摘要
高原、高寒、滨海等极端环境对道路材料的耐久性构成严峻挑战。本研究聚焦于石灰基道路材料，通过长期现场暴露试验与室内加速模拟试验相结合，系统揭示了其在冻融循环、干湿交替、氯盐侵蚀及紫外线辐照等多因素耦合作用下的性能劣化规律与微观损伤机理。基于损伤演化的阶段性特征，建立了包含环境应力、材料参数和服役时间的性能预测模型，并据此提出了针对性的耐久性提升技术与维护策略，为极端环境下道路工程的设计与养护提供了科学依据。
一、极端环境特征与耦合作用机制
极端环境可归纳为三大典型类型：高原高寒环境（低气压、强紫外线、大温差、频繁冻融）、滨海盐渍环境（高氯盐、高温高湿、干湿交替）及干旱荒漠环境（强蒸发、风沙磨蚀、大温差）。这些环境因素往往协同作用，形成复杂的耦合损伤机制。例如，在滨海地区，氯盐渗透与干湿循环耦合，加剧了盐结晶膨胀与化学侵蚀；在高原地区，紫外线老化与冻融循环耦合，使材料表层劣化，加速了冻害进程。本研究首先通过控制变量法，量化了单一及耦合环境因素对材料性能的贡献度。
二、长期性能劣化的多尺度观测
在西藏那曲（海拔4500m）、山东东营（滨海盐渍）、新疆吐鲁番（干旱荒漠）建立了三个长期暴露试验场，对石灰稳定土、石灰粉煤灰稳定碎石等典型材料进行了为期8年的连续观测。
宏观性能衰减：
强度损失：暴露8年后，滨海环境试件抗压强度损失率最高，达40%-50%；高原环境次之，为30%-40%；荒漠环境约为20%-30%。
动弹性模量退化：采用超声波检测，动弹性模量随时间的衰减曲线呈“慢-快-慢”三阶段特征，与微裂纹发展规律相对应。
表观损伤：滨海环境试件表面盐结晶与剥落严重；高原环境试件表层粉化、颜色褪变；荒漠环境试件风蚀沟槽明显。
微观结构演化：
SEM分析：随暴露时间延长，C-S-H凝胶逐渐由纤维状向无定形、疏松状转变；ITZ（界面过渡区）裂纹宽度从<1μm发展至>10μm。
XRD与热重分析：Ca(OH)₂特征峰强度持续减弱，CaCO₃峰增强，表明碳化与侵蚀过程持续进行。
压汞孔隙分析：最可几孔径向大孔方向移动，有害孔（>50nm）体积分数逐年增加，尤其在冻融与盐蚀耦合作用下增幅最大。
三、关键损伤机理揭示
冻融损伤机理：水分在负温下冻结膨胀，产生的静水压力和渗透压力主要作用于孔隙和微裂纹尖端。当温度正负交替时，孔隙水反复冻结-融化，导致微裂纹“疲劳”扩展。研究发现，当孔隙饱水度超过91%时，材料将发生严重破坏。
盐结晶与化学侵蚀机理：在干湿循环下，侵入的盐溶液（如NaCl、Na₂SO₄）在孔隙中结晶，产生结晶压力（可达数十兆帕）；同时，Cl⁻会破坏胶凝产物的结构，SO₄²⁻则会与铝相反应生成膨胀性钙矾石。
紫外线老化机理：高能紫外线光子可打断C-S-H凝胶中的Si-O-Si、Si-O-Ca等化学键，导致表层凝胶网络解聚，使材料强度下降、脆性增加。
四、多因素耦合作用的加速效应
室内加速试验模拟了“冻融+氯盐”、“干湿+硫酸盐”、“紫外+冻融”等耦合工况。结果表明，耦合作用下的损伤速率并非单一作用的简单叠加，而是呈现显著的非线性加速效应。例如，“冻融+5% NaCl溶液”耦合作用下的质量损失率，是单一冻融作用的2-3倍，是单一NaCl浸泡作用的4-5倍。这源于耦合作用产生了新的损伤路径与协同放大机制。
五、基于损伤力学的性能预测模型
基于长期观测数据与损伤力学理论，建立了考虑环境耦合的宏观性能预测模型：
D(t) = 1 - exp[ - (α•N_f + β•N_w + γ•I_uv + δ•S_c )^n ]
其中，D(t)为损伤度（0-1），N_f为等效冻融循环次数，N_w为等效干湿循环次数，I_uv为累计紫外线辐照剂量，S_c为盐分累计作用强度，α, β, γ, δ为材料与环境相关的损伤系数，n为材料常数。该模型可较好预测材料性能随服役时间的演变，预测误差在15%以内。
六、极端环境适应性材料设计与提升技术
针对损伤机理，提出从材料本源提升耐久性的策略：
孔径结构优化：通过掺加引气剂（AEA）和优化水胶比，在材料中引入大量均匀、封闭的微气泡（孔径50-300μm，间距系数≤250μm），为水分冻结和盐结晶提供缓冲空间。
基体强化与增韧：
掺加纳米SiO₂（1%-2%）和偏高岭土（5%-8%），生成更多低钙硅比的C-S-H凝胶，提升基体密实度与韧性。
掺加聚丙烯纤维（0.9-1.2 kg/m³）或玄武岩纤维，桥接微裂纹，提升抗裂性。
表面防护技术：
研发专用耐候涂层（如硅烷/硅氧烷浸渍剂、聚合物改性水泥基防护砂浆），降低紫外线、水分和盐分的侵入。
在滨海环境，采用表面疏水化处理，减少毛细吸水。
七、工程应用验证与维护策略
在青藏公路某段（海拔4800m）应用了抗冻耐久性提升技术，基层采用引气型石灰粉煤灰稳定碎石。通车6年后观测，冻融病害显著减轻，养护费用较相邻传统路段降低60%。基于预测模型，提出了 “预测性维护”策略：当通过无损检测（如超声波、探地雷达）评估的损伤度D(t)达到预警阈值（如0.3）时，即触发针对性维护措施（如局部注浆、表面封闭），而非等到肉眼可见病害出现。
八、结论与展望
本研究通过长期系统的观测试验，揭示了石灰基材料在极端复杂环境下的性能演变规律与多尺度损伤机理，建立了基于损伤演化的性能预测模型，并开发了有效的耐久性提升技术。这为极端环境下道路工程的长寿命设计与精准养护奠定了理论基础。未来，研究可进一步聚焦于：多场耦合作用下材料损伤演化的原位实时监测技术；基于人工智能和大数据的服役性能智能预测与剩余寿命评估系统；以及开发具有自感知、自适应甚至自修复能力的下一代智能耐久性材料体系。
