由于近年来北方地区公路运输负担逐渐增大,且北方高寒地区冬季温度较低,经常出现大量由降温和疲劳所产生的裂缝。为了防治沥青路面裂缝,道路工作者们已经开创了多种试验方法和评价体系来研究沥青及沥青混合料的低温性能,但是将经过评估和对比之后选出的低温性能优良的沥青投入到实际工程后仍然会发生较为严重的低温开裂。这是因为在进行沥青低温性能评价时没有分析物理硬化对其低温性能的影响。因此,充分认识物理硬化对低温性能造成的影响,深入开展关于沥青物理硬化宏-微观性能变化机理的研究,对准确评价沥青及沥青混合料的低温性能具有重要意义。首先,从沥青低温断裂性能出发,自制沥青胶结料低温黏弹断裂行为测试系统,该系统由控温系统、加载系统以及数据采集控制系统三部分组成,其中,控温系统通过Pelter技术实现;加载系统由步进电机、滚珠丝杆以及试验压头配合组成;数据采集系统是由拉压力传感器、数据采集卡、位移传感器以及相应的数据采集程序构成。经过测试后各部位均能保证稳定性,且已对传感器进行标定,通过SENB平行试验进行验证后发现设备满足平行性。其次,研究了物理硬化作用下沥青低温力学行为变化,并建立基于物理硬化的本构方程。通过BBR试验和SENB试验测试了沥青流变性能和断裂性能与物理硬化时间的关系,结果表明沥青的模量主曲线、断裂挠度、断裂挠度及FST等指标随物理硬化变化显著,低温性能下降,说明物理硬化能够影响沥青低温性能评价结果。基于CAM模型、WLF方程及Boltzmann线性叠加原理,对沥青劲度模量及主曲线进一步拟合分析,提出考虑物理硬化的温度应力本构方程。再次,以沥青流变特性、断裂特性的变化作为物理硬化的程度,采用BBR和SENB试验分析物理硬化程度与五种影响因素的关系后发现,温度在-18℃时,恒温时间越长,老化程度越大,沥青越易受到物理硬化影响;另外,改性剂的加入及掺量的增加会降低物理硬化的影响。接着基于沥青的物理硬化,提出采用BBR和SENB试验的低温性能评价体系:(1)材料选用短期老化沥青;(2)试验温度选用-18℃;(3)恒温时间为24h;(4)以S(60)、m值、断裂能、断裂挠度和FST作为分析沥青性能的重要指标。最后,通过分子动力学软件Materials Studio对沥青模型进行模拟,对沥青物理硬化的机理进行验证,结果表明物理硬化的机理为自由体积的缩小和沥青质的聚集;通过DSC试验对沥青的热力学升温过程分析后发现,物理硬化会导致沥青的玻璃态转换温度上升,比热容、分子自由度降低,热稳定性和热变化的敏感性下降,组分发生变化,聚集态发生转化,分子间作用力增大,自由体积减小;另外通过改变模拟参数和试验条件,发现沥青的微观结构变化随恒温时间、温度、老化程度等因素的变化与宏观力学行为一致。