在微波照射下，含有纳米碳化硅（Nano-SiC）控释微胶囊的沥青粘合剂的自修复行为

《Journal of Cleaner Production》：Self-healing behavior of asphalt binder with Nano-SiC controlled-release microcapsules under microwave irradiation

纳米SiC控释微胶囊协同微波辐照显著提升沥青自修复性能，通过DSR测试和响应面法优化参数，结合荧光显微镜、红外光谱和分子动力学模拟揭示微胶囊破裂释放再生剂及沥青分子重排机制。

　　

王思琪|季晓萍|李传|孙云龙|侯友琴|陈叶|董丽媛

长安大学公路学院，中国陕西省西安市710064

摘要

含有再生剂的控释微胶囊因能够提升沥青粘合剂的自修复性能而受到广泛关注。本研究探讨了在微波辐射下含有纳米SiC控释微胶囊的沥青的自修复行为。通过动态剪切流变仪（DSR）进行疲劳-修复-疲劳测试来评估其自修复性能，并采用响应面方法确定影响因素的最佳组合。此外，基于两阶段修复动力学建立了自修复行为的预测模型。最后，通过荧光显微镜（FM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和分子动力学（MD）模拟相结合的方法阐明了自修复机制。结果表明，添加控释微胶囊显著提高了沥青粘合剂在微波辐射下的修复效率。优化微波参数和微胶囊含量进一步增强了修复效果。显微观察显示，控释微胶囊在短期微波辐射下能有效填充微裂纹。模拟结果显示，添加了再生剂的沥青模型具有更低的溶解参数和更高的均方位移（MSD）。这种差异随温度升高而更加明显，表明自修复性能的提升源于微波加热与再生剂扩散的协同效应。本研究从多个尺度上阐明了控释微胶囊的自修复行为，为其在沥青路面中的实际应用提供了理论基础，有助于提高路面的耐久性和可持续性。

引言

由于具有优异的行驶舒适性和表面平整度，沥青路面已成为最广泛使用的路面结构形式（Fakhri等人，2020年）。然而，沥青粘合剂的性能在服役过程中会逐渐退化（Shi等人，2022年）。这种退化通常归因于反复的交通荷载和环境因素的影响，从而导致微裂纹的产生（Zhou等人，2025年；Fang等人，2025年）。如果不进行干预，微裂纹会逐渐扩展，最终导致严重的结构损坏，如宏观裂纹和坑洞（Xu等人，2018年；Du和Li，2024年；Ji等人，2026年）。因此，定期维护对于确保其长期性能至关重要（Wang等人，2022a）。研究表明，大约77%的沥青道路在服役10至12年后需要大修（Wang等人，2021年）。然而，传统的手动修复方法（如铣刨、挖掘等）会对沥青路面结构造成二次损伤。此外，维护过程中还会产生许多负面影响，如不可再生资源（如沥青粘合剂和骨料）的消耗、温室气体排放以及建筑废物的产生（Wang等人，2020年）。这些缺点与绿色交通和低碳发展的原则相悖。尽管投入了大量维护资源，但沥青路面的使用寿命仍然难以根本延长，其典型使用寿命通常只有8至15年（Wang等人，2022a）。因此，迫切需要清洁高效的修复技术来实现沥青路面的可持续发展（Fakhri等人，2023年）。

近年来，由于低碳和可持续性的优势，自修复材料在各个领域受到了关注。这一设计概念逐渐被引入到道路工程中（Christopher等人，2020年；Kalyan等人，2022年）。Garcia等人（2010年）提出了一种微胶囊技术，将沥青再生剂封装在核壳结构中。一旦均匀分散在沥青混合物中，微胶囊可以自主且定向地修复受损部分。相关研究证实，微胶囊提高了老化沥青粘合剂的自修复性能（Sun等人，2015年；Delgadillo等人，2025年；Shi等人，2018年）。

随着微胶囊技术的发展，对性能的要求变得更加严格，推动了具有材料改性壳层的微胶囊的研发。例如，将纳米SiO₂掺入尿素-甲醛（UF）壳层中可以显著改变壳层的形态和粗糙度，同时提高热稳定性（Ebrahimnezhad-Khaljiri等人，2020年）。关于含有纳米SiO₂/UF复合壳层的环氧微胶囊的研究进一步为纳米复合壳层的设计和性能优化提供了支持（Ebrahimnezhad-Khaljiri等人，2023年）。此外，具有聚（尿素-甲醛）（PUF）/纳米ZrO₂复合壳层和亚麻籽油作为核心的微胶囊被证明具有双重功能，即自修复和自润滑（Hasan等人，2025年）。传统的裂纹尖端应力触发微胶囊方法存在两个主要限制：（i）由于释放过程完全是被动性的，扩散速度较慢；（ii）在低温下扩散进一步受阻，因此修复速率无法跟上裂纹扩展的速度。受具有纳米复合改性壳层的微胶囊的启发，研究人员开发了控释微胶囊技术。这种方法将响应刺激的成分纳入胶囊壳层，使其在内部信号（如pH值和温度）和外部刺激（如微波辐射、光和超声波）的作用下按需激活（Wang等人，2021a；Lu等人，2021年）。在此基础上，进一步开发了添加Fe₃O₄纳米颗粒和石墨烯等组分的微胶囊，以增强响应性和性能（Xiao等人，2025年；Zhang等人，2022年）。在现有材料中，碳化硅（SiC）因其优异的稳定性和成本效益而特别受到关注。在我们之前的工作中，开发了稳定性得到提升的SiC改性控释微胶囊（Wang等人，2025年）。

对含有微胶囊的沥青粘合剂自修复性能的科学评估对于将其应用于工程实践至关重要。目前的评估方法主要依赖于动态剪切流变仪（DSR）测试、线性幅度扫描（LAS）测试和弯曲梁流变仪（BBR）测量（Shi等人，2022年；Zhang等人，2024年）。其中，使用动态剪切流变仪（DSR）进行的疲劳-修复-疲劳测试是最常用的方法，因为它能有效模拟沥青路面在服役过程中所经历的间歇性荷载（Chen等人，2019年）。然而，仅靠宏观测试不足以捕捉沥青化学成分和微观结构的复杂变化。因此，结合微观表征技术（如荧光显微镜（FM）、扫描电子显微镜（SEM）和工业计算机断层扫描（CT）对于阐明自修复机制至关重要（Sun等人，2018年）。Ji等人（2023年）利用FM观察了再生剂的释放和流动过程以及随后的微裂纹修复过程。Su等人（2017年）使用X射线计算机断层扫描（XCT）和FM证明，微胶囊可以被沥青粘合剂中的微裂纹破裂，从而通过毛细力释放再生剂。随着该领域的不断进步，数值模拟已成为探究沥青粘合剂自修复行为的有效方法。在现有技术中，分子动力学（MD）模拟已成为主要的微观尺度方法，因为它可以直接捕捉再生剂扩散和沥青分子重排等关键过程。Tian等人（2021年）利用MD模拟阐明了不同再生剂对沥青组分扩散速率的影响。Bao等人（2022年）利用MD模拟研究了芳香族和长链再生剂对老化沥青的影响。

目前关于控释微胶囊的研究主要集中在它们的制备和性能评估上，对其自修复行为和机制的关注相对较少。因此，本研究通过结合实验测试、微观表征和数值模拟的综合方法，探讨了含有控释微胶囊的沥青粘合剂的自修复行为和机制。利用疲劳-修复-疲劳测试定量评估了关键因素对含有控释微胶囊的沥青自修复性能的影响。采用响应面方法（RSM）确定了含有控释微胶囊的沥青粘合剂的关键影响因素的最佳水平。此外，基于两阶段修复动力学模型建立了含有控释微胶囊的沥青粘合剂自修复行为的预测模型。通过荧光显微镜（FM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和分子动力学（MD）模拟相结合的方法，研究了在微波加热下含有控释微胶囊的沥青的自修复机制。

章节片段

微胶囊

在本研究中，通过原位聚合制备了微胶囊，使用纳米SiC作为功能改性剂。微胶囊制备所用的原材料列于表1中，其详细性质在我们的先前研究中已有介绍（Wang等人，2025年）。如图1所示，合成过程包括三个关键步骤：（1）改性剂的乳化，（2）壳层改性，（3）微胶囊的形成。作为对照，还使用了传统微胶囊。

微胶囊化沥青粘合剂的基本性质

根据JTGE20-2011标准，测量了含有不同含量控释微胶囊的沥青粘合剂的针入度、延展性和软化点（Li等人，2022年）。如图6所示，微胶囊化沥青粘合剂的针入度随着微胶囊含量的增加而增加，而延展性降低，软化点升高。值得注意的是，所有改性的沥青粘合剂样品均符合JTG规定的性能要求。

总结与结论

本研究探讨了在微波辐射下含有控释微胶囊的沥青粘合剂的自修复行为。通过疲劳-修复-疲劳测试定量评估了微胶囊化沥青粘合剂的自修复性能。采用响应面方法确定了影响自修复性能的关键因素的最佳组合。建立了描述微胶囊改性沥青自修复性能的预测模型。

研究的局限性和未来方向

本研究的主要局限性在于纳米SiC控释微胶囊在沥青路面应用中的可扩展性。首先，由于这些材料属于微米级，制备纳米SiC控释微胶囊所需的精度成为广泛应用的障碍。因此，未来的研究应优先考虑优化大规模生产、降低成本并提高实际应用的可行性。此外，还需要研究其长期稳定性等问题。

CRediT作者贡献声明

王思琪：撰写初稿、正式分析、数据整理。季晓萍：概念构思、方法设计、项目管理、监督、审稿与编辑、正式分析。李传：资金筹集、调查与正式分析。孙云龙：项目管理、方法设计。侯友琴：资金筹集、调查。陈叶：方法设计、调查、正式分析。董丽媛：正式分析。

资助

本工作得到了青海省自然科学基金项目（项目编号：2023-ZJ-776）、国家自然科学基金（项目编号：52478434）、陕西省自然科学基金项目（项目编号：2024JC-YBMS-435）以及中央高校基本科研业务费（项目编号：300102214909）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。