《Case Studies in Construction Materials》：Porosity–Grouting–Luminescence Coupling Mechanism and Durability of Semi-Flexible Self-Luminous Pavements
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為應對道路照明能耗高、現有發光路面材料易磨損且路面性能下降的難題，本文研究團隊聚焦于半柔性自發光（SFSL）路面開展系統性研究。通過將含有長余輝磷光體（SrAl2O4: Eu2+, Dy3+）的水泥基發光漿料灌注至多孔瀝青的連通空隙中，探究了孔隙率、漿料凝結時間與填充效率對發光性能的影響，并結合OpenCV算法進行發光均勻性定量評估。結果表明，當孔隙率為20–22%、漿料凝結時間控制在25分鐘內時，可獲得最優的發光效率與約20 mm的滲透深度。研究證實SFSL路面在保持優異車轍抗力、抗滑性與水穩定性的同時，具備夜間超過6小時的持久發光能力，并揭示了其在加速加載下的三相性能衰減規律。該研究為平衡路面結構強度、耐久性與節能功能的半柔性自發光路面提供了定量設計指導與理論機制，展示了其在可持續自照明道路應用中的巨大潛力。
每當夜幕降臨，城市道路兩側的路燈依次亮起，為行人和車輛照亮前路。然而，這背后是巨大的能源消耗，據統計，道路照明設施的能耗中，有效照明的效率甚至不足30%。在全球倡導節能減排的背景下，如何在保證道路交通安全與可見度的同時，降低對外部能源的依賴，成為了一個亟待解決的現實問題。與此同時，一種名為“長余輝發光材料”的特殊物質進入了研究者的視野，它們能在白天吸收并儲存光能，在夜晚持續釋放出可見光，且具備亮度高、余輝時間長、耐高溫、無放射性污染等優點，已在安全標識、發光陶瓷和涂料等領域得到應用。那么，能否將這種神奇的發光材料“編織”進我們每天行走的路面之中，讓道路本身在夜晚發出柔和的光亮呢？
這正是Wentong Wang、Yifan Zhao、Yu Cheng、Shuqian Wang、Wenxiu Jiao和Shiying Yan等研究人員思考的起點。他們構想了一種名為“半柔性自發光（Semi-Flexible Self-Luminous, SFSL）”的路面技術。其核心思路是：首先制備一種具有骨架空隙結構的多孔瀝青混合料（Porous Asphalt Concrete, PAC），然后向這些相互連通的空隙中灌注一種摻有長余輝磷光體（具體為SrAl2O4: Eu2+, Dy3+）的水泥基發光漿料。最終形成的路面結構結合了瀝青材料的柔性與水泥材料的剛性，并賦予了其自主發光的功能。這種設計有望讓路面在白天吸收太陽能，夜晚自行發光，從而部分替代或輔助傳統路燈，達到節能的目的。
然而，理想很豐滿，現實卻充滿挑戰。以往的發光路面技術，如發光涂層，容易在車輪磨損下剝落，導致發光效果驟減并顯著降低抗滑性；而使用聚合物透明瀝青作為粘結劑的自發光混合料，則會嚴重削弱路面的力學性能。此外，一個關鍵的技術瓶頸在于“光激發深度”：當水泥漿料灌入瀝青混合料內部后，外部光源（如日光）只能激發試樣表層的發光材料，深層的材料因無法獲得有效光激發而“失活”�？紤]到發光材料成本較高，過量的灌漿不僅無法增強發光效果，反而會造成浪費。因此，必須深入研究自發光漿料在多孔瀝青混合料內部的填充深度、分布狀態，并找到能夠平衡發光效率、路面結構強度和耐久性的最優設計參數。
為了回答上述問題，研究團隊在《Case Studies in Construction Materials》上發表論文，系統闡述了他們的研究工作。他們首先確定了原材料，包括白色波特蘭水泥、特定化學組成的發光粉（LP）和反光粉（RP），以及高粘度改性瀝青和符合技術指標的粗細集料。在樣品制備階段，他們設計了五種不同孔隙率（16%， 18%， 20%， 22%， 24%）的PAC-13馬歇爾試件，并灌入水灰比為0.4、含有25 wt% LP和10 wt% RP的水泥基自發光漿料。灌漿后，試件被縱向切開，以便觀察漿料在內部的分布。整個研究采用了多項關鍵技術方法進行綜合評估：一是基于OpenCV計算機視覺算法開發了高精度圖像處理軟件，用于定量分析縱向切面的發光覆蓋面積和均勻性；二是進行了全面的路用性能測試，包括車轍試驗（高溫穩定性）、低溫彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗（水穩定性），以及擺式摩擦系數（BPN）測試（抗滑性）；三是在真實室外環境下（中國西安）進行了為期一個月的太陽能輻射監測與對應的路面余輝亮度衰減測試，以評估實際光環境下的發光性能；四是利用環道加速加載設備模擬車輛長期碾壓，進行了高達40萬次的循環加載試驗，系統研究了抗滑性能、發光區域面積和余輝亮度隨磨損程度的衰減規律，揭示了其性能退化模式。
研究結果部分揭示了以下幾個核心發現：
3.1. 灌漿深度
研究表明，試件的孔隙率顯著影響水泥基發光漿料的滲透深度�？紫堵蕿�24%和22%時，漿料基本能完全滲透整個試件（深度約63.5 mm）。隨著孔隙率降低，滲透深度顯著減�。嚎紫堵�20%時，滲透深度約為試件高度的三分之二（42.1 mm）；18%時，降至約三分之一（20.8 mm）。綜合發光覆蓋率、平均亮度和漿料填充率等指標分析，孔隙率在20%-22%范圍內能夠實現光透射性、發光覆蓋率和填充效率的三方性能均衡，達到最優的發光性能。
3.2. 自發光面積
研究關注了有效發光厚度（20 mm）內，不同凝結時間對漿料填充和發光效果的影響。結果表明，漿料的凝結時間（即可工作的時間窗口）至關重要。當凝結時間控制在25分鐘時，漿料能充分填充試件內部空隙；而當時間延長至35分鐘時，填充率降至約50%；40分鐘時則幾乎無法有效填充。因此，為保證不小于20 mm的灌漿深度和最大的發光面積，工程應用中應將水泥基自發光長余輝灌漿材料的工作時間限制在25分鐘以內。
3.3. 灌漿體積
實際灌漿質量略低于理論計算值，且隨著孔隙率增大，兩者差值（從6%到14%）也增大。這表明自上而下的灌漿工藝無法完全填充多孔瀝青混合料中所有的連通和半連通空隙，尤其底部的部分空隙可能未被完全填充。研究計算出了不同孔隙率下使內部空隙被完全填滿所需的漿料理論用量，為工程實際灌漿量的確定提供了參考值。相關性分析進一步顯示，試件的孔隙率、連通孔隙率與發光面積之間存在強相關性（相關系數>0.93），這意味著一旦確定了PAC的孔隙率，即可定量評估發光漿料的灌注量，并基于自發光面積預測發光效果。
3.4. 路用性能
全面的性能測試表明，SFSL路面在關鍵指標上表現優異：
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高溫穩定性：動態穩定性隨孔隙率增加而提高，當孔隙率超過20%時，動態穩定性值超過10，000次/mm，表現出極高的抗車轍能力，在孔隙率22%時達到最大值（12，690次/mm）。
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低溫穩定性：最大彎拉應變隨孔隙率增加而降低，表明低溫抗裂性有所下降。這主要是由于剛性水泥石的注入在一定程度上降低了材料的整體柔韌性。
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水穩定性：殘留穩定度和凍融劈裂強度比均保持在高水平（分別超過90%和95%），且與孔隙率無顯著關系，表明灌漿后試件具有優異的防水性能。
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抗滑性能：灌漿后路面的擺值（BPN）雖較灌漿前有所下降，但仍保持在較高水平，且隨著孔隙率增加，BPN值呈上升趨勢�？紤]到發光效率與路面性能的綜合平衡，研究最終選擇孔隙率為22%的PAC瀝青混合料作為基質材料進行后續深入研究。
3.5. 發光特性
戶外實測數據顯示，SFSL路面在自然光激發下具備卓越的夜間發光能力。即使在冬季日照較弱的陰天條件下，路面被激發后，其亮度衰減至0.32 mcd/m2的時間仍超過6小時，其光亮在夜晚環境中仍能被肉眼明顯感知。研究發現，更高的日間太陽輻射能有效提升路面的夜間初始發光亮度，但其衰減趨勢在不同天氣條件下保持穩定。初步估算顯示，與傳統LED路燈系統相比，SFSL路面在冬季條件下有潛力實現約38%的節能。
3.6. 性能退化規律
通過40萬次的加速加載模擬磨損，研究揭示了SFSL路面性能隨使用時間推移的三相衰減模式：
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抗滑性能衰減：可分為四個階段：Ⅰ（0-2萬次，快速下降期，BPN值急劇降低）、Ⅱ（2萬-20萬次，穩定下降期，衰減速率減緩）、Ⅲ（20萬-30萬次，波動期，因表層漿料磨蝕、集料露出導致BPN值短暫小幅回升）、Ⅳ（30萬次以上，緩慢下降期，因內部微裂紋產生和集料表面磨光，BPN值持續下降，40萬次后可能低于規范最低要求45）。
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污染面積變化：即有效發光面積被污染物（磨耗碎屑等）覆蓋的比例變化，可分為三個階段：Ⅰ（0-2萬次，快速增長期）、Ⅱ（2萬-20萬次，相對穩定期）、Ⅲ（20萬-40萬次，穩定增長期）。在40萬次加載后，污染面積比例可控制在30%以內。
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余輝亮度衰減：也呈現三相衰減：Ⅰ（0-2萬次，快速衰減期）、Ⅱ（2萬-20萬次，平緩變化期）、Ⅲ（20萬-40萬次，穩定衰減期）。經過40萬次加載，夜間余輝亮度較未加載狀態下降了41.4%。
結論與討論部分對全文進行了總結，并強調了其重要意義。 本研究成功開發并系統評估了以多孔瀝青混合料為基體、水泥基自發光灌漿材料為核心的半柔性自發光（SFSL）路面。研究明確了保證有效灌漿效果的關鍵參數：水泥基自發光灌漿材料的應用需在25分鐘內完成，且PAC的孔隙率不應低于20%。由于工藝限制，實際灌漿體積略低于理論值。在路用性能方面，SFSL路面表現全面，其高溫抗變形能力、抗滑性及水穩定性均滿足要求，且高溫性能和抗滑性隨孔隙率增加而改善，唯低溫抗裂性有所下降，這提示在實際工程中需根據氣候分區進行針對性設計。最為突出的是其發光性能，在自然光環境下激發后，夜間持久發光時間超過6小時，具備顯著的節能應用潛力。通過加速加載試驗揭示的三相性能衰減規律，為預測SFSL路面在長期使用過程中的功能演化提供了重要依據。該研究不僅從機理上闡明了孔隙率、灌漿與發光三者之間的耦合關系，更重要的是為平衡結構強度、耐久性與自發光節能功能的半柔性路面提供了可量化的設計指導。所提出的SFSL路面系統，為開發可持續、智能化的自照明道路材料開辟了新途徑，展示了其在未來綠色交通基礎設施中的廣闊應用前景。
