亚严重级冰雹：评估北美地区沥青瓦片风险时缺失的一环

《Frontiers in Materials》：Sub-severe hail: the missing piece in assessing asphalt shingle risk in North America

本研究通过实验室模拟和自然老化测试，分析高频小冰雹对沥青瓦片累积损害的影响。结果显示，自然老化结合多次小冰雹冲击显著增加瓦片对后续大冰雹的敏感性，导致性能下降达47%-67%。当前标准测试未考虑此类综合因素，亟需修订以提升风险评估准确性。

　　随着气候变化和极端天气事件的频繁发生，冰雹对住宅和商业建筑的威胁日益显著。特别是在美国，冰雹相关损失已经成为保险行业关注的重点之一。近年来，越来越多的保险索赔分析表明，沥青瓦屋顶在遭受过去被认为不会对大多数屋顶材料造成影响的冰雹尺寸时，也会发生严重损坏。这引发了对冰雹风险评估体系的重新审视，因为现有的标准和测试方法可能未能全面反映实际环境中的冰雹对屋顶材料的长期影响。

冰雹通常被分为“严重”和“次严重”两类。根据美国国家气象局（NWS）的定义，严重冰雹的直径超过25.4毫米（1英寸），而直径在5毫米（霰）到25.4毫米之间的冰雹则被归类为次严重。虽然次严重冰雹的单颗体积相对较小，但它们的出现频率远高于严重冰雹。研究显示，某些地区如俄克拉荷马州，每年会有28天的次严重冰雹活动，而严重冰雹的峰值则出现在内布拉斯加、堪萨斯和科罗拉多州的三州区域，约为20天。这意味着，虽然严重冰雹在破坏力上更强，但次严重冰雹的频繁出现可能对屋顶材料造成更深远的影响。

传统的冰雹测试多集中于严重冰雹对沥青瓦的影响，而次严重冰雹的累积效应则被忽视。研究发现，即使单颗次严重冰雹造成的损伤较小，但频繁的次严重冰雹冲击会导致沥青瓦表面的颗粒脱落，进而暴露沥青层。这种暴露会使沥青材料更容易受到紫外线辐射的侵蚀，从而加速老化过程。一旦沥青层变得脆弱，其抗冲击能力也会随之下降，最终导致屋顶更容易在随后的严重冰雹事件中受损。因此，次严重冰雹的影响并非可以忽略，它们可能在长期中对屋顶结构造成比严重冰雹更大的威胁。

为了验证这一假设，研究人员在实验室环境中模拟了高浓度的次严重冰雹事件，并将这些模拟事件应用于沥青瓦样本。实验分为两组：一组是经过自然老化处理的实验组样本，另一组则是未受自然老化影响的对照组样本。实验组样本在自然环境下暴露了1年，以模拟实际屋顶在多次冰雹事件之间的老化过程。对照组样本则被保存在受控的室内环境中。在实验结束后，两组样本均接受了严重冰雹冲击测试，并对损坏程度进行了比较。

在实验过程中，研究人员使用了机器视觉技术来评估沥青瓦样本的颗粒损失情况。这种技术能够通过对比冲击前后的图像，精准识别和量化颗粒脱落的区域。为了确保图像质量，研究团队专门设计了一套相机系统，包括可控的照明条件、固定相机支架以及消除阴影干扰的措施。此外，测试样本被分为四个象限进行拍摄，以确保全面评估。这些技术手段使得研究人员能够以较高的精度记录颗粒损失，并避免了人为因素对结果的干扰。

实验结果显示，高浓度次严重冰雹对沥青瓦的损害远比人们预期的要严重。在第一次测试中，实验组样本在受到次严重冰雹冲击后，颗粒损失量显著高于对照组样本。更值得注意的是，在第二次测试中，实验组样本在经历了1年的自然老化后，颗粒损失量进一步增加，甚至超过了对照组样本的损失总量。这一发现表明，自然老化与次严重冰雹的累积效应相结合，可能会导致沥青瓦在未来的严重冰雹事件中表现出更差的抗冲击能力。

此外，实验组样本在严重冰雹测试中的表现也明显劣于对照组样本。例如，在第三次测试中，实验组样本在受到50.8毫米（2英寸）大小的冰雹冲击后，颗粒损失量平均达到7,687.2平方毫米，而对照组样本的平均颗粒损失量仅为2,287.2平方毫米。这种差异表明，次严重冰雹的累积效应可能在实际中对屋顶材料造成更严重的长期损害。研究还发现，即使在实验中使用了高浓度次严重冰雹模拟，其冲击频率仍低于实际中观察到的极端情况，但实验结果已经足够说明次严重冰雹对沥青瓦性能的负面影响。

从实验数据来看，无论是冲击耐受型（IR）还是传统氧化型（Conv.）沥青瓦，都受到了次严重冰雹的显著影响。冲击耐受型沥青瓦在自然老化后，颗粒损失量平均为16,191.25平方毫米，而传统氧化型沥青瓦的颗粒损失量则达到17,988.5平方毫米。这说明，尽管冲击耐受型沥青瓦在设计上更具抗冲击能力，但其在次严重冰雹的长期累积影响下，仍表现出一定程度的性能下降。这一结果表明，次严重冰雹的累积效应可能比单一的严重冰雹冲击对沥青瓦的损害更为显著。

研究还发现，次严重冰雹与自然老化之间的相互作用可能加剧沥青瓦的性能衰退。实验组样本在自然老化后的性能评分显著低于对照组样本，甚至有些样本的性能评分下降超过50%。这一现象表明，屋顶在经历多次次严重冰雹冲击后，其抗冰雹能力会显著降低，从而在未来的严重冰雹事件中更容易出现结构性损坏。这种性能下降不仅影响屋顶的使用寿命，还可能增加维修和更换的频率，给房主和保险公司带来更大的经济负担。

此外，实验还揭示了沥青瓦在不同冰雹尺寸下的表现差异。研究发现，直径为25.4毫米（1英寸）的次严重冰雹在实验中对沥青瓦的颗粒损失量接近30%的严重冰雹损失。而直径为17.8毫米（0.7英寸）的次严重冰雹，虽然单颗造成的损害较小，但其高频率的冲击可能在累积效应下造成更严重的颗粒损失。这一发现进一步支持了次严重冰雹在长期中对沥青瓦性能的显著影响。

从整体来看，次严重冰雹对沥青瓦的损害不仅体现在颗粒损失上，还可能影响其整体结构的稳定性。例如，在严重冰雹测试中，实验组样本在受到冲击后，不仅表现出更高的颗粒损失，还显示出更多的变形和破损。这些结果表明，次严重冰雹的累积效应可能会在未来的严重冰雹事件中，导致沥青瓦出现更严重的结构问题，从而缩短其使用寿命。

为了进一步验证这些发现，研究人员还对沥青瓦的性能评分进行了分析。结果显示，实验组样本在受到次严重冰雹冲击后，其性能评分下降幅度远高于对照组样本。这一趋势在多个样本中得到了体现，尤其是在经历了自然老化和次严重冰雹冲击的样本中，性能评分下降高达67%。这表明，次严重冰雹不仅在短期内对沥青瓦造成损害，还可能在长期中对其性能产生深远影响。

这些发现对保险行业和建筑规范具有重要意义。目前，许多保险公司的风险评估模型和建筑标准可能未能充分考虑次严重冰雹对屋顶材料的累积影响。因此，研究建议，未来的测试和评估应纳入次严重冰雹的影响，以更全面地反映实际环境中的冰雹对屋顶材料的损害。这不仅有助于提高风险预测的准确性，还可能促使建筑行业开发更耐久的沥青瓦产品，以应对日益频繁的冰雹天气。

此外，实验还强调了自然老化对沥青瓦性能的决定性作用。沥青瓦在长期暴露于紫外线、温度波动和湿度变化等环境因素后，其抗冲击能力会显著下降。因此，未来的测试应更加注重模拟真实环境中的老化条件，以确保评估结果能够更准确地反映沥青瓦在实际使用中的表现。这将有助于提高测试的实用性和预测性，为建筑行业和保险行业提供更可靠的数据支持。

总之，这项研究揭示了次严重冰雹对沥青瓦的潜在威胁，特别是其在长期累积效应下的影响。实验结果表明，次严重冰雹虽然单颗破坏力较小，但其高频次的冲击可能导致沥青瓦的颗粒损失，进而加速老化过程，使其在未来的严重冰雹事件中更加脆弱。这一发现对保险行业和建筑规范提出了新的挑战，要求它们重新评估冰雹风险模型，并改进测试方法，以更全面地反映次严重冰雹对屋顶材料的长期影响。