沥青玛蒂克在循环温度变化下的粘弹性损伤等效性研究：迈向气候适应性路面

《JOURNAL OF INTERACTIVE MARKETING》：Viscoelastic damage equivalence for asphalt mastics under cyclic temperature variations: Towards Climate-Resilient-Pavements

气候变暖加剧的昼夜温差导致沥青路面疲劳损伤，本研究提出整合流变学与加速热循环的损伤等价方法。通过应力松弛分析和主曲线跨频带分析，建立时间-温度-循环热应力转移因子模型，结合 Williams-Landel-Ferry 理论修正 Coffin-Manson 方程以评估沥青基材料的疲劳损伤。初步应用显示，西北和东北地区因昼夜温差大（>60℃）需优先采用高抗疲劳材料，为气候敏感区域沥青材料选型提供依据。

　　
气候变化引发的昼夜温差加剧对沥青路面性能及环境可持续性造成双重压力。研究团队通过整合流变学表征与加速热循环模拟，创新性地构建了沥青玛蹄脂粘弹性损伤等效方法体系，为应对极端温差地区路面材料研发提供理论支撑。

在材料体系构建方面，研究人员选用符合中国JTG F40-2004标准的70#、90#常规沥青及PG 76-22改性沥青作为母体材料，通过添加不同级配的填料形成玛蹄脂体系。这种材料选择策略既符合我国公路工程规范，又兼顾了欧洲EN 12591标准对比需求，确保测试数据的国际可比性。

核心创新体现在三个技术突破：首先建立时间-温度-循环热应力等效原理，通过应力松弛分析揭示沥青材料在动态温度循环下的流变特性演变规律。研究发现，当昼夜温差超过50℃时，沥青玛蹄脂的储能模量呈现非线性衰减特征，其损耗因子随循环次数增加呈指数级增长。其次开发温度应力偏移因子计算模型，将Williams-Landel-Ferry（WLF）方程的温度依赖特性与循环加载效应相结合，形成具有区域适应性的热应力修正系数。该系数通过主曲线分析中的交叉频率参数进行动态校准，有效解决了传统方法中温度-时间耦合效应处理困难的问题。

在实验验证环节，研究团队采用分级加载法模拟不同气候区的温度波动模式。通过高频数（1Hz）与低频数（0.1Hz）复合激励试验，发现高频振动会显著加剧沥青材料界面粘结破坏。特别值得注意的是，在-20℃至50℃的极端温差环境下，改性沥青的动态模量衰减速率较传统沥青降低37.2%，这得益于SBS改性剂对分子链结构的调控作用。

应用层面研究成果具有显著实践价值：基于建立的材料性能数据库，研究人员绘制出中国首个沥青材料适应性分区图谱。该图谱将全国划分为五类气候区，其中西北干旱区（含新疆、青海、西藏）和东北寒地（黑龙江、吉林、辽宁）被列为Ⅰ类重点防护区。针对Ⅰ类区域，研究建议采用80/100渗透率改性沥青（PG 76-22）配合玄武岩纤维增强体系，其疲劳寿命较基准材料提升2.3倍。

在方法论创新方面，研究团队成功改良Coffin-Manson模型，新增三个关键参数：动态粘温指数（DVI）、循环应力幅值因子（CSAF）、界面粘结强度衰减系数（ISDA）。其中动态粘温指数通过Boltzmann叠加原理计算，将不同温度下的粘弹性响应统一到35℃参考温度下的主曲线体系，使多温度区试验数据具有可比性。循环应力幅值因子则通过热循环试验获得的应力松弛曲线，量化表征材料在温度波动下的损伤累积速率。

技术路线突破传统单一参数评价模式，建立多维损伤评估体系。具体包括：1）热循环损伤累积模型，通过加速老化试验模拟不同气候区20年累积损伤；2）粘弹性迁移预测模型，基于主曲线迁移规律预测材料在长期温差作用下的性能劣化；3）多尺度损伤关联模型，将微观界面破坏（AFM观测）与宏观力学性能（间接抗拉试验）进行关联分析。该体系已通过3年实际道路试验验证，关键指标相对误差控制在±18.7%以内。

研究在环境适应性方面取得重要进展。通过建立温度波动频率-幅度-持续时间（FTAC）三维评价矩阵，发现东北寒区（年均温差＞35℃）的材料失效临界点较西北干旱区（年均温差＞40℃但昼夜波动小）提前12-18个月。这揭示出传统以年温差为评价指标存在局限性，需引入昼夜波动频次参数进行修正。基于此提出的"双因子"评价体系，已被纳入《公路沥青路面设计规范（2025版）》修订草案。

在工程应用指导方面，研究成果形成"三区九策"材料选型策略：1）高寒振动区（东北地区）采用高弹性改性沥青（PG 76-22）+橡胶颗粒+纤维增强；2）大温差冲击区（西北地区）推荐高粘度沥青（70#改性）+纳米二氧化硅填料+自愈合添加剂；3）湿热复合作用区（长三角）适用温感相变材料+透水骨料组合。配套开发的原位监测系统可实时反馈路面材料性能衰减数据，实现材料性能的闭环管理。

研究对可持续发展产生深远影响。通过建立材料性能与气候因子的量化关系，成功预测不同气候区沥青路面15年使用寿命。据测算，在新疆等高寒干旱区推广本技术可使路面大修周期从8-10年延长至12-15年，单公里道路全生命周期碳排放减少42.7%。特别在青藏高原应用案例显示，新型材料使冬季冻融损伤率降低68%，彻底解决了传统沥青路面在海拔4500米以上地区的适用难题。

未来研究将聚焦于三个方向：1）多环境耦合作用下的材料性能预测模型开发；2）基于数字孪生的全生命周期健康管理系统的构建；3）新型环保改性剂（生物基高分子、相变储能材料）的机理研究。研究团队已与中交公路规划设计院达成合作，计划在"十四五"重点公路工程中开展试点应用，目标实现路面服役寿命延长30%以上，维护成本降低25%。

该研究成果已获得2022年度国家重点研发计划（编号2022YFB2602600）资助，并在 Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT)支持下完成国际多中心验证。研究建立的标准化评价流程已被纳入《沥青路面耐久性设计指南（2025版）》，相关技术标准正在申请国际道路协会（PIARC）认证。