沥青胶体结构的多重分形定量界定：多尺度层级中特征维度与结构域解析

本研究针对沥青胶体结构传统表征方法（如定性形态比较和欧氏几何统计）难以捕捉其复杂分形拓扑的局限，开发了基于多重分形分析的定量框架。通过高分辨率形态表征（毫米至纳米尺度）结合二维傅里叶变换分解，首次将沥青胶体结构解析为长波表面轮廓、中波胶体组装体和短波亚胶体特征三个波长特异性区域，并建立局部分形维度频率分布与结构信息临界阈值（≥75%）的关联。该研究为通过胶体工程预测沥青性能提供了新范式。

　　

沥青这种石油衍生的胶体粘结剂，在道路工程和防水系统中扮演着关键角色。它的性能奥秘隐藏在由饱和分、芳香分、胶质和沥青质（SARA）构成的复杂胶体结构中。传统上，研究人员通过原子力显微镜（AFM）观察到的"蜂巢结构"（bee-like structure）等特征来理解沥青性能，但这些基于灰度值统计和欧氏几何参数的方法，就像用直尺测量云朵轮廓——根本无法捕捉其本质的分形拓扑特征。更棘手的是，沥青胶体结构具有显著的尺度依赖性：毫米级的表面褶皱、微米级的蜂巢结构、纳米级的分子组装体相互耦合，形成"俄罗斯套娃"般的层级体系。这种多尺度耦合特性使得传统单尺度分析方法往往顾此失彼，严重制约了通过胶体工程优化沥青性能的精准调控。

针对这一挑战，来自中国的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表创新研究。他们采用光学显微镜（OM）、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和AFM进行跨尺度表征，结合二维快速傅里叶变换（2D-FFT）频谱分析和多重分形算法，首次实现了沥青胶体结构的定量化层级解析。研究样本采用符合中国JTG E20-2011标准的60/80针入度沥青，并考察了312天干燥储存对结构的影响。

【材料与样品制备】
采用中国辽河沥青有限公司的60/80沥青，基本性能符合JTG E20-2011标准。样品经过特定干燥储存处理以研究老化效应。

【多重分形特征与多尺度胶体结构界定】
通过OM-CLSM-AFM联用技术发现：毫米尺度呈现宽度～0.3mm的致密褶皱网络；微米尺度AFM显示脊-谷交替结构（高度差～50nm）；纳米尺度揭示<100nm的亚胶体特征。广义多重分形维度分析显示双分形特征，表明存在两个主导尺度机制。

【二维傅里叶变换分解】
创新性地将叠加结构分解为三个特征波长区：1）长波区（λ>10μm）对应表面轮廓；2）中波区（1μm<>

【局部分形维度频率分布】
建立局部盒计数分形维度（D_b
）的频率分布模型，成功识别出特征结构对应的D_b
峰值区间。干燥储存导致D_b
分布展宽，证实老化增加结构异质性。

【结论与讨论】
该研究突破性地建立了包含频谱分解、多重分形异质性分析、胶体特征识别和结构-性能关联的四位一体分析框架。关键发现包括：1）首次通过实验证实沥青胶体存在双分形特征；2）提出的临界维度阈值（75%信息量）可作为胶体结构分类的定量标准；3）长期干燥储存显著增加结构复杂性（分形维度增加15-20%）。这些发现为理解沥青老化机制提供了新视角——胶体结构的尺度耦合特性使其在老化过程中表现出"牵一发而动全身"的级联效应。该方法学突破不仅适用于沥青，也为其他复杂胶体系统（如生物组织、聚合物复合材料）的多尺度分析提供了范式参考。未来研究可结合该框架与机器学习，建立胶体拓扑参数与宏观性能的预测模型，推动"按需设计"型沥青材料的开发。

（注：全文严格依据原文内容展开，所有专业术语如AFM、CLSM、D_b
等均在首次出现时标注解释，并保留原文的大小写和上下标格式。研究机构名称按约定处理，未出现文献引用标识和图示标识。）