《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
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瀝青路面疲勞開裂是其主要病害模式之一。雖然瀝青混合料具有自愈合能力，但傳統疲勞壽命預測模型因采用固定的愈合參數而精度受限。為定量分析疲勞對自愈合性能的影響，本研究簡化了間接拉伸（IDT）疲勞-愈合試驗，建立了改進的愈合模型，評估了老化、動態水循環、溫度和荷載水平對自愈合性能的影響，并在熱拌瀝青斷裂力學（HMA-FM）框架內，建立了一種包含可量化愈合參數的疲勞壽命預測方法。通過與IDT疲勞試驗的實測壽命對比驗證，結果表明，該方法能有效表征自愈合性能在疲勞過程中的退化，顯著提高預測精度（相比傳統模型提升24%至45%），為深入理解瀝青混合料疲勞機理和精準預測疲勞壽命提供了重要理論模型與評估方法。
對于每天承載著數億噸交通流量的道路來說，疲勞開裂如同潛伏的“慢性病”，是導致其結構性能衰退、使用壽命縮短的主要原因之一。有趣的是，瀝青路面材料本身具備一種類似于生物體傷口愈合的“自愈”能力，能夠在荷載間歇期部分恢復其抗裂性能，從而延緩疲勞破壞的進程。然而，這項“自我修復”的本領并非一成不變。在實際服役環境中，路面經受著日復一日的車輛碾壓、風吹日曬、雨雪侵蝕以及材料自身的老化，這些復雜因素會逐漸削弱其自愈能力。傳統的路面設計模型常常簡單地將材料的自愈合能力視為一個固定值，這就像假設一個人的傷口愈合速度始終保持不變，忽略了年齡、健康狀況等影響因素，顯然難以準確預測路面的真實疲勞壽命。那么，疲勞損傷究竟如何一步步侵蝕材料的自愈潛能？環境因素又扮演了怎樣的角色？能否建立一個更精確的模型，將這種動態變化的愈合能力納入疲勞壽命的預測中？這正是同濟大學研究團隊在發表于《Case Studies in Construction Materials》上的這項研究中試圖解答的核心問題。
為了精準量化疲勞過程中自愈合性能的演化，研究人員采用了一種簡化的間接拉伸（IDT）疲勞-愈合試驗方法。該方法的核心在于交替進行固定次數的疲勞加載和固定時長的愈合休息周期，通過監測每個循環中材料的力學響應來追蹤其性能變化。研究團隊從中國甘肅G316國道的兩個路段鉆取了服役十年的現場芯樣，并在實驗室制備了對應的AC-13和AC-20兩種級配的瀝青混合料試件，分別采用基質瀝青和SBS改性瀝青。研究系統地評估了長期烘箱老化（LTOA）、動態水循環、不同測試溫度（0°C和25°C）以及兩種應力水平（1.2 kN和4.8 kN）對材料性能的影響。在數據分析層面，他們創造性地引入了一個基于能量的關鍵參數——耗散蠕變應變能（DCSE），用以區分粘彈性延遲恢復與真正的損傷愈合。通過建立DCSE在加載與愈合階段的演化模型，推導出了歸一化愈合速率（hr）這一指標，用以量化自愈合性能。最終，將hr與疲勞加載次數的函數關系整合到熱拌瀝青斷裂力學（HMA-FM）框架中，構建了能夠考慮自愈合性能退化的疲勞壽命預測新方法。
結果部分主要發現如下：
3.1. 荷載對蠕變和延遲彈性恢復的影響
研究通過分析不同應力水平下的應變-時間曲線發現，在低應力（1.2 kN）下，瀝青混合料的蠕變應變可以通過足夠的愈合時間完全恢復，其恢復曲線形狀在不同愈合時長下保持一致。然而，在高應力（4.8 kN）下，蠕變應變無法完全恢復，且恢復曲線隨著愈合時間的增加發生偏移，表明損傷累積影響了延遲彈性恢復行為，降低了恢復效率。計算得到的歸一化愈合速率（hr）能夠有效量化瀝青混合料的內在自愈合性能，且受愈合時間影響較小。
3.2. 影響自愈合參數hr的因素分析
3.2.1. 荷載和溫度對hr的影響
在低應力條件下，AC-20混合料表現出最高的hr值（0.215），而SBS改性對hr影響甚微。在0°C至25°C范圍內，hr隨溫度降低而下降。但在高應力條件下，聚合物改性瀝青（PMA）混合料表現出更高的hr值，表明其在嚴苛荷載下能更好地維持自愈合能力。現場芯樣的hr普遍低于實驗室新拌試件，尤其在25°C時差異更明顯，揭示了長期環境暴露導致的自愈合性能退化。
3.2.2. 老化對hr的影響
長期烘箱老化（LTOA）顯著降低了瀝青混合料的hr。例如，在4.8 kN荷載下，AC-20混合料的hr從0天老化后的0.112急劇下降到15天老化后的0.071，降幅達36.6%。相比之下，PMA混合料hr的下降速度更慢，證實了其優異的抗老化性能，這有助于其在長期使用中保持更好的自愈合性能。
3.2.3. 動態水對hr的影響
動態水循環會加劇hr的降低，且這種降低呈現非線性趨勢。在4.8 kN高應力下，hr的下降速率（73.0%）約為低應力（1.2 kN）下（37.1%）的兩倍。研究表明，一旦外部應力超過臨界閾值，重復加載將成為主導自愈合性能退化的主要因素，而動態水循環則進一步加劇了這一非線性退化過程。
3.3. 疲勞誘導的自愈合性能退化
研究發現，hr隨加載循環次數的增加而非線性下降，表明自愈合性能是加載歷史的函數，而非固定值。在所有測試條件下（不同老化、動態水、溫度），增加老化時長和動態水循環次數都會加速hr的退化。然而，PMA混合料在所有條件下都表現出比基質瀝青混合料更慢的hr退化速率，凸顯了其在復雜環境下的耐久性優勢。通過數據擬合，hr與加載循環次數之間的關系可以用對數函數描述，其參數H1和H2分別決定了初始愈合速率和退化速率。顯著性分析表明，在低應力下，溫度和動態水是影響H1和H2的顯著因素，而老化的影響不顯著；但在高應力下，老化、動態水和瀝青類型均成為顯著影響因素。
研究結論與重要意義
本研究成功地通過簡化的IDT疲勞-愈合試驗和基于能量的分析方法，定量刻畫了瀝青混合料自愈合性能在疲勞過程中的非線性退化行為。研究明確了歸一化愈合速率（hr）可作為衡量自愈合性能退化的有效指標，并系統評估了荷載水平、溫度、老化及動態水循環對其的影響。關鍵的發現包括：自愈合性能隨疲勞損傷累積而退化；聚合物改性瀝青（PMA）能有效減緩高應力下自愈合性能的退化；環境因素（老化、水）與力學荷載協同加速了性能衰減。
這項研究最重要的貢獻在于，它將自愈合參數（hr）的動態演化模型整合到了熱拌瀝青斷裂力學（HMA-FM）框架中，從而建立了一個更為精確的疲勞壽命預測方法。驗證結果表明，相較于使用固定或忽略愈合參數的傳統模型，新方法的預測精度提高了24%至45%。這標志著在瀝青路面疲勞壽命預測領域，從使用靜態參數向考慮性能動態演變的模型邁出了重要一步。該成果不僅為深入理解瀝青混合料在復雜環境下的疲勞-愈合交互機理提供了新的視角和定量工具，也為未來設計更長壽命、更耐久的瀝青路面材料與結構提供了重要的理論依據和設計參數。
