30万次，波动期，因表层浆料磨蚀、集料露出导致BPN值短暂小幅回升）、Ⅳ（30万次以上，缓慢下降期，因内部微裂纹产生和集料表面磨光，BPN值持续下降，40万次后可能低于规范最低要求45）。
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污染面积变化：即有效发光面积被污染物（磨耗碎屑等）覆盖的比例变化，可分为三个阶段：Ⅰ（0-2万次，快速增长期）、Ⅱ（2万-20万次，相对稳定期）、Ⅲ（20万-40万次，稳定增长期）。在40万次加载后，污染面积比例可控制在30%以内。
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余辉亮度衰减：也呈现三相衰减：Ⅰ（0-2万次，快速衰减期）、Ⅱ（2万-20万次，平缓变化期）、Ⅲ（20万-40万次，稳定衰减期）。经过40万次加载，夜间余辉亮度较未加载状态下降了41.4%。
结论与讨论部分对全文进行了总结，并强调了其重要意义。 本研究成功开发并系统评估了以多孔沥青混合料为基体、水泥基自发光灌浆材料为核心的半柔性自发光（SFSL）路面。研究明确了保证有效灌浆效果的关键参数：水泥基自发光灌浆材料的应用需在25分钟内完成，且PAC的孔隙率不应低于20%。由于工艺限制，实际灌浆体积略低于理论值。在路用性能方面，SFSL路面表现全面，其高温抗变形能力、抗滑性及水稳定性均满足要求，且高温性能和抗滑性随孔隙率增加而改善，唯低温抗裂性有所下降，这提示在实际工程中需根据气候分区进行针对性设计。最为突出的是其发光性能，在自然光环境下激发后，夜间持久发光时间超过6小时，具备显著的节能应用潜力。通过加速加载试验揭示的三相性能衰减规律，为预测SFSL路面在长期使用过程中的功能演化提供了重要依据。该研究不仅从机理上阐明了孔隙率、灌浆与发光三者之间的耦合关系，更重要的是为平衡结构强度、耐久性与自发光节能功能的半柔性路面提供了可量化的设计指导。所提出的SFSL路面系统，为开发可持续、智能化的自照明道路材料开辟了新途径，展示了其在未来绿色交通基础设施中的广阔应用前景。
