《RSC Advances》：Potential and limits of Fe-SMA for asphalt crack self-repair: a critical review on thermal FIT & active reinforcementOpen Access
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多年来，研究表明，由反复交通荷载以及日常或季节性温度循环引起的疲劳开裂，是沥青路面最主导的退化形式。为修复此类裂缝，现有的修复手段——无论是灌缝、补块还是薄层罩面——本质上均属被动式，且使用寿命很少超过一至三年。与此同时，铁–锰–硅（Fe–Mn–S
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多年来，研究表明，由反复交通荷载以及日常或季节性温度循环引起的疲劳开裂，是沥青路面最主导的退化形式。为修复此类裂缝，现有的修复手段——无论是灌缝、补块还是薄层罩面——本质上均属被动式，且使用寿命很少超过一至三年。与此同时，铁–锰–硅（Fe–Mn–Si）形状记忆合金（SMAs）近年来已在土木工程中作为混凝土和桥梁的主动式替代方案得到应用，其在加热时可产生恢复应力（σrec ≈ 200–400 MPa），原则上可从内部闭合裂缝。这一经验启发了将该技术移植至沥青路面的设想。然而，迄今为止，任何关于该行为的定量验证均来自混凝土或钢构件，尚无针对实际沥青混合料的研究。本综述通过将SMA热力学与沥青流变学在三个层面——热相容性、经由黏弹性介质的应力传递以及实际可行性——进行对置比较，考察了已在其他基体中验证的Fe–Mn–Si概念能否合理地移植至路面养护领域；本综述仅使用已发表期刊中的数据，未开展任何新实验。这一批判性分析揭示了三个问题：（1）Fe–Mn–Si的激活需要160–300 °C，而常规沥青在约120 °C以上即发生不可逆退化；即使采用高度局部的焦耳热或感应脉冲，在不到十秒内即可使合金周围1 mm范围内的沥青越过该阈值，因此使用现有合金时该失配实际上不可避免。（2）一旦实现激活，黏弹性松弛会对其产生反作用：起始接近200 MPa的恢复应力在20 °C下可在数天内降至50 MPa以下，而此时周围混合料仍在波动，远早于裂缝两壁真正有机会闭合。（3）即使在恢复应力确实得以保持的情况下，SMA–沥青间的黏结强度也不足以传递该应力。界面剪应力不超过0.5 MPa，这意味着每毫米丝径所需的锚固长度约为150 mm，远超分散纤维通常的10–50 mm。该领域频繁引用的80–90%裂缝闭合率和50–70%疲劳寿命延长数据均来自混凝土研究，无法移植至沥青混合料；在已发表的文献中，不存在任何关于SMA驱动自修复在沥青混合料中得到验证的研究。由此得出三项优先事项：制备最终激活温度Af低于100 °C且σrec高于200 MPa的铁基合金；开发足够快速、可在远短于一秒内激活合金的加热方案；以及对从未被直接测量过的SMA–沥青界面进行专门表征。本文为2030–2032年检查点提出了通过/失败判据。结论是：当前路径尚不可行并非负面结果——其本身即是一项非常有价值的结果。
论文主体内容总结：
1 引言
道路网络是各国持有的最大实体资产之一，其维护成本高昂。沥青混合料覆盖了欧洲超过90%的铺装路面，每年养护费用达数十亿欧元。开裂是最常见且代价最高的路面病害，由交通疲劳、温度循环和沥青老化共同作用而非单一因素导致。当小于100 μm的微裂缝放任不管时，水、除冰盐和碎屑会侵入其中，松动周围集料，产生坑槽并缩短路面剩余寿命。现有的灌缝、薄层罩面、局部补块和土工格栅等手段均存在共同弱点：黏结随时间退化，重交通道路上的使用寿命很少超过一至三年，修复期间交通受阻，且这些方法无法应对裂缝在荷载下的周期性再张开——它们本质上是被动的。与此同时，形状记忆合金（SMAs）作为“智能材料”家族成员，在土木工程中日益受到关注，尤其在克服混凝土和钢结构局限方面。其特性行为基于可逆、无扩散的马氏体相变，可在高温奥氏体相与低温马氏体相之间切换。加热时——无论在超弹性区还是机械变形后——合金趋向恢复原始几何形状；当这种恢复受到约束时，便产生显著的恢复应力。实际中存在两种操作模式：单程形状记忆效应和超弹性。在SMA家族中，铁基Fe–Mn–Si合金因在成本（约为结构钢的2至5倍）、可焊性、耐蚀性和力学性能之间提供了可接受的平衡而脱颖而出。在2–6%预变形下可实现200–400 MPa的恢复应力，最终奥氏体化温度Af通常在120 °C至200 °C之间。该行为在混凝土和钢中的证据基础已相当充分：嵌入的Fe-SMA筋经焦耳热激活可提供200–250 MPa预应力；近表面安装的条带加热后可使裂缝宽度减小80–90%；Fe-SMA箍筋可使抗剪承载力提高50–70%。这些结果激发了将Fe-SMA技术移植至沥青路面以通过主动自修复机械闭合裂缝的设想。但一个显著事实是：仔细阅读文献会发现一个容易被忽略的空白——尚无已发表研究证明SMA辅助自修复在实际沥青混合料中、在交通荷载下的有效性。所有流传的性能数据无一例外来自混凝土或钢，而这些基体与沥青不同。对这两种基体流变特性的批判性分析识别出沥青混合料区别于混凝土的四项特征差异：热敏感性——沥青是黏弹性热塑性材料，在50–80 °C以上失去大部分刚度，超过120 °C开始不可逆氧化硬化，达到160–200 °C时在数分钟内退化；黏弹性蠕变——持续荷载在混合料中产生不可逆变形，SMA为闭合裂缝的收缩可能在被裂缝两壁真正接触前就被基体蠕变吸收；界面黏结——钢–沥青黏结应力峰值约为0.5 MPa，而钢–混凝土为5–15 MPa；环境侵蚀性——路面经历冻融循环、除冰盐、紫外线照射、烃类接触和高剪切，尚无研究考察Fe-SMA在沥青混合料接触下的耐久性。本综述围绕一个核心研究问题展开：Fe–Mn–Si合金的热激活能否在保持沥青胶结料完整性的同时实现沥青材料的裂缝愈合？
2 方法论
2.1 合理性说明
本研究采用批判性叙述综述方法，通过流变学对置检验Fe–Mn–Si SMA技术在沥青混合料中能否在物理和流变层面成立。由于尚无SMA增强沥青混合料在交通荷载下的对照实验发表，本研究未对可比干预研究的结果进行汇总。报告遵循SANRA标准的精神，并针对技术可行性问题进行了调整。
2.2 检索策略
研究检索了Scopus、Web of Science和Google Scholar，并辅以对Construction and Building Materials、Journal of Materials & Design、Journal of Cleaner Production、Smart Materials and Structures、Case Studies in Construction Materials等期刊的选择性检索。并行执行两条检索链：链A针对直接证据，检索词为（'shape memory alloy' OR 'SMA' OR 'Fe–Mn–Si'）AND（'asphalt' OR 'bituminous' OR 'pavement' OR 'road'）；链B针对可移植性主张所依赖的混凝土/钢文献，检索词为（'iron-based SMA' OR 'Fe-SMA'）AND（'concrete' OR 'reinforcement' OR 'crack closure' OR 'prestress'）。覆盖范围为2010至2026年，检索于2026年4月至7月间进行。链A返回记录极少，本身即证实了第1节所述空白；链B返回了规模更大、更成熟的研究体系；这一不对称性本身被作为方法论发现加以报告。研究在稿件最终准备阶段使用了DeepSeek和Claude两种AI辅助语言模型进行语言编辑、翻译润色和文体修饰，所有模型生成的表述均经研究人员批判性审查、修订和验证。
2.3 纳入标准
研究纳入标准严格：保留报告原创、定量、经同行评审数据的研究，涉及以下至少一项：（i）SMA相变温度（Ms、Mf、As、Af）或约束加热下的恢复应力；（ii）SMA对宿主基体（混凝土、砂浆或沥青）的黏结强度或界面剪阻力；（iii）沥青或沥青混合料的温度相关流变响应（刚度、黏度、松弛）；（iv）归因于嵌入或近表面安装SMA元件的裂缝闭合、预应力或疲劳寿命结果。会议论文和未发表学位论文被排除。纯理论或有限元研究被保留但标记为“仅建模”。NiTi和Cu基SMA仅在第3.1节作为比较背景保留，不纳入第4至6节的核心可行性分析。
2.4 纳入研究的批判性评估
由于不存在针对SMA土木工程材料研究的 validated 偏倚风险评估工具，研究对每个引用的定量阈值数值应用了轻量评估网格，检查：（1）是否指明试件尺寸和几何形状；（2）宿主基体是否明确；（3）是否报告测量方法；（4）数值是单次测量还是具有可重复性离散度的范围。未通过标准（2）的数值——即从混凝土或钢推导却用于沥青情境的数值——正是本综述批判的对象，在第4至6节中出现处均被明确标注。
2.5 数据提取与对置框架
对每项纳入研究，收集合金成分、相变温度、恢复应力及其饱和应变、黏结强度或界面剪阻力、宿主基体身份、试验温度、试件尺度及结果等信息。未进行定量汇总、元分析或森林图，因为各研究在合金品质、基体、几何形状和加载方式上差异过大。分析采用明确对置方式：对第1节所述三个评估轴，将冶金学文献中的SMA侧数值直接置于沥青文献中对应的沥青侧约束旁边，在数据允许处量化二者差距。当无法找到特定的沥青–SMA数值时，使用最接近的可用替代值（如钢–沥青黏结应力）并明确标注为替代而非直接测量。这种对置逻辑——而非逐篇总结文章——是本研究的独特之处：分析单位是两个很少相互交流的文献体系之间的物理–流变相容性差距，而非任何单一研究的结论。当以定量形式表达时，所应用的只是已确立的、基于物理的粗略估算关系，将文献中已报告的参数范围代入，检验SMA侧和沥青侧独立发表的数值是否实际一致。本研究未产生任何新测量、试件或数据集；每项数据均追溯至已发表研究，未开展任何实验。
2.6 综述方法局限性
本研究存在以下局限：单评审者流程——所有检索、筛选和评估由单一作者完成，无法验证评分者间信度，选择偏倚不能完全排除；未采用正式PRISMA报告——各筛选阶段的记录数未列表；灰色文献被排除——制造商技术数据表、专利和非同行评审技术报告未检索，可能低估尚未发表的低Af合金专有工作；发表偏倚——Fe-SMA在混凝土/钢中的文献倾向于正面结果，而SMA–基体界面的无效或负面结果更不易发表，若存在此偏倚，则本综述识别的可移植性差距为保守估计。这些局限均不损害本综述的核心结论，该结论基于对SMA和沥青分别独立复现的成熟热学与流变学数据。
3 铁基形状记忆合金（Fe–Mn–Si）选择性背景
3.1 范围与选择理由
形状记忆合金是能在塑性变形后主要通过热触发恢复预先施加几何形状的金属，在某些状态下也可仅由机械荷载触发。该家族涵盖NiTi、铜基体系（Cu–Al–Ni、Cu–Zn–Al）和Fe–Mn–Si。NiTi提供最大可恢复应变（6–8%）和最高恢复应力（可达500 MPa），但成本为钢的10–20倍且难以焊接；铜基合金脆性大、热不稳定且易发生晶间腐蚀。本综述因此仅聚焦Fe–Mn–Si，其在性能、成本（钢的2–5倍）、可焊性和耐蚀性之间提供了最可行的平衡。
3.2 马氏体相变与特征温度
Fe–Mn–Si的相变行为由高温稳定的FCC奥氏体（γ）与低温稳定的HCP马氏体（ε）之间的可逆、无扩散相变控制。四个特征温度描述该循环：Ms和Mf（马氏体开始/结束）以及As和Af（奥氏体开始/结束）。高于Af时，合金完全奥氏体化并产生最大恢复应力。土木工程中常用的Fe-17Mn-5Si-10Cr-5Ni牌号，其Ms接近100–150 °C，Af接近120–200 °C，热滞（Af ? Ms）约为30–60 °C。完全恢复应力需要加热至约165 °C以上，而路面沥青在80–120 °C以上即开始不可逆退化，这一矛盾是任何现场应用的前提条件。
3.3 单程形状记忆效应与恢复应力
单程形状记忆效应分三步发生：在Mf以下预变形（马氏体再取向/去孪晶）；在仍变形状态下集成到结构中；加热超过Af，驱动ε → γ相变，若合金受约束则产生恢复应力。在饱和应变εmax以内，σrec随预应变εpre近似线性增加。Fe–Mn–Si的弹性模量ESMA约为50–70 GPa，典型成分在εmax ≈ 4–6%处饱和，产生200–400 MPa的σrec。沥青混合料的应变范围（0.1–1%）位于该线性区内，恢复理论上可有效，但合金与沥青基体间的应力传递仍是决定因素。
3.4 力学滞回与能量耗散
力学滞回是材料在重复加载下吸收和耗散部分能量的能力。Fe-SMA在超弹性域（T略高于Af）循环加载时，应力–应变曲线围成的面积Wdiss为每循环耗散能量。Fe–Mn–Si的滞回环宽度典型为50–150 MPa，而NiTi为100–300 MPa。目前不存在Fe–Mn–Si嵌入沥青混合料中循环行为的数据，基体蠕变会显著改变荷载传递。
3.5 超弹性：对沥青混合料相关性有限
高于Af时，Fe–Mn–Si可表现超弹性，卸载时无需加热即可完全恢复施加的应变。但批判性分析揭示三个因素使其在路面中基本不可行：（1）混合料必须首先超过Af，这在寒冷气候下无法保证；（2）触发相变所需的临界应力（200–300 MPa）远高于混合料中的典型拉应力（<5 MPa）；（3）基体蠕变无论如何会在纤维尺度掩盖超弹性响应。因此超弹性至多作为次要效应。
3.6 支撑可移植性主张的混凝土/钢证据基础的批判性评估
铁基SMA在土木工程中因其裂缝闭合性能而广受认可。热激活下产生200–250 MPa恢复应力，产生主动收紧裂缝的预应力效应，加热可使裂缝宽度减小80–90%，同时提高抗剪强度50–70%。然而这些结果基本来自混凝土/钢的实验室研究。对这些旗舰数据的批判性检验揭示三个弱点：（1）研究者大多使用相同合金供应商和相同试验方案，例如Empa团队最为突出；（2）80–90%裂缝闭合和50–70%抗剪承载力的数据看起来更像是同一实验传统多次报告的结果，而非无关团队的独立验证；几乎所有数据来自小型试件，在受控温度和有限循环次数下测试，大规模交通条件下的验证仅限于少数试点桥梁；（3）即使对混凝土和钢，超过数年的长期现场数据仍然稀缺。这些局限虽不损害混凝土和钢本身的结果，但表明用于外推至沥青混合料的数据比过度乐观的可移植性主张所暗示的更有限、更局限于实验室环境。
4 Fe–Mn–Si激活与沥青混合料的热相容性
4.1 问题陈述
沥青基体是黏弹性材料，比混凝土更柔顺，能在荷载下耗散能量和变形。将Fe–Mn–Si纳入沥青路面的主要障碍是温度：完全激活恢复应力所需温度介于160–260 °C，而沥青胶结料在约100–120 °C以上即不可逆改性和退化。混凝土和钢对该温度范围有耐受性而无显著损伤，但沥青混合料会渐进且永久退化。
4.2 沥青的热力学行为：主曲线
沥青的黏弹性行为常通过以20 °C为参考的复数模量|G*|主曲线表示。代表性刚度值：?10 °C时为15–25 GPa，呈脆性弹性，存在热开裂风险；20 °C时为5–10 GPa，呈黏弹性，为参考服役条件；60 °C时为0.5–2 GPa，偏软有车辙风险，基体过软无法有效传递SMA应力；100 °C时低于0.1 GPa，呈准液态，SMA在流体介质中收缩，无法传递裂缝闭合力；160–200 °C时黏度小于1 Pa·s，完全流体且不承重，恰为SMA激活范围。SMA激活窗口与完全流态沥青重合，因此无法传递任何应力。
4.3 沥青的热退化：机理与动力学
沥青加热至约80 °C以上时，退化过程缓慢渐进激活，引起分子键断裂并促进氧化。退化速率取决于加热温度、暴露时间和环境空气。退化过程包括：物理软化（80–120 °C，部分可逆）；加速氧化（>100 °C，不可逆），形成羰基和亚砜化合物，模拟研究表明在150 °C暴露数分钟产生的退化程度约相当于数年自然老化；轻组分损失（>120–150 °C，不可逆），芳香油和饱和烃蒸发，胶结料硬化，沥青–集料黏结大幅减弱；VOC/烟气排放（>160 °C），退化完全，挥发性有机化合物逸出；碳化（>200 °C），裂解反应留下气态烃和易碎碳质残渣。另有研究表明，150 °C下短暂局部暴露少于两分钟并配合快速冷却可能可容忍，但200 °C下即使三十秒也会产生不可逆局部损伤。
4.4 焦耳效应与感应局部激活：原理与局限
焦耳加热通过电流直接通过Fe-SMA丝或棒，按单位体积耗散功率，P = j2 × ρ，其中ρ ≈ 70–100 μΩ·cm，施加10–50 V可在几十秒内达到200 °C。感应加热利用磁场产生涡流直接在材料中产热。这些方法快速且具针对性，适合点状修复，但存在能耗高、热梯度难以控制、效率依赖被处理产品导电性等弱点。
4.4.1 独立定量检验：径向热扩散时间
径向热时间指Fe-SMA产生的热量传播至周围沥青所需时间。红外热像结果显示，1 mm Fe-SMA丝在200 °C下可在10秒内使沥青基体温度超过120 °C。利用一维瞬态热传导理论，从薄圆柱源径向扩散的特征时间τdiff遵循傅里叶数关系τdiff ≈ L2/α，其中α为混合料热扩散率，密级配沥青混合料约为3.5 × 10?7至5.0 × 10?7 m2·s?1。对L = 1 mm，理论预测τdiff约为2–3秒，与实验观测的约10秒一致。由于τdiff随L2缩放，将间距加倍至2 mm仅将安全窗口延长至约10–12秒。然而完全有效激活Fe-SMA逆相变需要在Af维持数分钟，这确认了Fe-SMA筋在沥青基体中的布置和间距对均匀高效热激活至关重要。
4.5 可接受热阈值：对沥青混合料的建议
对常规沥青混合料（35/50或50/70级）提出的临时热阈值包括：沥青核心最高温度<100 °C，避免快速挥发损失和严重氧化；100–120 °C暴露时长<30秒，限制扩散和退化动力学；SMA–沥青界面最高温度<150 °C（仅峰值），超过即产生不可逆局部损伤；在此约束下所需σrec>200 MPa（目标值），仅可通过尚不商业化的低Af Fe–Mn–Si实现。批判性分析得出严峻操作结论：现有Fe–Mn–Si合金Af约为120–200 °C，在此温度下激活而不使沥青退化在暴露超过数秒后即不可行。只有Af低于100 °C的合金才能在原则上无妥协地激活，但此类合金尚不商业化。
5 通过Fe-SMA的自修复机制与沥青黏弹性行为的对比
5.1 问题陈述
Fe-SMA的自修复特性基于其形状记忆效应，由热输入激活。文献综述识别出Fe–Mn–Si可通过四种机制对沥青基体的自修复或主动加固做出贡献：主动裂缝闭合、热应力补偿、车辙减轻和疲劳寿命延长。这四种机制已在混凝土和钢中得到验证，但未考虑两种基体间的流变差异。
5.2 沥青混合料的黏弹性
黏弹性是沥青既表现弹性又表现黏性行为的能力。三种性质从根本上改变了与混凝土相比的应力传递图景：蠕变——沥青混合料在持续应力下以延迟且不可逆方式变形，20 °C下1 MPa压力可在数小时内产生0.1–0.5%蠕变应变；应力松弛——在恒定应变下应力指数衰减，20 °C下1 MPa初始应力可在数小时内降至0.2–0.3 MPa；非线性行为——超过约0.1–0.5%应变后，混合料进入非线性区并累积永久变形。任何依赖随时间维持压应力的机制，特别是裂缝闭合和基体内预应力，在蠕变和松弛面前都显得脆弱，这在混凝土中没有真正对应物。
5.3 形状记忆效应主动裂缝闭合
5.3.1 原理与声称性能
形状记忆效应裂缝自修复原理依赖热激活后的收缩，该收缩作为恢复力使裂缝两缘靠近。混凝土实验表明，预变形Fe-SMA元件嵌入混凝土后加热超过Af，产生200–400 MPa的σrec使裂缝两壁靠近，实现80–90%裂缝宽度减小。
5.3.2 对沥青混合料的批判性分析
对沥青基体，技术移植失败可能源于三个障碍：蠕变吸收恢复应力——SMA周围的混合料在σrec下蠕变，部分抵消预期的裂缝闭合，蠕变快速时裂缝可能在加热停止后重新张开；残余应力松弛——沥青的松弛模型表明，200 MPa的初始σrec在20 °C下数天内降至50 MPa以下，尽管尚无真实SMA–混合料对的松弛动力学数据；激活期间基体本质为液态——达到Af（120–200 °C）将周围混合料加热至远超软化点，进入准液态（黏度<1 Pa·s），SMA收缩而不传递显著应力，应力传递仅在冷却后可能，此时收缩已完成且几何形状已固定，净效应几乎为零。松弛可用广义Maxwell表示（Prony级数）形式化：E(t) = ΣiEi × exp(?t/τi)，其中τi为离散松弛时间，Ei为相应部分模量。常规路面沥青35/50或50/70在20 °C下，由DSR频率扫描重构的松弛时间范围约为10?2至104 s。受约束的SMA元件对沥青胶浆从不维持固定恢复应力：周围基体表现为分布式的弹簧和黏壶网络，在施加应变下逐渐卸载。由于胶结料最长松弛时间（103–104 s）已占20 °C下模量衰减的大部分，且集料–胶浆尺度的蠕变在胶结料Prony参数之上叠加了更慢的卸载机制，所报告的σrec在数天内从约200 MPa降至50 MPa以下与已知路面沥青松弛谱一致。批判性分析得出结论：使用现有Fe–Mn–Si（Af > 120 °C），主动裂缝闭合在沥青基体中不是可行机制。
