综述：沥青材料的自修复性能–第一部分：修复机制、影响因素及评估方法

《Journal of Road Engineering》：Self-healing of asphalt materials–Part 1: Mechanisms, influencing factors, and evaluation methods

　　卡洛斯·D.A. 洛雷罗 | 乌戈·M.R.D. 西尔瓦 | 乔尔·R.M. 奥利维拉
葡萄牙米尼奥大学土木工程系可持续性与结构工程创新研究所（ISISE），吉马良斯 4800-058

**摘要**
沥青材料的自修复行为日益被视为延长路面寿命和降低维护成本的有效策略。然而，该领域的研究仍较为分散，缺乏对基本机制和评估方法的统一、系统的综述。本文作为两部分研究的第一部分，旨在整合当前关于沥青材料自修复的认知。文章首先探讨了控制修复现象的理论原理，包括毛细流动和分子扩散，以及粘弹性现象（触变恢复和空间硬化），这些现象若不受控制可能会加剧表面损伤。接着分析了内部因素（如粘合剂化学性质、氧化老化和孔隙含量）和外部因素（如温度、休息时间和交通负荷）对修复潜力的影响。特别关注了多尺度评估方法，从粘合剂层面的流变恢复测试到更高层次下的刚度恢复、抗疲劳性和抗断裂性能评估。此外，还回顾了包括计算机断层扫描和声发射在内的新兴无损检测技术。通过将这些分散的研究成果整合到一个连贯的框架中，本文为第二部分的研究奠定了科学基础，第二部分将探讨先进的自修复策略、实际应用方法以及环境和经济评估。

**1. 引言**
由于工业和技术进步、人口增长以及对更高生活标准的追求，对自然资源的压力显著增加。因此，可持续性已成为各个行业的核心议题，尤其是在资源密集型产业——建筑业中。高能耗、对原始材料的依赖以及大量的温室气体排放促使人们寻求在基础设施设计、管理和维护方面的创新（Eurostat, 2020; Schandl et al., 2016）。
道路基础设施尤为重要，因为它具有重大的环境影响和高维护需求。尽管沥青路面对交通流动和经济发展至关重要，但在环境因素和交通荷载的作用下会逐渐退化，导致开裂、刚度下降，最终可能引发结构失效，从而需要频繁且昂贵的维修（Agzenai et al., 2015; Sun et al., 2018a; Zhang et al., 2025a）。虽然传统的维护策略仍占主导地位，但它们越来越被认为不可持续。因此，最近的研究集中在开发更耐用的材料以及探索自我维护系统，以减少维修的频率和成本（Li et al., 2023a）。
自修复沥青材料（SHAMs）是一种有前景的解决方案。借鉴聚合物科学原理，自修复材料被定义为能够在受损后至少部分恢复其功能特性的材料（Billiet et al., 2013）。沥青是一种复杂的粘弹性材料，自然具有有限的但可测量的自修复能力，尤其是在高温和休息期间。然而，这一潜力在路面设计和维护实践中尚未得到充分利用（Bhasin et al., 2011b）。
在过去二十年里，大量研究致力于理解沥青材料自修复的基本机制。提出了多种理论模型，包括毛细流动、分子扩散、润湿作用、空间硬化和触变恢复（Mewis and Wagner, 2009; Mouillet et al., 2012; Qiu, 2012; Schapery, 1989）。这些机制受到内部因素（如粘合剂化学性质、氧化老化和孔隙含量）和外部因素（如温度、休息时间和交通负荷）的影响（Almutairi and Baaj, 2023; Lyu et al., 2017b; Moura et al., 2022）。
该领域的一个持续挑战是可靠地评估不同尺度下的修复性能。研究人员开发了一系列实验和计算技术，包括粘合剂层面的流变恢复测试（Bhasin et al., 2011a）、混合料层面的疲劳和刚度恢复测试（Mouillet et al., 2012），以及半圆形弯曲（SCB）、间接抗拉强度（IDT）和双点/四点弯曲疲劳测试（Castro and Sánchez, 2006; Loureiro et al., 2023; Ye et al., 2024a）。无损检测方法（如计算机断层扫描和声发射）也被越来越多地用于在受控实验室条件下监测修复过程（García, 2012; Ye et al., 2024b）。尽管取得了进展，但由于实验方案的差异、休息/温度安排和修复指标的不一致性，这些方法的可比性和标准化程度仍有限。
最近的综述总结了自修复沥青材料的快速进展。然而，大多数研究侧重于技术层面，主要关注通过热激活或微波加热实现自修复，以及功能性添加剂或钢基填料的开发（Yan et al., 2025; Zhang et al., 2023）。其他综述则集中于基于胶囊的外部系统或粘合剂和混合料尺度的自修复性能表征，但未明确关联修复机制、影响因素和跨尺度的测试方案（Jwaida et al., 2024; Wan et al., 2023; Xu et al., 2018）。因此，仍需要一个以机制为中心的多尺度框架，将基本的修复模型与内部和外部因素联系起来，并开发适用于从粘合剂到路面尺度的评估方法。
基于此背景，本文（两部分研究的第一部分）对当前关于沥青材料自修复的认知进行了系统的、批判性的综述。文章首先介绍了理论基础和修复机制，然后分析了影响这些机制的最重要内部和外部因素。特别关注了跨尺度性能评估，这是该领域最活跃的研究方向之一。本文（i）通过因素-机制图重新定义了沥青修复过程；（ii）使用机制代码和偏差标志系统化了多尺度评估方法；（iii）提出了报告指南以提高可比性和可重复性。
虽然本文是独立的，但它也为第二部分的研究奠定了科学基础，第二部分将探讨工程增强方法、实际应用策略以及环境和经济性能评估。这两部分综述为研究人员、实践者和决策者提供了统一、最新且科学可靠的参考，有助于弥合文献空白，推动耐用、可持续的沥青路面发展。

**2. 材料自修复现象概述**
材料的自修复行为借鉴了生物系统的自我修复机制（Das et al., 2016）。自修复材料（SHMs）能够在受损或断裂后自主恢复机械性能（Park et al., 2022），从而延长使用寿命并减少生产新材料和更换损坏产品的环境影响（Park et al., 2022）。这一能力日益被视为实现更可持续基础设施解决方案的途径（Ramesh et al., 2020）。

**2.1. 自修复材料**
自修复材料因其无需外部干预即可从损伤中恢复而受到关注（Hager et al., 2010）。它们通常分为两类：一类是外部驱动型，其中微胶囊或血管网络在受损时释放修复剂；另一类是内在驱动型，通过材料本身的特性实现修复（Araby et al., 2025; Duarte-Pe?a and Bucio, 2023; Jadoun, 2023）。应用范围包括恢复结构和屏障性能、提供抗腐蚀性、环境保护和能量储存功能。
材料在其使用寿命期间容易受到机械、热和化学降解的影响，限制了其实际用途。因此，材料科学的发展优先考虑了提高耐用性的创新。自修复材料通过多种修复机制恢复性能，推动了相关研究的快速增长。例如，自2015年以来，基于聚合物的自修复材料研究增加了200%以上（Wen et al., 2021），凸显了其在多个领域的潜力。
自修复材料可以修复微裂纹、磨损损伤、切割甚至电气故障，应用于航空航天、能源、电子和生物医学等领域。本文探讨了用于道路建设的自修复沥青材料的设计标准和修复机制，强调了该领域的进展。根据修复机制的不同，自修复材料可能利用可逆化学反应、微胶囊化或聚合物、金属、混凝土或复合材料中的微血管结构。无论组成如何，这些材料都旨在通过自我诊断损伤和部分自主修复来修复裂纹、防止灾难性失效并延长结构寿命（Azad et al., 2024）。
社会需要能够模拟人体检测故障、防止恶化并迅速自主修复的合成自修复材料。一个著名的类比是人体血管系统，其中必要的资源（如血液和氧气）仅在需要时输送到受损区域（Woodford, 2023）。
结构和沥青混凝土是最广泛使用的建筑材料之一。尽管它们具有诸多优势，但主要缺点是随着时间推移容易开裂，导致微裂纹形成，从而影响建筑和道路结构的稳定性和性能（Liao et al., 2024）。已有大量研究致力于开发自修复结构和沥青混凝土以解决这一问题。
多项研究分析了结构混凝土的自修复机制，这对于理解其修复机制并优化和评估强度恢复至关重要。结构混凝土中的自修复机制可以直接为沥青混凝土的自修复策略提供指导（详见下一小节）。结构混凝土中的自修复通常分为两类：自发的（内在的或刺激的）和工程化的（Liao et al., 2024）。工程化修复涉及向水泥基质中添加特定的化学或生物制剂（Neves et al., 2024; Wang et al., 2023），而自发修复则是由于基质内部发生的化学反应生成修复剂（Huang et al., 2014; Pang et al., 2016; Tomczak and Jakubowski, 2018）。
作者调查了1981年至2024年间在MDPI、Springer Link、ScienceDirect、Web of Science和Scopus上发表的包含“自修复”一词的所有类型的出版物（图1）。结果显示所有来源的论文数量呈明显上升趋势，2000年后增长加速。平均年增长率显示Springer Link领先，其次是ScienceDirect，Scopus和Web of Science在该领域发表的论文数量最多。自2011年以来增长尤为显著。

**2.2. 自修复沥青材料：概念与发展**
尽管道路基础设施通常被认为具有长寿命，但人口增长和需求增加加速了其退化，从而增加了频繁修复、保护和监测的需求。这些维护活动带来较高的经济、环境和功能成本。科学家和工程师正在探索具有较低维护需求的耐用材料，自修复材料成为有前景的解决方案（Schlangen and Sangadji, 2013）。
沥青是一种复杂的粘弹性材料，其自修复能力源于粘合剂微观结构中的分子重排和移动性。根据分子组成，自修复可以通过热诱导或光诱导的可逆反应、可逆键合形成或分子互扩散实现，其中后者在沥青材料中最为常见（Liang et al., 2021）。使用沥青作为自修复材料的主要挑战在于提高这些过程的效率，以延长使用寿命并提升材料性能。
沥青粘合剂由简单的线性烷烃到复杂的芳香族化合物等多种分子组成，可以通过表面润湿和分子扩散修复微裂纹（Liao et al., 2024; Werkovits et al., 2022）。这些过程可以部分恢复强度和抵抗力，但其背后的机制仍不完全清楚。缺乏标准化定义和预测方法凸显了像本文这样的综合性综述的必要性。
尽管沥青路面具有低轮胎噪音、抗滑性能、成本效益、驾驶舒适性和可回收性等优点（Xu et al., 2025），但由于交通负荷和风化作用，它们在几年内仍会结构和功能退化。老化会导致脆性增加，从微裂纹发展为宏观裂纹，最终导致结构失效（Li et al., 2019）。修复严重开裂的路面需要大量时间和资源，同时带来环境影响，因此亟需能够延长使用寿命的新技术（Li et al., 2019）。自修复技术最初在化学领域得到探索，现已成为一种有前景的工程策略，可以在不拆除路面的情况下修复微裂纹并恢复性能（Tabakovi? and Schlangen, 2016）。沥青材料的自修复能力通常分为两类：内在修复和外在修复。内在修复源于材料本身的特性，而外在修复则是通过添加剂或外部干预来增强裂缝修复或抑制裂缝扩展（Cabette等人，2023年；Leegwater等人，2021年）。外在修复可以作为延长路面使用寿命的维护策略，具有潜在的经济、环境和安全效益（Butt等人，2012年）。在介观尺度（约10^-5米）和宏观尺度（>10^-3米）上，主要的修复方法包括感应加热（使用电磁波或微波辐射，Liu等人，2020年；Loureiro等人，2023年）以及封装技术，如微胶囊（Du等人，2021年）、中空纤维（Yu等人，2021年）和形状记忆合金（Ma等人，2017年）。在纳米尺度（约10^-9米）上，纳米颗粒增强是一种有前景的技术（Amin和Esmail，2017年），它可以改变沥青的分子组成以提升其自修复能力。图2比较了传统维护方法与这些自修复技术，强调了它们在降低维护成本、减少维护频率、减少资源消耗和交通中断的同时提高耐久性和安全性的潜力（Nalbandian等人，2021年）。

沥青的自修复行为受其复杂的化学成分影响（Liang等人，2021年）。在微观尺度上，修复发生在微裂纹界面，沥青分子渗透、吸附并扩散，从而封闭裂纹（He等人，2024年）。然而，在介观尺度上，修复是由于沥青流动导致的，尤其是在黏聚区和粘结区（Ayar等人，2016年；García，2012年；Qiu，2012年）。在这一层面，有四种主要的沥青修复机制模型：（1）分子扩散，（2）表面能，（3）毛细流动，（4）相场，这些将在下一节中详细讨论。在宏观尺度上，修复涉及裂纹的封闭以及断裂沥青部分或完全恢复机械性能（例如强度和刚度）（Zhang等人，2023年）。

理解沥青材料自修复能力的另一个关键方面是其在整个使用寿命期间受到内部和外部因素的影响。内部因素包括沥青的多尺度特性、沥青-填料基质、混合料组成以及聚合物改性剂的加入（Sun等人，2018a）。外部因素包括温度、休息时间、加载条件、损伤程度和历史、老化以及湿度（Liang等人，2021年；Sun等人，2018a）。这些因素将在第4节中进一步讨论。

基于这些影响因素，研究还集中在表征和评估沥青的自修复能力或效率上。测试方法通常根据沥青粘合剂、玛蒂克、砂浆、混合料或路面中的裂纹尺寸分为微观/纳米尺度、介观尺度和宏观尺度（Sun等人，2018a）。图3展示了这一多尺度框架中考虑的裂纹类型。计算模拟对于预测和评估自修复性能也至关重要（Sun等人，2018a）。这些方法评估了在不同条件（包括温度和休息时间）下沥青的机械和物理化学性能的恢复情况。第5节提供了多尺度修复表征方法的全面概述。

作者调查了主要科学出版商的数据库（MDPI、Springer Link、ScienceDirect、Web of Science和Scopus），以量化2006年至2024年间关于自修复沥青材料（SHAMs）的出版物数量。图4(a)显示了关键词“self-healing”和“asphalt”的结果，而图4(b)则关注标题中包含“self-healing asphalt”的文章。数据显示了三个明显的阶段：2006年至2010年，出版物较少，反映了SHAM研究的早期阶段以及自修复概念从其他材料中的有限应用；2011年至2015年，出版物数量逐渐增加，这与介观和宏观尺度上的感应加热和封装技术以及微观尺度上的分子扩散研究的初步实验工作相吻合；自2016年以来，出版物数量急剧增长，与图1所示的自修复研究热潮同步，反映了实验室测试和多尺度表征计算模拟的进步。

尽管自修复沥青材料的绝对出版物数量仍低于一般自修复材料，但加速的增长速度证实了SHAMs是一个新兴且快速发展的研究领域。这一趋势强调了巩固现有知识和方法的必要性，以确保未来的工作建立在一致且经过充分验证的实验协议基础上，从而贡献于更耐用、安全和可持续的路面工程解决方案。

第3节对沥青材料的基本修复机制进行了深入分析。第4节则探讨了内部和外部因素如何影响其修复性能。

聚合物修复理论为理解沥青材料的自修复提供了有价值的框架。在聚合物中，当两个断裂表面在高于玻璃转变温度的温度下重新结合时，会发生修复，最终与块体材料无法区分。机械强度逐渐恢复，直到恢复到原始性能（Wool，1995年）。然而，由于沥青复杂的组成、微观结构和多种相互作用，建立聚合物和沥青行为之间的直接关联具有挑战性（Sun等人，2018a）。

在沥青材料中，修复要求材料不会完全失效，并且裂纹面保持接触（Sun等人，2018a）。多项研究提出了描述修复阶段序列的理论和模型。本节从微观和介观角度对这些理论模型进行了全面概述，并将其与实证研究结果联系起来。

3.1 分子扩散模型
自20世纪80年代以来，人们就开始研究热塑性聚合物通过分子扩散进行裂纹修复。Wool和O'Connor（1981年）提出了一个针对聚合物材料的分子扩散理论，描述了五个微观尺度的裂纹修复阶段（图5）：（1）表面重排，（2）表面接近，（3）润湿，（4）扩散，（5）随机化。Kim和Wool（1983年）也提出了一个关于扩散和随机化阶段的微观理论。这种修复机制涉及两个主要组成部分：（i）润湿裂纹面之间的即时黏聚力，这增加了强度；（ii）裂纹界面上的分子间扩散。卸载后，修复通过块体材料的黏弹性恢复和裂纹区域的修复迅速开始（Liang等人，2021年）。后续研究表明，热塑性聚合物在玻璃转变温度或以上时修复效果最佳（McGarel和Wool，1987年）。

多年来，许多科学研究了沥青材料中的裂纹修复机制。由于修复可以在卸载后立即开始，Schapery（1989年）引入了术语来描述修复过程中的几何形状和应力（图6）。

Phillips（1998年）是最早将沥青裂纹修复与分子扩散理论联系起来的人之一，并提出了一个三阶段修复模型：i）由于压实应力或加热导致的宏观裂纹封闭；ii）由润湿和黏聚力驱动的微观裂纹封闭；iii）通过扩散限制的沥青质结构积累恢复机械性能。相关研究强调了沥青官能团形态和大小（Kim等人，1990年）、时间依赖的润湿和内在修复（Bhasin等人，2008年）以及温度和时间依赖的恢复（Sun等人，2015年）对沥青修复的影响。总体而言，修复过程包括三个关键步骤：流动、润湿和扩散。修复效率取决于损伤程度、粘合剂类型（包括形态和化学组成）、温度和休息时间。沥青粘合剂的表面自由能控制润湿：较高的表面自由能增强了分子间的吸引力并加速了润湿过程（Sun等人，2018a）。高温通过提高分子流动性、改善润湿和扩散以及缩短恢复时间来加速修复（Sun等人，2018a；Wool和O'Connor，1981年）。

基于分子扩散理论，最近的研究使用原子分子动力学（MD）模拟来评估沥青粘合剂的自修复能力。这些模型通过密度、玻璃转变温度、粘度和溶解度等材料属性进行了验证。Sun等人（2016年）使用MD模拟评估了纯沥青和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）改性粘合剂的自修复能力，结果表明扩散系数随温度升高而增加。此外，SBS改性的粘合剂表现出比纯粘合剂更高的扩散系数，表明其自修复能力更强。在另一项研究中，He等人（2020年）报告称，自修复涉及粘合剂体积的压缩和分子拉伸，主要由非键合分子之间的范德华力驱动。他们得出结论，沥青组分（如沥青质和饱和烃）的不同扩散速率显著影响自修复，其中SBS增强了扩散作用，而老化则降低了扩散作用并阻碍了修复过程。

分子动力学和微观及宏观尺度实验被用于研究纯沥青、老化沥青和再生沥青粘合剂纳米裂纹中的热自修复多尺度机制（Yu等人，2024年）。MD模拟结果与微观和宏观尺度测试结果进行了验证，如图7所示。研究得出结论，通过热诱导实现的有效沥青微裂纹修复温度不应超过313K，因为超过这一阈值的温度会降低修复效率。此外，范德华力被确定为沥青自修复行为的主要驱动力，在修复过程中从排斥力转变为吸引力，从而促进了裂纹的封闭。

定量而言，MD模拟捕捉到了流变恢复和断裂修复测试中观察到的许多相对趋势：具有较低玻璃转变温度或较高芳香族含量的粘合剂表现出更快的模拟和测量修复速度，而氧化老化则一致地降低了流动性和修复能力。然而，MD预测通常得出的特征修复时间和扩散系数比实验室数据推断的要短。这些差异源于固有的尺度差异：MD在纳米长度尺度和纳秒到微秒的时间窗口内运行，通常在较高温度下加速动态过程。此外，粗粒化选择、力场参数化以及缺乏混合物级别的约束（例如限制、骨料接近度、空气-空隙结构）限制了直接将结果外推到混合物性能。因此，MD应被视为一种机制性和比较工具，用于阐明分子驱动因素和相对敏感性，而更大尺度上的实验测试对于校准和验证仍然至关重要。

这些结果表明，MD是预测沥青材料自修复效率的有价值工具，从而有助于选择能够提高路面耐久性和性能的材料、添加剂和条件。

3.2 表面能模型
Lytton等人（2001年）提出了基于Schapery（1989年）提出的断裂力学概念的粘弹性材料修复表面能模型。该模型将修复速率与沥青粘合剂的化学组成联系起来，特别是其极性和非极性组分（Varma等人，2021年）。表面自由能被量化为封闭裂纹所需的能量密度，因此表面能越低，修复潜力越大。根据Lytton的模型，表面能是修复的短期抑制剂，导致表面能与修复速率呈反比关系。Lytton的模型进一步区分了表面能的两种成分：Lifshitz-van der Waals组分抑制短期修复，而Lewis酸碱组分促进长期修复。

Si等人（2002a）量化了各种沥青混合料的短期（?1）和长期（?2）修复速率。图8显示了典型的表面能修复速率曲线和过程区指标hβ。结果表明不同混合料之间的?1变化较大，表明短期修复能力多样，而?2变化较小，表明长期修复速率较为一致。

Si等人（2002b）应用伪应变概念评估了各种沥青混合料在疲劳测试中的微损伤和修复过程。他们得出结论，修复能力主要取决于粘合剂特性和骨料类型，且具有较长休息时间的更硬混合料往往修复效果更好。因此，表面能模型基于粘合剂极性量化了修复速率，但没有详细说明机制步骤。由于表面能控制润湿过程，将其与分子扩散理论结合可以更全面地描述修复过程（Varma等人，2021年）。**相场模型**
Kringos等人（2009年）提出的相场愈合理论揭示了沥青材料的多相特性。在受力作用下，高界面应力会生成微裂纹，这些微裂纹可能生长并合并成宏观裂纹。如果在裂纹仍处于微观尺度时施加热能或机械能，材料的动力学性质会发生变化，相结构会重新排列，性能也能部分恢复。因此，愈合过程被视为一种物理化学过程（Varma等人，2021年）。这种相结构重新排列通过一个表示损伤/相场的变量来表征，它是沥青愈合有限元建模的基础，如图9所示。

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**图9. 相场愈合模型（Kringos等人，2009年）**

Hou等人（2015年）将相场模型应用于沥青的自愈合过程，强调了材料重新排列和表面自由能的作用。通过结合热力学和力学原理，该方法加深了对沥青愈合机制的理解。尽管存在对各个相性质不确定性的挑战以及定量校准的局限性，但未来的研究应将材料化学性质和力学性能整合到一个综合的多相模型中。

**3.4. 毛细流动模型**
沥青材料中的微观愈合与介观愈合之间没有明确的界限。前面讨论的模型主要描述了纳米裂纹和微裂纹的愈合过程，其中紧密排列的裂纹面促进了分子间的扩散和随机化。然而，对于开放性的路面裂纹，分子扩散会受到限制。即便如此，在提供足够的休息时间和热能的情况下，仍可能发生自愈合现象（Sun等人，2018a；Varma等人，2021年）。García（2012年）提出的毛细流动理论通过修改Lucas-Washburn方程来描述介观和宏观尺度沥青裂纹的愈合效率，如图10所示（García等人，2014年）。在该理论中，当裂纹面之间存在接触点时，接触区会形成压力梯度，且沥青粘合剂在软化温度以上表现为牛顿流体。毛细作用驱动粘合剂沿裂纹流动并填充裂纹，通过粘合剂分子的扩散逐渐恢复界面强度，从而实现沥青材料的愈合（He等人，2024年；Liang等人，2021年；Varma等人，2021年；Xu等人，2018年）。

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**图10. 毛细流动愈合过程中作用在沥青-混凝土裂纹中的力示意图（García等人，2014年）**

实验研究支持这种毛细流动机制。García（2012年）指出，毛细作用随温度升高而增强，随裂纹尺寸增大而减弱。因此，虽然在较宽的路面裂纹中毛细作用仍能持续，但其愈合效果较弱。毛细力主要取决于粘合剂的粘度、表面能和温度。在另一项针对密集和多孔沥青混合物的研究中，García等人（2014年）进一步证明，当粘合剂接近牛顿流体行为时（对于40/50级混合料约为50°C，70/100级混合料约为23°C），愈合现象会发生。因此，高温下的毛细作用有助于裂纹闭合、流动和扩散。Sun等人（2017a）提出将毛细流动理论分为两个阶段：（i）主要由毛细力控制的湿润阶段；（ii）依赖扩散和沥青分子缠结的较长分子扩散阶段，如图11所示。

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**图11. 基于毛细流动理论的沥青自愈合过程及愈合曲线（Sun等人，2017a）**
（a）湿润和分子扩散阶段；（b）典型恢复曲线。

第1节介绍、第2节概述材料中的自愈合现象、第3节讨论了沥青材料的自愈合机制和模型，涵盖了从纳米尺度到介观尺度的裂纹闭合和性能恢复的各个方面。第3.5节总结了这些模型的互补性和关键差异。

**3.5. 自愈合模型的比较分析**
四种自愈合机制模型（表面能模型、分子扩散模型、毛细流动模型和相场模型）在原理上有重叠，但在适用范围和控制变量上存在差异。分子扩散是聚合物和沥青裂纹愈合的主要机制，它也决定了毛细流动模型中裂纹界面后的强度恢复（Bhasin等人，2008年；García等人，2014年；Wool和O'Connor，1981年）。表面能模型根据粘合剂的极性和非极性成分以及裂纹闭合所需的能量密度来量化愈合速率，提供了与分子扩散不同的热力学视角（Lytton等人，2001年；Si等人，2002b）。由于表面能控制湿润过程，将该模型与分子扩散理论结合可以关联界面热力学与分子扩散动力学（Varma等人，2021年）。相场模型将愈合过程视为一种受热或机械载荷驱动的物理化学过程，为模拟提供了基于连续介质的框架（Hou等人，2015年；Kringos等人，2009年）。它与基于扩散的模型在捕捉愈合动力学方面一致，但在强调通过损伤/相场变量的空间演变方面有所不同。毛细流动模型通过描述毛细驱动的粘合剂流动和随后的界面扩散来解释介观和宏观裂纹的愈合过程，从而弥合了表面能模型和分子扩散模型的差距（García等人，2014年；Sun等人，2017a）。其特点包括对裂纹宽度、粘度和表面自由能的依赖性，以及在软化温度以上需要接近牛顿流体行为。

尽管每种模型都捕捉到了沥青愈合的关键方面，但在验证方法的直接性上存在差异：基于扩散的模型和表面能模型有较多的实验支持，而相场模型虽然适用于结构分析，但依赖于现象学校准，对参数选择较为敏感。为了综合上述机制模型，图12提供了一个概念性图表，展示了表面能驱动的湿润过程、分子扩散、毛细流动理论和相场模型之间的相互关系及其尺度转换（从纳米尺度到路面尺度）。

这些模型共同构成了沥青愈合的连贯的多尺度图景：湿润和毛细作用实现裂纹接触，表面能提供驱动力，扩散重建界面，相场模型跟踪损伤和相态的变化。第3.6节进一步区分了真正的沥青愈合与其他粘弹性现象（如触变性和空间硬化）。

**3.6. 区分自愈合与其他沥青粘弹性响应**
加载后，沥青材料的粘弹性响应包括线性粘弹性恢复（通常被认为是疲劳测试中的“自愈合效应”部分）和非线性响应（如触变性和空间硬化）。这些现象可能同时发生，区分它们对于评估耐久性至关重要。所有三种现象都可以在休息期间增加表观恢复程度，但它们是不同的。自愈合通过湿润和扩散恢复断裂损伤（例如微裂纹），可能发生在加载过程中或休息期间。相比之下，触变性和空间硬化反映了可逆的结构重排，不一定与裂纹形成相关。

触变性是一种时间依赖的剪切稀化行为，即在剪切作用下粘度降低，应力消除后粘度恢复（Barnes，1997年；Mewis和Wagner，2009年）。沥青的触变性反映了由微观和大分子重排及弱键动态引起的可逆结构变化（Mazzoni等人，2016年；Mouillet等人，2012年）。粘度在加载下降低，在休息时恢复（Liang等人，2021年）。Di Benedetto等人（2011年）和Pérez-Jiménez等人（2012年）表明，疲劳测试中的早期模量损失主要是由于触变性而非不可逆损伤，休息后可以迅速恢复。Mazzoni等人（2016年）提出了一种模型，用于区分粘合剂和胶体的疲劳、自愈合和触变响应，即使在含有填料的情况下也能检测到触变性。

空间硬化是另一种非线性响应，其特征是在温度变化下粘度缓慢、可逆地增加，这是由于分子重排引起的（Santagata等人，2013年）。其程度取决于粘合剂类型和来源（Traxler和Schweyer，1936年），并与沥青质有序排列有关。聚合物改性（例如SBS）可以减少这种有序排列，从而减弱空间硬化效应（Collins等人，2006年；Masson等人，2005年）。Santagata等人（2013年）通过从总硬度增益中减去空间硬化贡献来分离沥青粘合剂的“真正”愈合效果。他们使用两种纯粘合剂和一种聚合物改性粘合剂，证明空间硬化会显著增加休息期间的表观硬度恢复，并且这种效应随损伤程度、粘合剂来源和聚合物改性的不同而变化。

为了更具体地区分这些现象，表1对比了自愈合、触变性和空间硬化，包括在密集、多孔和冷混合料中的典型表现，并指出了在实验室测试中将这些现象误认为是裂纹愈合的主要风险。

**表1. 沥青材料中自愈合、触变性和空间硬化的区分**
| 现象 | 物理起源 | 实验特征 | 混合料示例（密集、多孔、冷） | 混淆风险 | 控制策略 |
|------------|------------------|------------------|------------------|------------------|----------------|
| 自愈合 | 渗透作用、粘性流动和分子扩散 | 裂纹面湿润 | 定义损伤和休息后的部分硬度/强度/疲劳寿命恢复 | 明显依赖于温度、休息时间和损伤程度 |
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| 触变性 | 可逆的剪切诱导的物理结构破坏和重建 | 剪切下模量或粘度迅速下降，恒温下快速恢复 | 明显依赖于加载历史 | |
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**表1. 沥青材料中自愈合、触变性和空间硬化的区分**

通过这些模型，我们可以得到一个连贯的多尺度沥青愈合图景：湿润和毛细作用实现裂纹接触，表面能提供驱动力，扩散重建界面，相场模型跟踪损伤和相态的变化。第3.6节进一步区分了真正的沥青愈合与其他粘弹性现象（如触变性和空间硬化）。

**4. 内部和外部因素对沥青自愈合的影响**
第3节总结了沥青材料如何通过湿润、流动、扩散和损伤场演变在纳米到宏观尺度上进行愈合。在此基础上，第4节探讨了材料相关因素和加载因素在不同尺度上的作用：哪些情况下行为主要由粘合剂化学性质和分子流动性决定，哪些情况下集料结构和空气-孔隙拓扑结构起主导作用，以及路面级别的性能如何从所有底层尺度的综合响应中体现出来。这种组织方式旨在减少尺度间的突然转变，并阐明从材料物理到结构性能的机制演变过程。

**4.1. 材料（内部因素）**
**4.1.1. 黏合剂组成和化学机械性能**
在服役过程中，沥青会经历氧化、降解、挥发性物质损失和结构重排。这些分子变化、沥青的行为及其与其他材料的相互作用受其组成的影响，通常将其分为SARA组分（饱和烃（S）、芳香烃（Ar）、树脂（R）和沥青质（As）（Werkovits等人，2022年；Zhang等人，2019年）。化学组成和分子结构决定了沥青的固有愈合能力（Leite等人，2020年；Sun等人，2017b）。Sun等人（2017b）发现，四种沥青组分与愈合指数（HI）相关，愈合贡献通常遵循Ar > S > R > As的顺序。在该研究中，将S/Ar比例从0.26增加到0.28使HI从0.25提高到0.35，表明较轻的饱和烃和芳香烃成分的比例越大，愈合效果越好。一般来说，较小的分子和较长、分支较少的链结构能增强沥青的流动性和自愈合能力（Santagata等人，2009年；Sun等人，2017b）。相反，较高的沥青质和树脂含量（较大分子）会增加平均分子量和粘度，减缓分子运动，延迟裂纹闭合，降低自愈合能力（Liang等人，2021年）。

沥青粘合剂的化学机械性能也与此一致。较软、渗透性较高的粘合剂（粘度较低）更容易湿润裂纹面并流动，从而促进愈合（Bonnaure等人，1982年）。此外，由于沥青对温度敏感，较高温度有利于流动和湿润，从而促进愈合（Varma等人，2021年）。沥青化学组成的光谱指数（如苯环含量I1600和甲基-乙烯基比CH2/CH3）提供了额外的诊断信息（Bhasin等人，2011a）。较高的CH2/CH3比例与更快的扩散速度和更好的愈合效果相关，这可能是因为长链烷烃增强了裂缝间的界面流动（Kim等人，1990年；Sun等人，2017b年）。相反，较大的苯环（I1600）信号表明平均分子量较高，分子流动性降低，从而抑制了自愈能力（Lyu等人，2017a年）。总之，沥青粘合剂的自愈能力受SARA组成、分子量分布/链结构以及温度依赖性粘度的控制，这些因素共同决定了其在裂缝表面的流动、润湿和扩散能力。

4.1.2. 沥青粘合剂的老化
沥青粘合剂在使用过程中会老化，导致其粘附性和内聚性下降。主要存在两种老化模式：短期热氧化老化和长期光氧化老化（Hu等人，2020年；Zhang等人，2016年）。沥青的自愈能力强烈依赖于状态，老化程度和之前的损伤都是重要因素。分子动力学模拟（Li等人，2023d年）表明，这一过程的持续时间和效率取决于老化状态、损伤程度和愈合温度。氧化老化会降低自愈效率，而较长的休息时间和较高的温度则有助于提高自愈效果。氧化老化会改变粘合剂的化学性质，增加芳香烃的极性并促进沥青质/树脂的聚集（Kim等人，1990年；Wang等人，2019年）。沥青质含量的增加会提高粘度，减缓润湿和流动速度，限制裂缝闭合，从而抑制老化粘合剂的愈合（Gómez-Meijide等人，2018年）。紫外线（UV）辐射引起的光氧化老化会加速这些变化，降低粘合剂的流动性、机械性能和自愈潜力（Wu等人，2019年；Zeng等人，2015年）。除了传统的石油基粘合剂外，基于生物的扩展剂和改性剂也可以改变控制自愈能力的化学机械状态。例如，松香油（TOP）和其他生物基成分已被证明可以提高粘度并改善低温下的粘合剂性能。然而，在高剂量下，它们可能会降低高温下的抗疲劳性（Zhang等人，2025b年）。这类材料可能在适中温度下提高韧性或延展性，并促进裂缝钝化和愈合（例如，Gao等人，2020年）；然而，它们也可能改变流动性、刚度和老化之间的平衡。这些权衡，包括基于生物的再生剂的作用（例如，Wang等人，2024年），将在第2部分进一步探讨，该部分将研究聚合物和生物改性的粘合剂、再生系统以及封装的愈合剂等工程增强策略。

一些作者将老化粘合剂的再生或恢复描述为一种“愈合”形式。在这篇综述中，我们认为这些过程是互补但不同的：短期自愈主要指的是在特定材料和环境条件下的裂缝闭合和强度恢复，而再生则涉及老化粘合剂化学机械状态的长期恢复。

动态剪切流变仪（DSR）测试协议（Bhasin等人，2011b年）证实，沥青老化会降低其内在的愈合能力，而固有的愈合速率随温度升高而增加。Asadi和Tabatabaee（2020年）对未经改性的、改性的以及实验室老化的粘合剂（包括短期和长期老化的）进行了连续中断线性幅度扫描（LAS）测试，测试了不同损伤程度下的情况，包括使用再生剂的情况。他们发现，老化会降低剩余的愈合能力（初始愈合趋势各不相同），而再生剂可以在一定程度上恢复老化后的沥青愈合能力。总体而言，沥青的愈合能力取决于材料老化程度和损伤情况。

Haimei等人（2023年）研究了粘合剂-集料界面强度的愈合情况，考察了浸泡时间、盐溶液浓度和热老化的影响。较高的温度和较长的休息时间有助于恢复界面强度，而长时间暴露在潮湿环境中和老化则会降低其强度。在道路尺度上，重型车辆模拟器（HVS）测试（Zou等人，2012年）发现，轻微到中度老化的路面仍保留一定的愈合能力。相比之下，严重老化的路面几乎没有愈合能力，且裂缝更容易出现。

4.1.3. 损伤程度（状态/历史变量）
损伤程度k，即有效承载面积或刚度的减少，直接限制了可实现的愈合效果（Liang等人，2021年）。随着循环加载下损伤的累积，在解释多循环加载-休息测试时应同时报告损伤程度（Nahar，2016年）。Zhu等人（2017年）使用基于疲劳过程中弯曲刚度损失的四个目标损伤程度（初始模量的50%、60%、70%和80%）表明，刚度恢复率和疲劳寿命延长率随着损伤程度的增加而单调下降。较低的损伤程度允许沥青充分愈合，而当微裂缝在后续疲劳循环中合并成大裂缝时，恢复变得不可逆。Zhao等人（2023年）在不同损伤程度下的时间扫描疲劳-愈合-疲劳（F-H-F）测试中发现，基于耗散能量的愈合指数比单独使用模量更能可靠地区分沥青的恢复情况，并确认较高的损伤程度会导致愈合能力完全丧失。因此，限制累积损伤对于延长路面寿命至关重要。

重复的损伤诱导-愈合循环进一步突显了沥青裂缝愈合的路径依赖性和时间敏感性。Ye等人（2024a年）观察到由于残余损伤和永久变形，愈合后的峰值载荷随循环次数的增加而逐渐下降。降解率是非线性的，并取决于愈合在疲劳历史中的引入时间，表明最佳干预窗口会随温度和休息时间的变化而变化（见4.2.1节）。总体而言，较大的裂缝尺寸和较高的裂缝密度需要更多的能量和时间来进行润湿、流动和扩散，从而降低愈合效率。早期损伤（微裂缝）在较高温度和充分休息的条件下愈合最快。由于损伤是一个状态/历史变量，任何愈合评估都应报告目标损伤程度、加载方案以及休息/加热时间。

4.1.4. 混合料设计和体积组成
虽然粘合剂提供了内在的愈合能力，但沥青混合料的结构决定了其在介观尺度上的有效动员方式。因此，集料级配、空气-孔隙系统、粘合剂含量/膜厚度以及体积特性决定了裂缝表面的润湿、流动、毛细作用和扩散。良好的级配集料可以提高自愈效果：级配良好的骨架可以改善互锁和压实效果，促进粘合剂的重新分布，从而实现微裂缝的闭合（Norambuena-Contreras等人，2018年）。该研究表明，空气-孔隙含量（AV）对愈合有显著影响：过高的AV会阻碍粘合剂的重新分布和裂缝填充，而过度压实导致的极低AV则会限制流动。大约4%–6%的理想空气-孔隙含量有助于提高耐久性和愈合能力。沥青粘合剂含量是另一个重要因素。在一定范围内，较高的粘合剂含量可以增加膜厚度和流入裂缝的能力，从而提高恢复效果。超过这个范围，混合料的稳定性和抗车辙性会下降，因此必须平衡愈合潜力和结构完整性（Lyu等人，2017a年；Norambuena-Contreras等人，2018年）。石蜡沥青（SMA）是一种具有优异抗车辙性和耐久性的级配混合料，通常比传统的密级配混合料具有更好的愈合能力。这种性能归因于其较高的粘合剂含量（>6.5%）和较高的粗集料比例（70%–80%），而传统混合料的粘合剂含量为5%–6%，粗集料比例为40%–60%（Lee等人，1995年）。与此一致的是，粗级配混合料通过减少集料表面积来改善裂缝愈合，形成更厚的膜和更少的粘合剂-集料过渡区，有利于裂缝闭合和粘合剂流动（Abo-Qudais和Suleiman，2005年；Daniel和Kim，2001年）。体积特性也与沥青混合料的自愈能力相关。较高的沥青填充孔隙（VFB）以及矿物集料中的足够孔隙（VMA）可以为裂缝提供更多的粘合剂，同时保持结构完整性（Lyu等人，2017a年）。较高的VFB和较低的AV通常会提高愈合能力（Abo-Qudais和Suleiman，2005年；Jiang等人，2019年）。在外部红外辐射和感应加热下，Gómez-Meijide等人（2016年）观察到，密级配沥青混合料（AV约为4.5%）在相对较低的能量输入下实现了更好的恢复效果。尽管如此，它们的最大愈合比率仍低于半密级配（AV约为13%）和多孔混合料（AV约为21%）。

除了热混合料和温混合料外，冷沥青混合料和冷再生沥青混合料（CRAMs）也因可持续性原因而越来越受到重视。它们的“愈合”行为受到同时发生的固化过程（如乳化液破裂、水分重新分布和水泥水化）的影响，这些过程会在几天或几周内提高刚度和强度，可能会掩盖实际的自愈过程。最近的研究表明，热机械激活，特别是与微波或感应加热和重新压实结合使用时，可以在CRAMs中实现显著的强度恢复，尤其是当加入如钢渣等对微波敏感的添加剂时（DeLaFuente-Navarro等人，2024年；Dovom等人，2024年；Gulisano等人，2024a年；Yao和Xu，2023年）。其他关于冷原位再生和热激活沥青混合料的研究报告称，在热激活下间接抗拉强度和疲劳寿命有所改善，尽管将愈合与固化过程区分开来在方法上仍具有挑战性（Pérez等人，2021年；Yalcin，2021年）。总体而言，虽然冷混合料的自愈能力很有前景，但需要标准化的协议来区分由流动性驱动的愈合和长期固化效应。

本研究第2部分将探讨特定材料的因素（如粘合剂等级/改性、集料/填料、添加剂）及其对沥青自愈能力的影响。

4.2. 外部环境和热机械条件
除了内部材料控制因素外，外在的热机械和环境条件（温度、休息时间、加载方案、湿度和紫外线）可以显著增强或抑制愈合过程。由于这些条件通过润湿、流动/粘度和扩散起作用，它们的净效应取决于前述的内部材料条件。

4.2.1. 温度-休息-加载的相互作用
温度、休息时间和加载共同决定了流动性（通过粘度η(T)）、扩散所需的时间以及损伤累积的速度。因此，应在老化（4.1.2节）和损伤程度（4.1.3节）的背景下考虑这些因素的影响。沥青的粘弹性随时间温度变化的行为（Jin等人，2018年）意味着较高的温度和足够的休息时间通常可以通过加速润湿/流动和促进裂缝表面的扩散来提高愈合效果。当外部加热时，沥青可以在损伤后自我修复（García，2012年），微裂缝的愈合可能在休息期间进行，从而提高路面的耐久性。然而，在室温下的愈合效率较低且难以控制，通常需要数小时或数天，并且会受到交通的影响（García等人，2013年）。因此，许多沥青愈合研究采用人工加热方法，评估峰值温度、脉冲时间和加载及休息周期。Baaj等人（2018年）在10°C下施加正弦波加载（150k或300k循环，频率为10 Hz），然后进行休息，以评估沥青混合料的愈合情况。每个样本重复三次24小时的加载-休息循环，休息温度分别为0°C、10°C或20°C，结果显示在10°C或更高温度下休息可以促进愈合并延长疲劳寿命。相比之下，较低的休息温度会增加刚度并阻碍恢复。Zhang等人（2024b年）研究了含有钢 wool纤维和聚合物改性剂的开级配摩擦粗粒混合料的感应愈合。感应加热速率在8%钢 wool（按粘合剂体积计算）时达到0.89°C/s，发现110°C是最佳的愈合温度。过度的加热会导致沥青试样结构的破坏。Norambuena-Contreras和Gonzalez-Torre（2017年）在加热-冷却和循环加载条件下测试了含有不同钢 wool含量的沥青混合料，以评估开裂和愈合情况。愈合效率随着微波加热时间的增加而提高，这归因于较高的温度，而纤维含量影响较小。无结构损伤的最佳微波加热时间为40秒。Liu等人（2013年）表明，重新加热断裂的多孔沥青梁可以恢复其抗弯能力，最佳愈合温度约为85°C。然而，过度的加热会导致膨胀和粘合剂流失，从而降低愈合效率（Liu等人，2012年）。

不同类型的沥青粘合剂对温度上升的愈合反应一致（Liang等人，2021年）。较高的温度通常会加速粘合剂流入裂缝并触发愈合（Varma等人，2021年）。然而，过度的加热会改变样品的几何形状并导致老化，使沥青粘合剂变硬并降低其粘弹性（Molenaar等人，2010年）。在讨论不同的诱导机制和技术时，将再次讨论这些时间-温度因素。总体而言，较高的温度、较长的休息时间和较高的恢复率有助于提高愈合效果（Liang等人，2021年）。然而，效率仍取决于材料和测试条件。大多数实验室协议通常理想化了使用条件。休息时间通常是在恒定温度下一次性施加的，加载通常是具有固定幅度和频率的谐波加载。然而，在实际路面上，休息间隔是由不规则的交通模式决定的，温度变化遵循日常和季节性周期，环境因素（如湿度和紫外线辐射）与机械加载相互作用。由于这些输入在不同气候、纬度和路面类型以及交通类别之间存在很大差异，因此无法定义一种通用的休息时间、温度范围或加载周期组合来“代表”现场条件。因此，实验室协议应被视为受控情景，其相关性取决于它们与每条道路的具体气候和运营环境的匹配程度。比较性研究在重现真实交通模式和温度循环方面仍然有限（Sun等人，2018a），但这些研究对于将实验室中的机制洞察与现场性能联系起来至关重要。大多数关于自修复激活的研究都集中在外部刺激上，如加热、感应或微波能量。然而，沥青混合物在自然环境条件下也表现出内在的、基线的自修复能力，这种能力由环境温度循环和间歇性交通负荷驱动。实验表明，即使没有外部激活，早期微裂纹在温暖时期或交通引起的休息期间也可以部分闭合并恢复刚性（Bhasin等人，2011b；Mehrara和Khodaii，2016）。其他使用连续损伤框架的研究表明，这种内在修复的能力虽然有限，但在中等温度和低损伤水平下是可以测量的（Little等人，2015；Xie等人，2017）。系统性的现场监测来隔离这种自然基线仍然很少（Leegwater等人，2025），但建立它是必要的。只有通过量化自然发生的修复效果，才能有意义地评估外部激活技术的额外贡献。

4.2.2. 水分（水）
水分引起的损伤是沥青路面的一个关键机制，因为它增加了开裂的敏感性，并可能抵消沥青的修复潜力。在分子层面，水分渗透会导致沥青粘合剂内部的凝聚破坏以及粘合剂与集料界面处的粘附破坏。Bhasin等人（2006）指出，水分会阻碍沥青渗透到裂纹中，增加裂纹闭合所需的能量。Mannan等人（2017）使用一种由水分引起的敏感性测试来加速分子层面的粘合剂水分调节，发现水分会增加沥青羟基团的存在，从而增加修复所需的能量并降低长期修复潜力。Grossegger和Garcia（2019）指出，沥青和水的相似密度会阻碍粘合剂的流动，进一步降低修复效果。Wu等人（2024）强调，水分比凝聚强度更严重地削弱了沥青混合物中的粘附键，导致早期粘附破坏和内部损伤增加，从而减少粘合剂流动并损害修复能力。在宏观尺度上，水分会加速裂纹的发展并降低混合物的强度（Kumar等人，2025）。Hefer等人（2005）证明，水分引起的粘附损失会降低粘合剂与集料之间的键强度，从而降低这些界面的修复能力。Wu等人（2024）发现，水分暴露会降低最大主应力，从而促进宏观裂纹的扩展并降低材料的承载能力。水分通过侵蚀粘合剂与集料之间的键来促进宏观裂纹的形成，降低抗断裂性，并延长损伤的扩展。

Lyu等人（2017b）观察到，在干燥条件下，修复遵循对数趋势。相比之下，在潮湿条件下，修复最初有所改善，但随后随着强度达到峰值而下降（图13）。水分子中的氢原子与沥青表面能量成分之间的强氢键可能增强长期修复。然而，超过某个阈值后，水分会降低恢复效率（即当材料强度达到峰值时）。

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图13. 修复时间（h）和水对沥青粘合剂修复的影响（Lyu等人，2017b）。

4.2.3. 紫外线辐射
紫外线暴露会加速沥青粘合剂的光氧化，增加极性（通过羰基和亚砜的形成），促进沥青质/树脂的聚集，并提高粘度。这些变化降低了分子流动性、润湿性和扩散性，从而降低了内在修复潜力（Hu等人，2020；Wu等人，2019；Zeng等人，2015）。紫外线驱动和热氧化老化过程会降低流动性和刚度的恢复，如4.1.2节所述。因此，修复评估应报告紫外线条件，并在粘合剂老化状态的背景下解释结果。

4.3. 总结
优化沥青混合物的自修复需要考虑本章讨论的内部和外部因素。在分子尺度上，修复潜力取决于粘合剂化学性质、化学力学性能、老化和损伤历史。较高的饱和烃与芳香烃比例可以提高分子流动性，而过多的沥青质和树脂会增加粘度并阻碍裂纹闭合。热氧化和光氧化老化会增加粘度，进一步降低流动性，限制粘合剂修复裂纹的能力。损伤程度也很重要：更大的损伤会降低恢复效率。在宏观尺度上，混合料设计同样重要。含有较高粘合剂含量的石蜡沥青通常比传统混合料修复效果更好。环境条件显著影响性能：适度的加热和休息期可以促进修复，但过高的温度会损害结构完整性，而水分和紫外线暴露会降低粘附力并加速老化。

表2综合了这些发现，将每个因素与其影响的修复机制、润湿性、流动/粘度和扩散性联系起来，并指出其对修复潜力的整体影响。三个主要因素是：（i）粘合剂化学性质（即SARA平衡、聚合物改性、再生剂），（ii）混合料结构（即级配、空气孔隙含量、VMA/VFB、粘合剂含量），以及（iii）环境和负荷（即温度、休息、水分、紫外线老化）。

表2. 控制沥青自修复的因素：影响的机制及其对修复的净效应
因素 受影响的机制 对修复的净效应 关键条件/备注 参考文献
SARA组成： ↑ 硫化烃/芳香烃比例 ↑ 较轻的饱和烃/芳香烃增加流动性；S/Ar比例增加时HI上升 Santagata等人（2009）；Sun等人（2017b）
沥青质/树脂 ↑ 硫化烃/树脂 ↓ 较大的分子量和较高的粘度意味着较慢的分子运动和裂纹闭合 Liang等人（2021）
CH2/CH3比例 ↑ CH2/CH3比例 ↑ 较长/分支较少的烷烃有助于界面流动和裂纹间的扩散 Kim等人（1990）；Sun等人（2017b）
苯环信号（I1600） ↓ 较高的芳香性/分子量降低流动性 Bhasin等人（2011a）；Lyu等人（2017a）
软质等级/较低粘度 ↑ 较好的润湿性和流动性，主要在中等温度下闭合裂纹 Bonnaure等人（1982）；Varma等人（2021）
聚合物改性（例如SBS） ↑ 内在的扩散 ↑ MD显示扩散增加并减少空间硬化（明显的恢复效果） Collins等人（2006）；Sun等人（2016）
老化：热氧化 ↑ 润湿性；流动；扩散 ↑ 增加粘度、极性和沥青质聚集；通过再生剂缓解 Asadi和Tabatabaee（2020）；Bhasin等人（2011b）
老化：光氧化（紫外线） ↑ 润湿性；流动；扩散 ↑ 加速氧化 Hu等人（2020）；Wu等人（2019）；Zeng等人（2015）
损伤程度 ↑ （状态/历史） ↓ （非线性）早期微裂纹阶段修复效果最好；超过阈值后，损伤变得不可逆 Zhao等人（2023）；Zhu等人（2017）；Ye等人（2024a）
空气孔隙（AV）含量 ↑ 流动/毛细作用 ↑ 过高：阻碍粘合剂重新分布；过低：限制流动；最佳约为4%–6% AV Norambuena-Contreras等人（2018）
粘合剂含量 ↑ 流动 ↑ 更厚的膜层有助于修复；然而，过量会导致车辙 Abo-Qudais和Suleiman（2005）；Jiang等人（2018）
级配/SMA ↑ 流动；毛细作用 ↑ 更厚的膜层，更少的过渡；SMA > 传统混合料 Daniel和Kim（2001）；Lee等人（1995）
温度（在安全范围内） ↑ 润湿性；流动；扩散 ↑ （非线性）速度加快流动性：过高的温度会排干/老化/损坏结构 Molenaar等人（2010）；Varma等人（2021）
休息期持续时间 ↑ 到达平台期 减少回报；与温度和先前损伤相互作用 Baaj等人（2018）；Liang等人（2021）
负荷模式 ↑ 间歇或低幅度（↑）；连续或高幅度（↓） 间歇性或低幅度交通（休息）有利于修复；频繁的循环会积累不可恢复的损伤 Zhao等人（2023）
感应或微波加热（时间/温度） ↑ 润湿性；流动 ↑ 如果优化则有利于修复；过度则不利 Liu等人（2012）；Norambuena-Contreras和Gonzalez-Torre（2017）；Zhang等人（2024b）
水分 ↑ 润湿（界面）；流动 ↓ （阈值效应）抑制润湿/扩散；粘附力损失占主导；随时间呈现非单调趋势 Bhasin等人（2006）；Hefer等人（2005）；Lyu等人（2017b）
紫外线暴露（外部） ↑ 老化代理 ↓ 报告紫外线剂量/条件；结合老化状态解释 Wu等人（2019）；Zeng等人（2015）
注意：↑表示增加修复潜力；↓表示降低修复潜力；?表示非单调/取决于水平；↘表示超过最佳值后下降

这个因素-机制图也指导了沥青修复评估。对润湿性、流动/粘度或扩散敏感的测试应根据材料状态（组成、老化、损伤）、环境条件和负荷进行调整。因此，第5节回顾了多尺度表征方法，并解释了如何通过调节协议将沥青修复与其他粘弹性恢复区分开来。

5. 沥青自修复的多尺度评估方法
可靠地量化沥青自修复是这一研究领域的核心。第4节中的因素-机制图为指导，第5节的评估方法按尺度（粘合剂、乳化剂、混合料、路面）组织，以反映第3节中概述的机制层次结构。这种结构旨在最小化突然的转换，并阐明一个尺度上的测量如何影响下一个尺度上的行为。在相关情况下，识别了来自粘弹性恢复、触变性和空间硬化的潜在偏差（见第3.6节）。本节回顾了针对粘合剂、乳化剂和混合料的评估方法，分为基于显微镜的、疲劳修复、断裂修复、基于现场的以及工程/无损检测（NDT）技术。显微镜（例如扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）跟踪修复过程中的微观结构变化。疲劳修复测试使用DSR或弯曲测试量化间歇性或中断循环负荷下的恢复情况（Sun等人，2018a）。断裂修复测试包括加载阶段之间的休息期（例如弯曲测试、直接拉伸测试（DTT）以评估界面恢复（裂纹-表面重新连接）和裂纹闭合。基于现场的测试在真实交通和环境条件下评估路面修复。工程/NDT方法（例如热成像、超声波）监测内部恢复过程，如裂纹闭合和粘合剂流动，而不会损坏样品。以下小节总结了代表性方法、关键发现和可行性考虑。

为了可比性和可重复性，报告应包括（如适用）：（i）目标损伤前水平和损伤前协议；（ii）修复温度和休息时间；（iii）负荷幅度、频率和波形；（iv）修复指标/指数以及如何处理粘弹性恢复、触变性和空间硬化；以及（v）老化/水分条件状态和关键材料标识符。这些项目与第4节讨论的内部和外部因素一致。

5.1. 粘合剂修复测试
在沥青粘合剂中，自修复包括微观结构的恢复、机械性能的恢复，以及当存在动态化学性质时，可逆的键交换（Wei等人，2023）。有效性取决于分子段和微观结构的流动性（Gaskin，2013），从而实现润湿、粘性流动、扩散和界面重新粘附（粘合剂之间或粘合剂与集料之间）。在微观尺度上，通常使用五类自修复指数（Wei等人，2023）。
（1）地形变化（例如表面皱纹松弛）作为润湿/流动的代理。
（2）在控制负荷下定义的休息期后的机械恢复前后。
（3）从恢复动力学得出的时间依赖性修复预测。
（4）来自温度依赖性恢复的活化能（Arrhenius分析）。
（5）量化氢键含量和强度的氢键指数。

光学显微镜（OM）、AFM、SEM和傅里叶变换红外光谱（FTIR）用于将沥青组成和形态与其内在修复倾向联系起来（Aguirresarobe等人，2021；Lai等人，2018）。分子模拟和动态化学协议越来越多地用于阐明修复机制并指导材料设计。Zhang等人（2022b）使用AFM和DSR将SARA组分与沥青形态、粘附力和流变性能相关联：随着饱和烃和芳香烃含量的增加，粘附力增加，而储存模量和损耗模量随着较轻粘合剂组分的增加而降低。因此，AFM探查了与润湿/流动和扩散相关的化学-流动性效应，这与流变趋势一致。Wang和Zhang（2021）还将沥青流变性能与AFM微观结构相关联。他们观察到了特征性的“蜜蜂结构”（图14），这使他们能够推断SARA含量。粘附力（AFM）和储存模量（DSR）在低温和高温下显示出相似的模式。这一结果表明，AFM可以作为一种快速的、低材料成本的筛查方法，用于评估粘合剂性能和修复效率。

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图14. AFM形态显示了沥青粘合剂中的四种SARA组分（Wang和Zhang，2021）。
（a）平面视图AFM形态，包括微观结构的放大细节。
（b）用于识别四种SARA组分的相应表面高度剖面的示意图解释。

另一种内在修复机制利用了粘合剂中共价键的动态交换。二硫化物/二硒化物化学性质使断裂的网络在休息或轻微加热期间重新组织，从而增加早期裂纹闭合并促进长期强度恢复（Li等人，2023b）。Lyu等人（2021）将二硒化物交联的聚氨酯（DCP）弹性体掺入聚合物改性的沥青（PMA）中，以评估两种协议下的修复情况：（i）直接拉伸（DTT）中的断裂-休息-再断裂；（ii）DSR流变仪中的疲劳-休息-疲劳（图15）。这两种协议都量化了规定休息后的恢复情况。二硒化物网络加速了早期恢复，并在宏观断裂和疲劳情况下增强了修复效果，这与快速键交换辅助的润湿/流动后跟随较慢的扩散一致。

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图15. 断裂修复和疲劳修复协议的示意图（Lyu等人，2021）。

使用拉伸-延展性协议，Li等人（2023b）比较了含有两种二硫化物（PE-S1、PE-S2）或二硒化物（PE-Se）的聚氨酯弹性体（PE）改性的粘合剂。延展性修复指数（DHI）在所有弹性体中达到了大约4 wt%的最佳值。短期休息（2小时）有利于PE-Se，而长时间休息（16小时）有利于PE-S1（图16），表明从快速键交换驱动的恢复转变为长时间休息下的粘度限制扩散。解释DHI时应考虑粘弹性恢复。

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图16.弹性体改性粘合剂的延展性愈合指数与休息后的剂量（Li等人，2023b）。(a) 2小时。(b) 16小时。动态剪切流变仪（DSR）是评估粘合剂愈合效果的主要工具。在规定休息时间后，复合模量（G*增加）和相位角（δ减少）的恢复是时间扫描或疲劳-休息-疲劳协议下愈合的间接指标（Al-Mansoori等人，2018；Varma等人，2021；Zhang等人，2022b）。DSR中的线性振幅扫描（LAS）测试将疲劳加速到目标损伤水平，然后插入休息时间，再继续加载以量化恢复情况（Almutairi和Baaj，2023；Liu等人，2022）。多应力蠕变恢复（MSCR）测试在高温下进行，通过两个应力水平来探测弹性恢复和不可恢复的蠕变顺应性，从而了解改性剂如何影响流动/粘度和界面响应，作为粘合剂强度恢复的代理指标（Sun等人，2021；Zhu等人，2024）。在解释模量/相位恢复时，应考虑粘弹性恢复、触变性和空间硬化的贡献。Yue等人（2021）使用基于LAS的愈合（LASH）协议，在25°C下将聚合物改性粘合剂加载到50%的LAS损伤参数（Sf），休息30分钟，然后以相同的应变幅度和加载速率继续加载。通过比较休息前后的损伤情况来评估愈合效果。休息后的损伤减少，疲劳寿命增加，证明了在受控温度和休息条件下的可测量愈合。在多尺度研究中，Zhang等人（2024a）评估了在20°C、30°C和40°C的愈合温度下，与脂肪族二硫化物（A-ALD）混合的SBS改性粘合剂，在20分钟、40分钟和60分钟的休息时间下，以及10%、30%和50%的损伤水平下的性能。通过将分子分析与DSR疲劳测试相结合，他们报告A-ALD粘合剂的愈合率为98.5%（即比单独使用SBS高30.2%），这归因于二硫化物和氢键的重排。总之，愈合温度、休息时间和先前的损伤显著影响了恢复效果。Zhu等人（2024）比较了硫、蜡、塑料油和蜡油混合物对沥青愈合的影响。DSR（|G*|, δ）和MSCR输出被合并成一个愈合指数，显示硫在25°C和40°C下增强了愈合效果，而蜡由于结晶作用在较高温度下阻碍了愈合。简单的延展性协议也能捕捉到愈合过程。Qiu等人（2009）在20/22°C下测量了未改性（纯）和SBS改性粘合剂在断裂前后的长度，并在4小时休息后再次测试。未改性粘合剂恢复了接近70%的原始延展性，而SBS改性粘合剂的恢复范围从15%到90%，说明了配方的敏感性。通过AASHTO TP-91中的粘合剂-集料界面愈合（BBS）方法，使用重复的断裂-休息-重新断裂循环来评估界面愈合。图17概述了循环BBS协议中使用的热处理程序。愈合指数是恢复后的粘合剂强度与初始粘合剂强度的比率。Lyu等人（2017a）报告说水分和SBS聚合物降低了粘合剂强度，而更长的休息时间和更高的温度改善了恢复效果。BBS测试展示了沥青的长期愈合行为；然而，多次循环后的最终愈合仍然有限，特别是对于SBS改性粘合剂（大约20%）。下载：下载高分辨率图像（357KB）下载：下载全尺寸图像图17. BBS测试中的重复断裂-愈合循环图（Lyu等人，2017a）。表3将粘合剂级别的自愈合方法分为三类：（i）显微镜或诊断方法（OM、AFM、SEM、FTIR），（ii）基于DSR的疲劳愈合协议（时间扫描、LAS、MSCR和疲劳-休息-疲劳），以及（iii）断裂愈合（延展性、DTT、BBS）。列出了每种测试的关键参数、典型条件、愈合指标/指数和主要机制代码（W/F/D/I；Ω诊断；[!]潜在偏差）。提供的参考文献用于说明目的，并非详尽列表，旨在补充上述讨论的例子。表3. 粘合剂自愈合测试：方法、条件、机制和指标。类型测试参数条件机制愈合评估参考文献分子级别：显微镜测试OM微胶囊和粘合剂微观结构观察。明场、暗场、荧光模式。W+D；Ω微胶囊的状态和结构变化评估。Lu等人（2023）AFM聚酯纤维的分布和增强效果。预加载：30纳牛。W+I；Ω有无聚酯纤维的裂纹表面图像。Xia等人（2023）扫描速率：1赫兹。SEM表面形态的变化。第一次划痕未愈合。W+D；Ω不同条件下的SEM图像评估。Lutz等人（2015）第二次划痕在60°C下愈合；第三次在115°C下愈合。FTIR沥青的链结构含量。?W+D；ΩKim等人（1990）材料级别：疲劳愈合测试LAS损伤变量（S）和疲劳寿命因子（μ）。休息：25°C下30分钟。D+W；[!]Yue等人（2021）时间扫描复合剪切模量（|G*|）和相位角（δ）。休息：25°C下900秒。F；[!]Zhu等人（2024）MSCR百分比恢复（R）、不可恢复的蠕变顺应性（Jnr）和Jnr差异。在0.1/3.2千帕和67°C/70°C下的蠕变/恢复。F；[!]较高的R表示弹性恢复改善。Shirzad等人（2023）；Ye等人（2019）较高的Jnr表示较低的抗车辙性。疲劳动态模量|G*|。休息：25°C下1/6/12/24/48小时。D+W；[!]Tan等人（2012）疲劳加载循环次数（NFat）。25°C下30分钟。D+W；[!]Gaudenzi等人（2020）30分钟对于|G*|sin δ = 3兆帕。材料级别：断裂愈合测试延展性断裂长度（L）。休息：22°C下4小时。W+DQiu等人（2009）DTT最大强度（S）。休息：22°C下3/6/20/48小时。W+DQiu等人（2009）DTT最大应力（Rm）。休息：20°C下0.5/1/4/8/12/24小时。W+DLyu等人（2021）BBSP拔出拉伸强度（POTS）。休息：25°C下24小时。I+WLyu等人（2017a）注：W = 润湿；F = 流动/粘度；D = 扩散；I = 界面/粘附；Ω = 诊断（间接评估愈合）；[!]可能受到粘弹性/触变性/空间硬化效应的影响。总体而言，粘合剂级别的愈合测试仍然是隔离材料内在行为和量化温度和休息时间影响的最受控制的方法，几何噪声最小。然而，其结果取决于施加的损伤协议、休息条件和粘弹性恢复，它们无法捕捉集料结构、空气孔隙形态或混合比例限制。因此，粘合剂级别的愈合指数应被视为机制指标，而不是结构性能的预测器。5.2. 沥青胶愈合测试沥青胶是一种沥青粘合剂-填料复合材料，在路面耐久性和抗车辙性中起着关键作用。尽管不如粘合剂或混合料测试成熟，但已经开发了沥青胶测试协议来评估损伤后的机械性能恢复，通常结合显微镜和图像分析来跟踪自愈合结构变化。在这个尺度上，愈合反映了粘合剂-填料界面处的润湿/流动、扩散和重新粘附。García（2012）是最早使用断裂-愈合-断裂测试研究导电沥青胶（天然二氧化硅填料、沥青粘合剂、钢 wool纤维）开裂愈合的研究者之一。通过在-20°C下进行三点弯曲（3PB）使棱柱形沥青胶梁断裂，产生约200微米的裂缝。然后在不同温度下（15°C、30°C、40°C、50°C、70°C、90°C、110°C）加热样品以进行愈合，时间从几秒到几小时不等，并重新测试以评估最大强度，从而有效地评估了自愈合效果。Grossegger等人（2018）也使用了以下循环3PB愈合协议来评估导电沥青胶的性能（图18）：（1）3PB断裂；（2）断裂的梁在20°C下休息16小时；（3）通过电磁感应或对流加热梁；（4）愈合的梁在-17°C下休息16小时；（5）3PB重新断裂。两种加热方式都产生了快速的强度恢复，愈合水平（HL）在0.8到0.9之间，表明在热输入下润湿和流动以及界面重新粘合加速。Yama?等人（2021）使用3PB自愈合协议评估含有废油胶囊的沥青胶。程序遵循之前的3PB研究，改变愈合温度和时间以进行有效的自愈合评估。胶囊-沥青胶样品的愈合率高于对照沥青胶，且在40°C下的恢复效果优于25°C。这些结果与油释放一致，油释放降低了粘合剂粘度并促进了由润湿驱动的裂缝闭合。Lyu等人（2020）在相同的条件下对沥青胶和粘合剂应用了BBS测试（AASHTO TP-91），进行了多次循环断裂-休息-重新断裂测试，愈合时间从1到384小时，温度从5°C到40°C。石灰石填料沥青胶在所有愈合条件下的表现都优于纯粘合剂。沥青胶在40°C时接近完全的粘合强度恢复，表明沥青胶网络增强了界面处的粘合愈合。Mazzoni等人（2017）使用10赫兹的应变控制DSR时间扫描疲劳-休息-疲劳测试研究了填料含量和改性粘合剂老化对沥青胶愈合的影响。当损耗模量降至初始值的65%时停止加载。然后样品休息30分钟，并至少重复加载-休息循环12次。结果阐明了填料/粘合剂比例和老化条件如何控制沥青胶的疲劳损伤和自愈合性能。Li等人（2023c）使用DSR疲劳-休息-疲劳和DTT断裂-重新断裂测试（图19）比较了原始（纯粘合剂和石灰石）、回收（再生沥青和再生剂）以及短期和长期老化的沥青胶的愈合性能，模拟了中等和低温下的愈合性能。DSR疲劳测试在25°C、10赫兹和4%的加载应变下进行，当初始复合模量下降50%时停止。沥青胶在25°C、35°C、45°C和65°C下分别休息10到70分钟。沥青胶表现出优异的疲劳恢复性能，疲劳愈合指数在较高温度和较长休息时间内从0.8到0.9不等，反映了热激活的流动和扩散。DTT断裂测试（直接拉伸速度为100毫米/分钟）在-10°C下进行，断裂的沥青胶在25°C、35°C、45°C和65°C下分别休息4、8和12小时。沥青胶的断裂愈合指数为0.47到0.57（从宏观裂缝的恢复较低），愈合时间和温度是愈合机制的主要因素。Usanga等人（2023）使用弯曲梁流变仪（BBR）在0°C、-6°C和-12°C（AASHTO T313）研究了休息时间（硬化、松弛和愈合）对可持续沥青胶的热裂纹和蠕变恢复的影响。休息时间设置为初始弹性变形时间的两倍，以确保加载周期之间的充分愈合。结果显示填料含量影响刚度（S）和蠕变率（m），可以通过调整（较低的S和较高的m有利于应力松弛）来增强沥青胶的愈合潜力。Qiu等人（2011）将DTT断裂-休息-重新断裂测试与荧光显微镜（FM）观察相结合，以评估沥青胶的自愈合。样品在0°C下断裂，在10°C/20°C/40°C下分别愈合3/6/24小时，然后在0°C下重新断裂。FM图像（图20）记录了休息期间裂缝闭合的进展，提供了一种简单有效的诊断方法（Ω）来观察和比较沥青胶尺度上的自愈合能力。Mannan和Tarefder（2019）研究了不同粘合剂等级和填料比例的沥青胶的疲劳损伤和愈合。使用DSR疲劳-休息-疲劳测试，样品受到循环加载直到复合模量降至初始值的60%，然后在DSR疲劳测试中休息5秒到2小时。从即时愈合的强度恢复随着沥青胶填料含量的增加而减少。在同一工作中，获得了所有沥青胶的FTIR光谱。填料含量较高的沥青胶在805–1200厘米^-1的硅-氧（Si–O）带显示出更强的峰，表明粘合剂官能团的移动性受到更多限制。这降低了粘合剂的长期愈合能力。FTIR光谱证实了DSR的结果，表明沥青胶愈合指数随着细粒度和粘合剂等级的提高而下降。表4汇总了沥青胶级别的自愈合方法，包括显微镜/诊断方法（FM、AFM、SEM、FTIR）、基于流变仪的疲劳愈合（LAS、BBR、疲劳-休息-疲劳）和断裂愈合（DTT、BBS、三点弯曲）。列出了关键参数、典型条件和愈合指标，使用与表2相同的机制代码和偏差标志。参考文献用于说明目的，并非详尽列表，旨在补充上述讨论的例子。5.4. 自修复的工程解决方案
除了标准的机械测试之外，现在还采用了创新的工程解决方案（例如，无损检测（NDT）方法和建模工具）来监测沥青粘合剂、密封剂和混合物的自修复过程。这些方法可以直接或通过诊断性代理指标来捕捉裂缝闭合、粘合剂润湿/流动、扩散以及界面重新粘合的现象。最近的发展还包括引入智能材料，开发新的传感工具来检测早期损伤，以及应用机器学习和大数据分析来预测在不同条件下的自修复行为，从而实现更加主动和精确的维护策略。

X射线计算机断层扫描（CT）是一种无损技术，可以提供沥青材料内部结构的3D修复前后的（以及延时）扫描图像，从而能够定量追踪不同条件下的裂缝闭合和添加剂的分布（Chen et al., 2024; García, 2012; Lyu et al., 2020; Norambuena-Contreras et al., 2019; Su et al., 2022a）。例如，图24(a)展示了由于自修复作用导致的密封剂梁中裂缝缩小的时间分辨CT扫描结果。图24(b)展示了重建沥青混合物核心中胶囊位置的CT扫描结果，这些结果有助于将局部润湿/流动路径与修复过程相关联。

计算模拟方法（CSM），包括有限元建模（FEM）、离散元建模（DEM）和分子动力学（MD）以及相场模型，可以阐明修复机制，支持在各种条件下的性能预测，并指导沥青混合物的配方设计（Camara et al., 2023; Camara, 2024; Gao et al., 2021; He et al., 2020）。FEM已被用于研究胶囊在沥青材料中的分布（即局部分布和浓度）及其对自修复效率的影响（Gao et al., 2021; Gilabert et al., 2017）。使用刚性粒子的离散元方法（DEM）再现了与实验室观察结果一致的混合尺度粘弹性及接触模拟，为模拟沥青混合物的自修复过程建立了高效的数值基础（Camara，2024年）。分子动力学（MD）是模拟沥青自修复机制的强大工具，能够捕捉温度和静置时间依赖的分子扩散以及不同粘合剂分子模型下的润湿现象（He等人，2020年；Sun等人，2018b年）。数据驱动和机器学习工作流程与离散元方法（CSM）相结合，可以加速校准过程、提高预测精度并优化自修复材料的配方（Liao等人，2024年）。与X射线CT相比，中子断层扫描能够可视化富氢相，并对修复过程中的粘合剂运动高度敏感，能够捕捉沥青材料的实时微观结构变化和裂纹扩展情况。Liu等人（2024年）利用中子CT扫描追踪了近6小时内密封剂的微观裂纹闭合动态（图25），突显了该技术在原位表征沥青材料修复动力学方面的价值。

**图25. 中子CT时间序列追踪密封剂样品中微观裂纹（位于蓝线位置）的闭合动态（Liu等人，2024年）。**(a) 0小时后；(b) 2小时后；(c) 4小时后；(d) 6小时后。**注：每个X和Y像素对应50微米的空间分辨率。

数字图像相关（DIC）、图像处理流程和热成像技术是研究沥青材料自修复的新工具。它们通过比较不同修复阶段的图像来量化静置期间的表面应变恢复、裂纹形态演变以及加热和修复过程中的活跃区域（Atakan和Yildiz，2024年；Hasheminejad等人，2019年；Ye等人，2024b年；Zhang等人，2024c年）。这些工具主要具有诊断功能，可以绘制出润湿/流动和重新结合的位置。

声发射（AE）是一种无损检测方法，通过检测来自微观裂纹事件的弹性波（释放能量的信号）来评估沥青材料的自修复情况（Xiang等人，2024年；Ye等人，2024b年）。在静置和修复过程中，AE活性的降低和能量的变化提供了裂纹停止/闭合的定量证据，以及损伤阶段之间的转变（从初始到扩展）。例如，Ye等人（2024b年）利用AE识别了沥青混合物中不同的损伤发展阶段（如微观裂纹的起始、宏观裂纹的形成和裂纹的扩展）。

基于二次谐波生成（SHG）的非线性超声方法也可以评估沥青材料的自修复效率（Li和Chen，2021年、2022年、2024年）。SHG超声方法向沥青混合物发送高频波，产生对微缺陷/微观裂纹和修复过程高度敏感的非线性声学响应。因此，它可以检测到沥青材料损伤和修复过程中的微小变化（Li和Chen，2021年）。随着微观裂纹的闭合和界面的重新结合，该方法中使用的非线性参数β′会减小，基于β′的修复指数能够很好地识别最佳修复时间窗口（例如150分钟，如Li和Chen（2022年）所报告的），从而实现敏感且实用的实时监测。图26展示了超声SHG装置、不同样品状态和修复时间下的β′变化，以及相应的修复指数趋势。

嵌入式或打印的压电元件可以将机械变化转换为电信号，从而实现修复过程中的载荷响应和内部结构变化的原位追踪。这些信号可以与机器学习算法结合使用，以改进信号解释。Gulisano等人（2024b年）强调了压电沥青混合物的载荷感知能力。Wang和Xu（2024年）使用基于压电材料的复合材料检测了修复过程中的内部结构变化。Aygun等人（2022年）强调了压电纤维在实时监测裂纹修复方面的有效性。这些技术为智能、自修复的铺路材料提供了有前景的应用前景。

表6汇总了用于评估修复过程的各种工程和非破坏性测试方法以及建模工具，包括CT和中子断层扫描、DIC/热成像/图像处理、声发射、非线性超声（SHG）以及分子动力学/离散元方法/有限元方法/3D重建。每个条目列出了典型的设置、主要研究的机制和修复指标。参考文献仅供参考，并非详尽无遗。

**表6. 用于自修复评估的工程/无损检测和建模工具。**

| 类型 | 测试方法 | 参数和条件 | 机制 | 参考文献 |
|------------|----------------------------------|-----------------------------------------|-------------------------------------------|
| | CSM-MD模型 | 粘合剂分子扩散速率（MD） | He等人（2020年） | 验证了密度、玻璃化转变温度（Tg）、粘度和溶解度的模型 |
| | CT扫描 | X射线：210 kV和0.32 mA | Lv等人（2020年） | 在修复阶段比较X射线图像，以量化样品气孔含量的减少 |
| | 中子断层扫描 | 断裂前/后及修复期间（1–720小时） | García（2012年） | 2D切片图像 |
| | CSM-DEM模型 | 粘弹性拟合：Kelvin模型 | Camara等人（2023年） | 校准/验证了实验结果的DEM模型 |
| | 中子断层扫描 | 3D图像处理流程：重建、去噪和分割 | Liu等人（2024年） | 断裂后及修复期间（2/4/6小时）的中子CT扫描 |
| | 混合物 | 多角度扫描前后；从2D X射线进行3D重建 | Chen等人（2024年） | CSM-DEM模型 |
| | | 粒子间相互作用：基于力-位移定律 | F+D；Ω | 捕捉在不同接触律和加载条件下的沥青材料的时间依赖性粘弹性响应 |
| | | | Camara（2024年） | 沥青粘弹性：广义Kelvin模型 |
| | | 基于图像的处理方法 | | 损伤模式：内聚性、粘附性和破碎骨料 | |
| | | | Atakan和Yildiz（2024年） | 图像分类：TWS机器学习工具 |
| | | | DIC | Hi-res相机、LEDs、CDAS、放大器、NI-DAQ | |
| | | | Hasheminejad等人（2019年） | 处理（应变评估）：Istra 4D软件，最长静置18小时 |
| | 热成像方法 | 表面热成像：红外相机，不同微波功率/时间（15/30/45/60秒） | Zhang等人（2024c年） | 评估修复效率（HEL） |
| | | | | 控制温度下的声发射技术 | |
| | | | AE设备、前置放大器增益、AE传感器、数据采集系统 | |
| | | | | | |

路面尺度的观察和非破坏性测试技术提供了在真实世界交通和环境条件下自修复最直接的证据。然而，现场数据较为稀缺，常常受到维护活动的干扰，且在没有补充的实验室机制分析的情况下难以解释。在路面尺度上观察到的修复过程整合了多种机制和尺度，使得难以将这一过程归因于粘合剂或混合物的影响。因此，现场结果对于验证是不可或缺的，但作为独立指标则不够充分。

**5.5. 总结**
第5节回顾了量化沥青自修复的多尺度方法，涵盖了从粘合剂到路面的整个过程。显微镜和诊断成像技术（光学显微镜/扫描电子显微镜/原子力显微镜/傅里叶变换红外光谱、纳米压痕、X射线CT、中子CT、DIC/热成像）揭示了修复在微观和纳米尺度上的起始位置和进展方式，记录了裂纹面的润湿、粘性流动、跨微观界面的扩散以及重新粘附现象。疲劳修复协议（动态应力释放时间扫描/LAS/MSCR；IDT；2/3/4点弯曲）通过控制静置条件近似模拟服务载荷，并量化模量、寿命或能量恢复情况。断裂修复测试（动态断裂测试/3PB/SCB）直接跟踪重复断裂-静置循环中的强度和韧性恢复情况。新兴的无损检测技术（声发射、非线性超声）能够实时敏感地检测微观裂纹活动，而计算模型（分子动力学/离散元方法/有限元方法）将测量结果与机制联系起来，为自修复沥青混合物的配方设计提供信息。表2、表3、表4和表5综合了不同尺度下的协议、条件和修复指标。

跨研究，有三个显著的趋势：首先，温度和静置时间决定了修复动力学；其次，先前的损伤、老化和水分通过限制分子流动性来降低恢复能力；第三，组成和微观结构（粘合剂等级、填料类型、改性剂和胶囊）影响润湿/扩散和界面修复——有时会提升性能，有时则会阻碍修复。仔细报告损伤前的状态、静置/温度、加载条件以及所选的修复指标对于比较结果至关重要。

为了促进未来的标准化和有意义的跨研究比较，我们建议自修复实验至少报告以下内容：
(1) 材料状态：粘合剂等级和改性情况、混合物类型、气孔含量以及老化方案（短期与长期、实验室与现场）。
(2) 初始损伤：损伤方案和明确的损伤指标（例如，损伤阶段结束时的刚度/强度百分比降低、裂纹长度/密度、断裂能量损失）。
(3) 修复历史：静置时间、修复期间的温度曲线（包括任何加热/冷却周期）以及加载-静置事件的顺序。
(4) 重新测试方案：用于修复后重新评估性能的加载模式、频率、幅度和循环次数。
(5) 修复指标：修复指标的确切定义和公式，包括参考/基线点，以及该指标是否反映了刚度恢复、强度恢复、断裂能量恢复或其他响应。

展望未来，结合诊断成像、疲劳/断裂指标和原位无损检测的集成分层协议，以及基于数据驱动的分子动力学/离散元方法/有限元方法/3D重建的校准和嵌入式传感（如压电/声发射/SHG），将实现预测性、基于机制的评估和混合物设计的优化。这种融合支持主动维护和更智能的自修复材料规范制定。这些见解为标准化、跨尺度验证和耐用铺路材料的部署提供了依据，并为第2部分的讨论奠定了基础，该部分将扩展本综述，探讨工程增强策略、现场演示和可持续性/经济评估。

**6. 结论与展望**
本综述将关于沥青自修复的零散文献整合为一个连贯的多尺度图景，阐明了修复的发生机制、控制因素及其可信的测量方法。从根本上说，沥青的修复是一个受流动性限制的过程：裂纹面的润湿、粘合剂流动和粘度以及分子扩散依次且通常并行发生，接触和界面重新粘附促进了从微观到宏观尺度的性能恢复。第2节阐明了这些机制及其理论基础（分子扩散、表面能、相场模型、毛细流动），第3节区分了真正的修复与同时发生的粘弹性现象（线性粘弹性恢复、触变性和立体硬化），如果不受控制，这些现象可能会夸大修复效果。第4节将内部和外部驱动因素与这些机制相对应起来，第5节组织了不同尺度下的评估方法，指出了每种测试方法的最佳适用范围。

从这些文献综述中可以得出三个关键的见解：
• 温度和静置时间主导修复动力学，因为它们决定了粘度和扩散的时间。恢复速度迅速上升到一个平台期，并且强烈依赖于何时在损伤历史中引入静置或加热。
• 材料状态决定了可恢复性的上限：(i) 粘合剂化学性质（SARA平衡、分子量分布、聚合物改性）和老化程度设定了流动性；(ii) 混合物结构（级配、粘合剂含量/薄膜厚度、气孔系统、VMA/VFB）控制了这种流动性在中观尺度上的表现；(iii) 水分和紫外线暴露通常通过降解界面和加速氧化来抑制修复。
• 损伤状态很重要：早期微观裂纹的修复效果远优于聚合的宏观裂纹，因此任何评估都必须报告目标损伤和加载方案，以便进行公平比较。

综述还明确了需要测量什么以及为什么测量。显微镜和诊断成像技术（光学显微镜/扫描电子显微镜/原子力显微镜/傅里叶变换红外光谱、纳米压痕、X射线和 neutron CT、DIC/热成像）可以定位修复的起始位置和进展方式，这对于归因于不同机制和区分修复与触变性/立体效应至关重要。在动态应力释放时间扫描和弯曲测试中的疲劳修复协议提供了与服务相关的恢复指标（模量、寿命、能量），前提是损伤前、温度、波形和静置条件得到明确控制。断裂修复测试（动态断裂测试/3PB/SCB）可以确定强度和韧性的恢复情况，但需要注意重复性和断裂后的处理。新兴的无损检测方法（声发射、非线性超声）提供了对微观裂纹活动的实时敏感性，而分子动力学/离散元方法/有限元方法提供了机制解释，有助于弥合不同尺度之间的差距。这些工具共同支持分层表征：诊断技术用于定位和记录修复时间，机械测试用于量化功能恢复，模型用于跨材料的通用化。

在实际应用中，可以从因素-机制图中自然得出几个原则：
- 在不损坏结构的情况下启用流动性，使用适度的加热/静置窗口以降低粘度并促进扩散，但避免排水或过热。
- 在设计阶段就考虑可修复性，选择有利于润湿和扩散的粘合剂化学性质和混合物特性（粘合剂含量/薄膜厚度、级配、气孔含量），同时考虑老化趋势和水分敏感性。
- 尽早干预，在损伤仍处于微观阶段时安排静置/加热，因为超过阈值裂纹尺寸后，可恢复性会急剧下降。

尽管取得了实质性进展，但目前不同尺度上的修复测量结果的可靠性仍然不均衡。粘合剂级别的测试较为可靠，但过于简化；混合物级别的测试更具代表性，但对样品制备、气孔结构和加载历史非常敏感；而路面尺度的观察虽然重要，但数据稀少且难以标准化。定义和修复指标仍然存在差异，许多报告没有明确区分自修复、触变性和立体硬化。这些方法论上的差距阻碍了跨研究的比较，并限制了机制洞察向设计实践的转化。优先事项已经明确：（1）协调各项协议，并明确报告损伤前和愈合过程中的条件，包括偏差控制；（2）建立参考材料并进行循环研究以确定基准指标；（3）通过将成像诊断结果与机械恢复过程联系起来，在不同尺度上进行验证；（4）利用无损传感技术扩展在役监测，以量化实际交通和气候条件下的愈合情况。将这些数据与校准后的MD/DEM/FEM模型相结合，将有助于提高基于机制的预测准确性，并为基于性能的规范制定提供支持。未来工作的重点之一是在真实的气候和交通条件下量化材料的自愈能力，从而能够严格评估外部激活技术的额外贡献。建立这一自然基线对于区分材料自愈效果与外部激活技术带来的效果至关重要。与之前的综述相比，本第一部分独特地将愈合机制、材料与加载相关因素之间的相互作用以及多尺度评估方法整合到一个以机制为中心的框架中。通过明确区分真正的自愈现象与其他形式的粘弹性恢复，并阐明各种机制、因素和测试协议在粘合剂、填缝料、混合物和路面不同尺度上的关联方式，本综述提供了一个结构化的基础，这是现有以技术或尺度为限制的调研中所缺乏的。该框架还为理解第二部分中讨论的增强策略和激活技术提供了必要的机制基础。最后，虽然第一部分确立了科学基础、相关机制、影响因素和评估方法，但第二部分进一步探讨了工程增强方法（如感应/微波加热、封装和再生策略）、现场示范以及可持续性评估，从而完成了从机制研究到实际应用的整个过程。

作者贡献声明：
Carlos D.A. Loureiro：撰写初稿、方法论制定、调查实施、概念构思。
Joel R.M. Oliveira：撰写修订稿、监督工作、概念构思。
Hugo M.R.D. Silva：撰写修订稿、监督工作、概念构思。

未引用的参考文献：
Haimei和Guo，2023年；Wang等人，2024年。