本研究由Marek Pszczoła, Cezary Szydłowski, Mariusz Jaczewski三位作者完成，他们均来自波兰格但斯克理工大学（Gdańsk University of Technology）土木与环境工程学院公路与交通工程系。该项研究成果发表于Construction and Building Materials期刊第204卷（2019年），论文正式发表日期为2019年，收稿日期为2018年5月8日，修订稿收到于2018年12月1日，最终被接受日期为2019年1月25日。
该研究属于道路工程与建筑材料科学交叉领域，具体聚焦于沥青混合料的低温性能评价。研究背景在于，尽管全球平均气温上升，但许多北方地区在严冬季节仍会经历极端的日低温，这可能导致沥青路面产生横向裂缝。当温度降至极低（如低于-20°C或-30°C）且材料变得僵硬时，受约束的路面层内会产生无法释放的拉应力，一旦超过材料的断裂强度，便会引发开裂。为了评估沥青混合料的低温抗裂性能，实验室常采用热应力约束试件试验（Thermal Stress Restrained Specimen Test, TSRST）等方法。然而，标准TSRST试验采用的冷却速率（10°C/h）远高于实地观测到的路面冷却速率（通常为0.5-3°C/h），这可能导致试验结果与实际性能存在偏差。此外，改性沥青（如SBS改性）和各类添加剂（如纤维、橡胶）对混合料低温性能的影响虽有一些研究，但在特定条件下的效果，尤其是冷却速率、高掺量SBS改性沥青和不同长度纤维的影响，仍需进一步明确。因此，本研究的主要目标是系统评估冷却速率（1°C/h， 3°C/h， 5°C/h， 10°C/h）、沥青类型（基质沥青、SBS改性沥青、高SBS改性沥青）以及添加剂（不同长度的芳纶纤维、胶粉）对沥青混合料低温性能（采用TSRST和间接拉伸试验ITT评价）的综合影响，并基于TSRST结果反算刚度模量，以更深入地理解各因素的影响机制。
研究的详细工作流程包括以下几个主要环节： 1. 材料准备与试样制备： 研究选用用于面层的AC 11 S型沥青混凝土作为基准混合料。首先，按照欧洲标准EN 13108-1和波兰技术指南WT-2 2014设计了以50/70基质沥青为基准的配合比。随后，选取了六种沥青进行低温性能测试：两种基质沥青（50/70和35/50）、一种胶粉改性沥青（35/50 R）、三种SBS聚合物改性沥青（45/80–55和25/55–60，SBS含量约3%质量比）以及一种高SBS改性沥青（25/55–80，SBS含量约7%质量比）。在添加剂影响研究中，以35/50基质沥青混合料为基准，分别掺加了两种长度的芳纶-聚α烯烃纤维（19毫米F19和38毫米F38，掺量为混合料质量的0.05%）以及胶粉（通过将特定比例的磨细轮胎橡胶和聚合物与沥青在实验室混合制备）。所有混合料均使用实验室搅拌机按照EN 12697-35标准制备，并进行短期老化。采用碾压压实机（EN 12697-33）先成型305x305x80 mm的板状试件，然后切割成40x40x160 mm的棱柱形梁试件用于TSRST试验，压实温度根据沥青类型（基质沥青135°C±5°C，SBS改性沥青145°C±5°C）进行控制，以确保最终压实度达到马歇尔密度的98-100%。此外，还制备了旋转压实试件（直径100 mm，高50 mm）用于间接拉伸试验。
2. 试验方法与数据分析流程： 核心低温性能评价采用两种方法：热应力约束试件试验（TSRST）和间接拉伸试验（ITT）。TSRST试验严格依据EN 12697-46标准进行，使用Pavetest公司生产的TSRST-Multi多工位热沥青系统伺服电动设备。试件在固定长度约束下，以设定的恒定速率降温（标准为10°C/h，本研究额外考察了1，3，5°C/h）。试验记录并分析产生的热应力随温度变化的曲线，从中获取关键参数：失效温度（T_failure，试件断裂时的温度）、失效应力（σ_cry，failure，最大热应力）、-20°C时的热应力（σ_cry，@-20°C）、弹性区斜率（α2）和应力松弛区斜率（α1）以及切线点温度（Tg）。对于不同沥青类型和添加剂的研究，均采用标准10°C/h冷却速率进行TSRST测试。每个试验条件测试3个试件以确保结果可靠性。间接拉伸试验（ITT）主要用于评估冷却速率对刚度模量的影响，依据EN 12697-26标准，在可编程恒温箱中进行。试件以两种冷却速率（3°C/h和10°C/h）从+25°C降至-20°C，并在-20°C等温储存1、24、72小时后测量其刚度模量，以考察物理硬化现象。 数据分析的核心创新点之一是利用TSRST结果反算混合料的刚度模量。研究采用相对简单的Hills and Brien方法（公式：σ(ti)=αl * Σ[S(t, ti) * Δt]），通过最小二乘法计算每个试件在不同温度下的刚度模量。该方法虽然未考虑应力松弛和物理硬化的影响，但为本研究提供了一种简便且直观的分析工具，用于比较不同因素对混合料低温劲度的影响趋势。此外，研究还基于波兰17个气象站长达10年的路面温度监测数据，分析了路面实际冷却速率的概率分布，为实验室冷却速率的选择提供了实地依据。
3. 主要研究结果： 3.1 实地冷却速率分析： 对超过330万条气象记录的分析表明，实地路面表面冷却速率超过3°C/h的概率小于1%，超过2.1°C/h的概率小于1%，而95%的概率下冷却速率低于1.2°C/h。这证实了标准TSRST试验采用的10°C/h冷却速率是极端且高于绝大多数实地条件的。
3.2 冷却速率对刚度模量和TSRST结果的影响： 间接拉伸试验（ITT）结果表明，冷却速率对沥青混合料的刚度模量有显著影响。在相同的等温储存时间下，10°C/h冷却速率下的刚度模量值明显高于3°C/h冷却速率下的值。等温储存时间（物理硬化）也会增加模量，但冷却速率的影响更为显著。更高的刚度模量理论上会导致更差的低温抗裂性。 TSRST结果进一步证实，冷却速率对失效温度有重要影响。冷却速率越高，测得的失效温度也越高。例如，对于35/50基质沥青混合料，10°C/h下的失效温度为-22.4°C，而3°C/h下则降至-25.0°C。统计分析表明，1°C/h和3°C/h之间、5°C/h和10°C/h之间的失效温度差异不显著，但1-3°C/h组与5-10°C/h组之间存在显著差异，表明冷却速率超过3°C/h会显著改变失效温度结果。在评估冷却速率对热应力的影响时，研究发现-20°C时的热应力比失效应力更具区分度。冷却速率从1°C/h增至5°C/h时，-20°C热应力显著增加；但从5°C/h增至10°C/h时，增加不再显著。
3.3 沥青类型对TSRST结果的影响： 沥青类型是影响TSRST结果的最主要因素。使用35/50基质沥青的混合料失效温度最高（-22.3°C）。SBS改性沥青（25/55-60）改善了失效温度至-24.9°C，但其-20°C热应力和切线点温度（Tg）甚至比35/50基质沥青更不利，表明其在较高温度下更快进入弹性区，应力松弛能力减弱，对温缩开裂更敏感。表现最好的是高SBS改性沥青（25/55-80），其失效温度最低（-33.5°C），显示了高聚合物含量对提升低温性能的积极作用。不同沥青的刚度模量反算结果也可分为三组：35/50和25/55-60模量最高；50/70和45/80-55模量中等；高SBS改性沥青（25/55-80）在整个温度范围内都保持了相对较低的劲度。
3.4 添加剂类型对TSRST结果的影响： 添加19mm芳纶纤维（F19）和胶粉（R）对失效温度的影响不显著。然而，添加38mm长芳纶纤维（F38）能将失效温度从基准的-22.3°C降低至-25.0°C，显示出更好的改善效果。有趣的是，胶粉改性反而使混合料在-20°C的热应力增加，切线点温度升高，表明其在此研究条件下可能使混合料变得更刚硬，低温性能下降。研究推测可能与所用基础沥青（35/50）有关，胶粉改性后其针入度从45降至39。不同添加剂的刚度模量反算结果显示，芳纶纤维的加入对混合料刚度模量影响不大，主要差异体现在失效温度上；而胶粉在0°C以上温度增加了刚度模量，但在低于-10°C后，差异逐渐减小。
3.5 基于TSRST结果的刚度模量反算： 反算结果清晰地展示了各因素的影响。冷却速率方面，1°C/h反算出的模量值最低，10°C/h最高，且在高冷却速率下，不同温度间的模量差异在高冷却速率下变小。沥青类型方面，反算结果与TSRST表现一致，高SBS改性沥青在低温下保持了较低的劲度。添加剂方面，反算结果支持了TSRST的结论，即纤维对模量影响小，而胶粉在正温区增加了模量。
4. 研究结论： 基于试验结果与分析，本研究得出以下主要结论： 1. 实地路面冷却速率显著低于标准TSRST试验所用速率（10°C/h），99%的概率下低于2.1°C/h。 2. 实验室试验证实冷却速率和沥青类型对开裂温度有显著影响。冷却速率越高，开裂温度越高。热应力和失效温度的最大差异出现在1°C/h和3°C/h的冷却速率之间。 3. 对于基质沥青，针入度等级越低（越硬），失效温度越高（性能越差）。对于SBS改性沥青，SBS聚合物含量越高，失效温度越低（性能越好）。 4. 添加19mm芳纶纤维和胶粉对失效温度无显著改善。然而，使用更长的（38mm）芳纶纤维可以降低混合料的失效温度。 5. 从TSRST结果反算的刚度模量显示，冷却速率对其值有显著影响。1°C/h冷却速率反算出的模量值最低，10°C/h最高。高SBS改性硬质沥青混合料表现出最低的刚度模量。
5. 研究的价值与意义： 科学价值： 本研究系统量化了冷却速率这一关键试验参数对TSRST评价结果的显著影响，通过大量实地数据验证了调整实验室冷却速率的必要性，为完善TSRST标准方法提供了重要依据。同时，研究深入揭示了不同改性沥青（尤其是高掺量SBS）和特定添加剂（长纤维）在低温条件下的性能表现与机理，深化了对沥青混合料低温开裂行为的认识。采用TSRST结果反算刚度模量的方法，为理解不同因素如何影响混合料的低温劲度特性提供了新的视角和分析工具。 应用价值： 研究结论可直接指导道路工程实践。对于寒冷地区路面材料选择，优先考虑高SBS含量的改性沥青或使用长芳纶纤维作为添加剂，可以有效提升路面抗低温开裂能力。研究建议在进行实验室TSRST评价时，应考虑采用更接近实地条件（如3°C/h）的冷却速率，以使评价结果更贴合工程实际，避免因过快的冷却速率而低估材料的真实低温性能。此外，对胶粉改性沥青在特定基础沥青下可能带来的负面效果也提出了警示，提示在实际应用中需谨慎选择配合比。
6. 研究亮点： 1. 多因素系统性研究： 创新性地将冷却速率、沥青类型（包括高SBS改性沥青）、添加剂（不同长度纤维和胶粉）三个关键变量置于同一研究框架下进行综合考察和对比分析，明确了各因素对低温性能影响的相对重要性（沥青类型 > 冷却速率 > 添加剂）。 2. 数据驱动的冷却速率基准： 研究并非简单对比实验室速率，而是基于长达十年的、覆盖波兰全国多个气象站的大规模路面温度监测数据，科学地确定了实地冷却速率的概率分布，为实验室参数设定提供了坚实的数据支撑。 3. 性能与机理关联分析： 不仅通过TSRST获得了宏观失效指标，还通过反算刚度模量将宏观性能与材料的劲度特性联系起来，加深了对“为什么”会产生不同性能表现的理解。 4. 对长纤维添加剂的积极发现： 明确指出了芳纶纤维的长度是影响其改善效果的关键因素，38mm长纤维比19mm短纤维表现出更优的低温抗裂提升效果，这为纤维类添加剂的应用提供了新的优化方向。 5. 对标准试验方法的反思与建议： 研究结果直接对现行TSRST标准中可能过于严苛的冷却速率提出了质疑，并基于实地数据给出了调整建议，具有推动相关测试标准修订的潜在价值。