聚合物与橡胶改性对沥青混合料疲劳裂纹扩展的影响：基于循环半圆弯曲（SCB）与Paris定律的研究

《Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures》：Influence of Polymer and Rubber Modification on Fatigue Crack Propagation in Asphalt Mixtures: A Cyclic SCB and Paris Law Investigation

　　

疲劳开裂是限制沥青路面使用寿命的主要病害，基于Paris定律的断裂力学较传统疲劳试验能提供更机理化的认识。然而，跨多种改性剂、掺量、缺口深度与温度的系统性表征仍有限。研究人员首次在Paris定律框架下，采用循环半圆弯曲（SCB）试验研究了SBS、611与701弹性体、废旧轮胎橡胶粉（CR）及Elvaloy+PPA改性的沥青混合料疲劳裂纹扩展行为。试验在10、20、30 mm缺口深度与20°C/40°C下，按单调SCB峰值荷载50%的应力控制加载进行，评价a–N关系与Log(da/dN)–Log(ΔK)曲线。未改性混合料疲劳寿命约400至约20次循环；4% 611改性混合料表现最佳，在最严苛条件下达约1500次循环（提高3–4倍）与约350次循环（提高17倍）。改性主要降低Paris定律系数C而非指数n。

研究背景方面，疲劳开裂与车辙、低温开裂并列沥青路面三大病害，其损伤包含裂纹萌生与扩展两阶段。传统唯象法以常应力/应变下光滑试件总寿命评价，断裂力学则视材料固有缺陷演化，以Paris定律描述裂纹扩展。循环SCB试验较单调断裂更贴近路面累进损伤，但需精确量测裂纹长度，直接测量受限，数字图像相关（DIC）技术由此引入。既有文献多聚焦单一改性剂或窄温度/缺口条件，缺乏跨化学族类（弹性体聚合物、橡胶粉、反应型聚合物-酸体系）、跨掺量-缺口-温度统一框架及对Paris参数C与n的定量对标。因此，研究人员开展本研究以填补三类空白：改性剂族间系统比较、多变量交互作用评估、现场相关条件下的定量排序。

论文发表于《Fatigue》。

关键技术方法上，研究人员采用B70/100基质沥青，掺入SBS、Enprene 611、Enprene 701、40目废旧轮胎橡胶粉（CR）、3% Elvaloy+0.2% PPA五类改性剂，设多掺量梯度，并以同工艺热机处理未改性沥青作MPure对照；混合料经旋转压实成型?150 mm圆柱后剖切为SCB试件，预制10/20/30 mm缺口。疲劳试验为应力控制正弦加载，峰值取单调SCB强度50%，温度20°C与40°C，频率1/5/10 Hz，每条件4重复；裂纹长度由2D-DIC结合试件表面毫米刻度直读追踪，建立a–N曲线；按K=Yσ√(πa)算ΔK，取Region II稳态段拟合Paris定律da/dN=C(ΔK)ⁿ，得系数C与指数n。

研究结果部分，引言指出疲劳评价两类范式局限与DIC补偿价值，并综述Hofman、Saha、Zhang、Teixeira、Huang、Ma等循环SCB-Pairs研究，引出本研究的系统比较动机。材料与试验章节阐明B70/100沥青（密度1.033 g/cm³，针入度87.4 0.1 mm，软化点52.6°C）及改性剂物性：SBS/611密度0.94 g/cm³、701为0.93 g/cm³，SBS与701线型、611星型，S/B比31/69（SBS、611）与33/67（701）；CR过40目；Elvaloy+PPA为反应型。改性沥青180°C、2700 rpm混4 h（Elvaloy组后加PPA再混0.5 h）。混合料级配19 mm筛通过率100%，油石比依体积设计，旋转压实100转获约4%空隙，SCB试件厚50 mm、半径75 mm、跨距120 mm。方法章节确定应力比0.5基于预备试验与文献，20°C净截面应力σ_Nc随缺口10/20/30 mm为174/115/78 kPa，40°C降至36/25/13 kPa；DIC配置与裂纹识别以单相机2D-DIC配物理刻度直读；疲劳裂纹进展节给出K、ΔK、R定义及三段式da/dN–ΔK图，强调Region II用Paris定律。

结果讨论中，20°C、10 mm缺口a–N曲线显示未改性Pure约400次断裂，MPure略优但仍远低于改性组；弹性体2%/3%/4%与CR 4%/6%/8%均随掺量提升寿命，4%弹性体及8% CR达1250–1500次（3–4倍）；CR与Elvaloy+PPA在高温下最优，611与701相当，SBS稍逊；所有曲线呈S形，改性剂推迟稳定-失稳转折。摘要补充：30 mm缺口与40°C最严苛条件下4% 611仍达约350次（17倍于Pure的约20次）；Paris拟合表明改性主要压低C，n基本不变。

讨论与结论翻译：研究人员指出，跨化学族类改性剂在统一循环SCB-Paris框架下比较尚属首次，611星型弹性体因分子网络在抗疲劳扩展上优于线型SBS/701，CR颗粒物理缠结与Elvaloy+PPA化学交联分别提供低温韧性与高温刚度协同；C的下降反映单位ΔK下裂纹速率降低，n稳定暗示改性不改变扩展对应力强度的幂律敏感级数，而通过提升本体耗能改变截距。研究为现场相关温度-几何-荷载组合下改性沥青疲劳抗力排序提供定量基准，并验证DIC直读法可替代引伸计用于SCB裂纹追踪。