本文题为《Low-Temperature Cracking and Improvement Methods for Asphalt Pavement in Cold Regions: A Review》，由Rui Ma、Yiming Li、Peifeng Cheng、Xiule Chen和Aoting Cheng共同撰写。作者单位包括东北林业大学（Northeast Forestry University, NEFU）土木与交通工程学院以及龙建路桥股份有限公司。该论文发表于期刊《Buildings》2024年第14卷第3802期，于2024年11月28日正式出版。

这是一篇关于寒冷地区沥青路面低温开裂问题及其改善方法的系统性综述论文。文章旨在全面梳理过去40年间该领域的研究成果，深入分析低温开裂的类型、成因、影响因素、评价指标以及改进方法，为提升寒冷地区沥青路面服役质量提供理论指导和实践参考。论文的核心主题是探讨如何通过理解开裂机理并综合运用结构设计、材料改性及工艺技术等手段，有效提升寒冷地区沥青路面的低温抗裂性能。

论文的主要观点与论述

观点一：寒冷地区沥青路面低温开裂是多种因素共同作用的复杂病害，主要可归纳为温度型、老化型和荷载型三大类，其中温度收缩裂缝和热疲劳裂缝是主要表现形式。 论文指出，沥青作为温度敏感性材料，其性能受外部环境影响显著。在寒冷地区，由于年平均气温低、日温差大、冻融循环剧烈，沥青路面极易发生开裂。论文将开裂类型系统分为三类：温度型、老化型和荷载型。温度型开裂是寒冷地区的典型特征，主要表现为温度收缩裂缝和热疲劳裂缝。温度收缩裂缝通常由单次极端低温或大幅降温引起，导致材料收缩产生的热应力迅速超过其极限抗拉强度。论文以西藏高原的研究为例，说明降温幅度越大、路面表层承受的热应力越高，当一小时内降温15°C时，路面最大热应力可达3.33 MPa。热疲劳裂缝则源于频繁的温度波动，这种反复的热应力作用会降低混合料的极限拉伸应变，在低温和快速降温条件下，材料应力松弛能力下降，导致热应力持续累积，引发疲劳损伤。论文引用青藏高原的数据，指出该地区昼夜温差可达25°C以上，路面结构在一天中反复承受拉压应力循环，加之年度冻融周期的协同作用，极大地缩短了沥青路面的疲劳寿命。老化型开裂包括物理硬化、化学老化和微生物老化，其中由低温引起的物理硬化是导致沥青早期开裂的首要因素。论文引用加拿大安大略省的现场研究，说明沥青在低温下处理会发生蜡结晶等现象，导致粘结剂与集料界面分离或产生微裂纹，材料的应力松弛无法有效抵消物理硬化效应。荷载型开裂则与实际交通量超过设计预期、施工质量缺陷、超载行为等有关，在寒冷地区相较于温度因素，其发生频率相对较低。这一分类和成因分析为后续有针对性地提出改善措施奠定了理论基础。

观点二：影响沥青路面低温开裂的因素可归纳为结构设计、路面材料、工艺技术和气候环境四大类，其中面层刚度、基层类型和降温速率的影响最为显著。 论文通过系统梳理文献，将影响因素归纳为四个主要方面。在结构设计方面，面层厚度和刚度是关键。研究显示，当面层厚度小于4.8厘米时，开裂风险从24%显著增加至48%；当面层刚度从300 MPa以上降至100 MPa时，开裂概率从42.45%下降至21.84%。面层刚度被认为是影响低温开裂最显著的因素，贡献率约为17.3%。基层类型也至关重要，半刚性基层虽然稳定性好，但其材料收缩导致的反射裂缝难以避免；而设计合理的柔性基层则能提供足够的柔韧性，有效抑制反射裂缝。论文还指出，路基土颗粒越大，路面结构的低温性能越差，其低温性能排序为粘土 > 粉质粘土 > 砂土。交通量和路龄也对开裂有影响，但相对而言，交通量的影响较小，而随着路龄增长，沥青的老化会使其柔韧性下降，整体刚度增加但强度降低，路面性能逐渐恶化。在路面材料方面，沥青标号、改性剂类型、纳米材料、级配组成等都起着重要作用。例如，SBR（丁苯橡胶）改性沥青混合料的低温抗裂性通常优于SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）改性沥青混合料。纳米材料的加入可以促进其在粘结剂中的纳米级分散，增强相溶性，显著提高抗裂性。骨架密实结构或减小公称最大粒径有利于提高混合料的低温弯曲强度。在工艺技术方面，论文强调了温拌沥青（Warm Mix Asphalt）工艺的价值，它通过降低混合料的拌和与压实温度（可降低20-40°C），在寒冷地区能有效改善施工和易性并提升低温性能。此外，连续铺装压实技术相比间断铺装，能减少层间温度损失和污染，增强层间粘结，从而提高整体结构的抗裂性。在气候环境方面，环境温度与路面温度显著相关，温度每降低1°C，沥青的蠕变劲度平均增加44.97 MPa。高纬度地区年平均温度低、低温持续时间长，高海拔地区则紫外线辐射强，加剧沥青老化。冻融循环次数的增加会显著降低路面材料的内部断裂应力、应变能密度和弯曲劲度模量。论文总结指出，面层刚度、基层类型和降温速率这三者对路面低温开裂的影响最大，合计约占所有开裂因素的45.4%。

观点三：评价沥青及沥青混合料低温性能的指标和方法多样，需根据实际情况综合选用，其中基于流变学的试验方法（如BBR、EBBR）和断裂力学方法（如SCB、TSRST）应用广泛。 论文回顾和总结了多种低温性能评价指标与方法。早期的评价方法如弗拉斯脆点（Fraser Brittle Point），由于重复性差已较少使用。温度敏感性指标如针入度指数（Penetration Index, PI）和针入度-粘度数（Penetration Viscosity Numbers, PVNs）可用于表征沥青的温度敏感性。目前，基于美国战略公路研究计划（SHRP）的弯曲梁流变试验（Bending Beam Rheometer test, BBR）和直接拉伸试验（Direct Tension Test, DTT）是评价沥青胶结料低温开裂性能的主要方法。BBR试验要求蠕变劲度（S）≤ 300 MPa，蠕变速率（m）≥ 0.3。论文指出，单独使用S或m指标评价有局限性，需结合使用。扩展弯曲梁流变仪（Extended Bending Beam Rheometer, EBBR）试验进一步考虑了沥青低温物理硬化导致的性能等级损失，使评价更为准确。基于粘弹性理论的Burgers模型被广泛用于表征沥青的蠕变恢复和应力松弛行为。玻璃化转变温度（Tg）也是一个重要参数，研究表明沥青混合料的弯曲破坏应变与沥青及混合料的Tg具有高度相关性（相关系数R分别达0.926和0.975）。此外，论文还介绍了其他评价方法：低温延度（如4°C或0°C延度）在一些国家的标准中仍有规定；韧性比（Rt/V）与BBR的m值拟合相关性高，适用于高等级改性沥青；半圆弯曲试验（Semi-Circular Bend test, SCB）可获取峰值前斜率（SBP）和断裂能（Gf）来评价抗裂性；低温粘度测试可通过专用流变仪获取零剪切粘度等参数；约束试件温度应力试验（Thermal Stress Restrained Specimen Test, TSRST）的断裂温度与弯曲应变能灰色关联度最大，可作为主要评价指标；双边缺口拉伸试验（Double-Edge-Notched Tension test, DENT）可获取断裂功和裂纹尖端开口位移（CTOD）；极限相位角温度（如T30°）与经冷调节后的BBR极限温度具有高相关性。这些多样化的评价体系为科研和工程人员全面、准确地评估材料低温性能提供了工具。

观点四：提升寒冷地区沥青路面低温抗裂性能需从路面结构、改性技术和工艺方法等多方面综合施策，其中沥青改性是最有效的手段之一，平均可提升低温性能达143%。 论文从三个层面系统阐述了改善方法。在路面结构层面，论文提倡采用连续铺装压实技术（CCBA），即在水泥稳定基层初凝前立即摊铺沥青面层并整体压实，这能有效抑制基层开裂并增强层间粘结，研究表明在低温条件下，连续铺装可使AC13/AC16和AC16/AC20试件的低温抗弯拉强度分别提高24%和27%。增加下面层压实次数和压实温度、适当增厚上面层厚度也能有效改善抗裂性。基层结构选择上，与半刚性基层相比，全厚式沥青路面（Full-depth asphalt pavement）和柔性基层能有效避免反射裂缝。论文引用对四川西北高原国道213线的现场研究数据，显示采用柔性基层（如沥青稳定碎石ATB-30或级配碎石）的路段，其沥青面层在服务期内未出现裂缝，而半刚性基层路段则裂缝频发。设置功能层（如应力吸收层）是另一种有效方法，该层具有高弹性和柔韧性，能吸收和消散基层开裂应力，延缓裂缝向上扩展。当应力吸收层厚度为1-2.5厘米、设计孔隙率1.0-2.5%、模量400-600 MPa时，改善效果较好。在改性技术层面，论文指出沥青混合料约80%的低温性能取决于沥青本身，因此改性沥青是提升抗裂性的核心。论文详细评述了各类改性剂：橡胶类中，SBR能形成高弹性网络结构，显著增强低温抗裂性，推荐掺量为4-6%；天然橡胶（NR）和氯丁橡胶（CR）也被证明能有效改善低温性能，CR改性沥青甚至在-30°C下仍能满足规范要求。热塑性弹性体类中，SBS通过与沥青发生交联和接枝反应形成网络结构，是应用广泛的改性剂；SEBS（苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物）由于不含易热降解的双键，相容性和稳定性更优。论文还提到了TAFPACK-Super（TPS）等用于排水路面的专用改性剂。纳米材料（如纳米二氧化硅、纳米纤维）的掺入能改善相溶性并起到桥接和传递应力的作用。论文特别强调，沥青改性在众多改善方法中表现出色，约占所评价改善方法的50%，平均可提升低温性能达143%。在工艺方法层面，除了前述的连续铺装和温拌技术，优化改性剂的制备参数（如发育时间、剪切速率、温度）也对最终性能有重要影响。

论文的意义与价值

本综述论文具有重要的学术价值和工程指导意义。在学术上，它系统性地整合了过去四十年来关于寒冷地区沥青路面低温开裂的全球研究成果，构建了一个从病害类型、成因机理、影响因素、评价方法到改善策略的完整知识框架。论文不仅梳理了历史脉络，还通过文献计量分析（如使用VOSviewer）揭示了该领域的研究热点和发展趋势。在工程实践上，论文为寒冷地区的道路设计、材料选择、施工工艺和养护维修提供了全面且具有可操作性的指导。它明确指出，单一的改进措施往往效果有限，需要从结构、材料、工艺、环境多维度进行综合设计与优化。论文特别强调了沥青改性的高效性以及连续施工、柔性基层、功能层等结构性措施的重要性，这些结论对于降低寒冷地区道路的养护成本、延长使用寿命、保障行车安全具有直接的参考价值。该论文是一份内容详实、论证充分、指导性强的权威综述，对推动寒冷地区沥青路面技术的进步具有显著的贡献。