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路面的低温开裂问题是我国北方高寒地区面临的主要问题,极大地缩短了道路的使用寿命。沥青路面低温性能的好坏主要取决于沥青的性能,因此提高沥青的低温性能是高寒地区急需解决的问题。目前,国内外学者对于沥青低温性能开展了大量研究。但由于沥青组成结构极其复杂,现有研究难以表征沥青复杂的分子组成结构对低温性能的影响,且现有评价方法忽略了沥青受长期低温作用时的物理硬化现象及物理硬化对应力松弛能力的影响,使得到的温度应力低于实际使用时沥青中产生的应力,高估了沥青的低温性能。鉴于此,本文基于动态剪切流变仪确立了考虑物理硬化和应力松弛共同作用的沥青低温性能评价方法,并基于分子动力学模拟,揭示了沥青的微观组成结构对宏观低温性能的影响机理。首先,提出了基于8mm平行板的动态剪切流变仪研究沥青低温性能的试验方法,试验仪器普遍且能弥补弯曲梁流变试验(BBR)消耗样品量大的缺点。基于WLF方程、广义Maxwell模型、修正Kelvin-Voigt模型和Boltzman线性叠加原理确立了考虑物理硬化和应力松弛共同作用的沥青低温性能评价方法,提出以硬化应力作为沥青在长期低温作用下的开裂性能评价指标。其次,采用动态剪切流变仪(DSR)和差示扫描量热仪(DSC)研究了五种基质沥青的低温性能。动态模量、相位角主曲线和DSC试验结果均表明低温性能从好到差的顺序是:ZSH90>HY50>LH50>LH110>LH70。硬化应力的结果表明,硬化应力随时间的增大而增大,随温度的降低先增大后减小,温度-硬化应力曲线存在峰值,其峰值的位置和大小受物理硬化和应力松弛共同作用决定,五种沥青的硬化应力从大到小为:LH70>LH50>LH110>ZSH90>HY50。最后,基于分子动力学模拟和微观组成结构特征,建立了沥青低温性能的宏微观关系,揭示了沥青微观组成结构对低温性能的影响机理。结果表明:空间位阻小且分子质量小的稠环芳烃或硫化物含量越多,沥青的非键能越大,越易产生分子运动,因此变形能力强、玻璃化转变温度低,低温性能好;温度敏感性高的饱和分含量越少,沥青的感温性能越小;自由体积随温度的变化率越小且玻璃化转变的温度范围越小,沥青产生的硬化应力越小,即物理硬化对低温开裂的贡献越少。论文确立了考虑物理硬化和应力松弛共同作用的低温性能评价方法,为改善沥青受长期低温作用时的力学性能评估提供了依据;揭示了沥青微观组成结构对低温性能的影响机理,为以后研发低温性能好的新材料提供理论基础。