沥青混合料疲劳诱导自愈合性能退化：基于能量的表征与疲劳寿命预测方法

《Case Studies in Construction Materials》：Fatigue-Induced Degradation of Self-Healing Properties of Asphalt Mixtures: An Energy-Based Characterization and a Fatigue Life Prediction Method

沥青路面疲劳开裂是其主要病害模式之一。虽然沥青混合料具有自愈合能力，但传统疲劳寿命预测模型因采用固定的愈合参数而精度受限。为定量分析疲劳对自愈合性能的影响，本研究简化了间接拉伸（IDT）疲劳-愈合试验，建立了改进的愈合模型，评估了老化、动态水循环、温度和荷载水平对自愈合性能的影响，并在热拌沥青断裂力学（HMA-FM）框架内，建立了一种包含可量化愈合参数的疲劳寿命预测方法。通过与IDT疲劳试验的实测寿命对比验证，结果表明，该方法能有效表征自愈合性能在疲劳过程中的退化，显著提高预测精度（相比传统模型提升24%至45%），为深入理解沥青混合料疲劳机理和精准预测疲劳寿命提供了重要理论模型与评估方法。

　　

对于每天承载着数亿吨交通流量的道路来说，疲劳开裂如同潜伏的“慢性病”，是导致其结构性能衰退、使用寿命缩短的主要原因之一。有趣的是，沥青路面材料本身具备一种类似于生物体伤口愈合的“自愈”能力，能够在荷载间歇期部分恢复其抗裂性能，从而延缓疲劳破坏的进程。然而，这项“自我修复”的本领并非一成不变。在实际服役环境中，路面经受着日复一日的车辆碾压、风吹日晒、雨雪侵蚀以及材料自身的老化，这些复杂因素会逐渐削弱其自愈能力。传统的路面设计模型常常简单地将材料的自愈合能力视为一个固定值，这就像假设一个人的伤口愈合速度始终保持不变，忽略了年龄、健康状况等影响因素，显然难以准确预测路面的真实疲劳寿命。那么，疲劳损伤究竟如何一步步侵蚀材料的自愈潜能？环境因素又扮演了怎样的角色？能否建立一个更精确的模型，将这种动态变化的愈合能力纳入疲劳寿命的预测中？这正是同济大学研究团队在发表于《Case Studies in Construction Materials》上的这项研究中试图解答的核心问题。

为了精准量化疲劳过程中自愈合性能的演化，研究人员采用了一种简化的间接拉伸（IDT）疲劳-愈合试验方法。该方法的核心在于交替进行固定次数的疲劳加载和固定时长的愈合休息周期，通过监测每个循环中材料的力学响应来追踪其性能变化。研究团队从中国甘肃G316国道的两个路段钻取了服役十年的现场芯样，并在实验室制备了对应的AC-13和AC-20两种级配的沥青混合料试件，分别采用基质沥青和SBS改性沥青。研究系统地评估了长期烘箱老化（LTOA）、动态水循环、不同测试温度（0°C和25°C）以及两种应力水平（1.2 kN和4.8 kN）对材料性能的影响。在数据分析层面，他们创造性地引入了一个基于能量的关键参数——耗散蠕变应变能（DCSE），用以区分粘弹性延迟恢复与真正的损伤愈合。通过建立DCSE在加载与愈合阶段的演化模型，推导出了归一化愈合速率（h_r）这一指标，用以量化自愈合性能。最终，将h_r与疲劳加载次数的函数关系整合到热拌沥青断裂力学（HMA-FM）框架中，构建了能够考虑自愈合性能退化的疲劳寿命预测新方法。

结果部分主要发现如下：

3.1. 荷载对蠕变和延迟弹性恢复的影响

研究通过分析不同应力水平下的应变-时间曲线发现，在低应力（1.2 kN）下，沥青混合料的蠕变应变可以通过足够的愈合时间完全恢复，其恢复曲线形状在不同愈合时长下保持一致。然而，在高应力（4.8 kN）下，蠕变应变无法完全恢复，且恢复曲线随着愈合时间的增加发生偏移，表明损伤累积影响了延迟弹性恢复行为，降低了恢复效率。计算得到的归一化愈合速率（h_r）能够有效量化沥青混合料的内在自愈合性能，且受愈合时间影响较小。

3.2. 影响自愈合参数h_r的因素分析

3.2.1. 荷载和温度对h_r的影响

在低应力条件下，AC-20混合料表现出最高的h_r值（0.215），而SBS改性对h_r影响甚微。在0°C至25°C范围内，h_r随温度降低而下降。但在高应力条件下，聚合物改性沥青（PMA）混合料表现出更高的h_r值，表明其在严苛荷载下能更好地维持自愈合能力。现场芯样的h_r普遍低于实验室新拌试件，尤其在25°C时差异更明显，揭示了长期环境暴露导致的自愈合性能退化。

3.2.2. 老化对h_r的影响

长期烘箱老化（LTOA）显著降低了沥青混合料的h_r。例如，在4.8 kN荷载下，AC-20混合料的h_r从0天老化后的0.112急剧下降到15天老化后的0.071，降幅达36.6%。相比之下，PMA混合料h_r的下降速度更慢，证实了其优异的抗老化性能，这有助于其在长期使用中保持更好的自愈合性能。

3.2.3. 动态水对h_r的影响

动态水循环会加剧h_r的降低，且这种降低呈现非线性趋势。在4.8 kN高应力下，h_r的下降速率（73.0%）约为低应力（1.2 kN）下（37.1%）的两倍。研究表明，一旦外部应力超过临界阈值，重复加载将成为主导自愈合性能退化的主要因素，而动态水循环则进一步加剧了这一非线性退化过程。

3.3. 疲劳诱导的自愈合性能退化

研究发现，h_r随加载循环次数的增加而非线性下降，表明自愈合性能是加载历史的函数，而非固定值。在所有测试条件下（不同老化、动态水、温度），增加老化时长和动态水循环次数都会加速h_r的退化。然而，PMA混合料在所有条件下都表现出比基质沥青混合料更慢的h_r退化速率，凸显了其在复杂环境下的耐久性优势。通过数据拟合，h_r与加载循环次数之间的关系可以用对数函数描述，其参数H₁和H₂分别决定了初始愈合速率和退化速率。显著性分析表明，在低应力下，温度和动态水是影响H₁和H₂的显著因素，而老化的影响不显著；但在高应力下，老化、动态水和沥青类型均成为显著影响因素。

研究结论与重要意义

本研究成功地通过简化的IDT疲劳-愈合试验和基于能量的分析方法，定量刻画了沥青混合料自愈合性能在疲劳过程中的非线性退化行为。研究明确了归一化愈合速率（h_r）可作为衡量自愈合性能退化的有效指标，并系统评估了荷载水平、温度、老化及动态水循环对其的影响。关键的发现包括：自愈合性能随疲劳损伤累积而退化；聚合物改性沥青（PMA）能有效减缓高应力下自愈合性能的退化；环境因素（老化、水）与力学荷载协同加速了性能衰减。

这项研究最重要的贡献在于，它将自愈合参数（h_r）的动态演化模型整合到了热拌沥青断裂力学（HMA-FM）框架中，从而建立了一个更为精确的疲劳寿命预测方法。验证结果表明，相较于使用固定或忽略愈合参数的传统模型，新方法的预测精度提高了24%至45%。这标志着在沥青路面疲劳寿命预测领域，从使用静态参数向考虑性能动态演变的模型迈出了重要一步。该成果不仅为深入理解沥青混合料在复杂环境下的疲劳-愈合交互机理提供了新的视角和定量工具，也为未来设计更长寿命、更耐久的沥青路面材料与结构提供了重要的理论依据和设计参数。