具有物理凝胶结构的SBS沥青混合料变速率疲劳过程的动力学表征

《Gels》：Investigating Kinetic Characterization of Variable-Rate Fatigue Process of SBS Asphalt Mixture with Physical Gel Structures

　　

在重复荷载作用下，具有物理凝胶结构的SBS沥青混合料的疲劳是一个变速率力学过程。然而，目前缺乏准确量化该过程的力学表征机制。本研究旨在基于动力学理论，提出一种力学表征SBS沥青混合料变速率疲劳过程的方法。首先，在15 °C、20 °C和25 °C下进行了间接拉伸单调和重复荷载试验，该方法具有试件制作简单、试验重复性好且在路面疲劳评价中广泛使用的优点，以获得SBS沥青混合料的力学响应。然后，基于粘弹性损伤理论建立了考虑损伤的SBS沥青混合料永久应变模型。最后，建立了疲劳损伤动力学模型。以集总损伤敏感性指数（β）和疲劳活化能（E_a）表示的参数被确定用于定量表征SBS沥青混合料的变速率疲劳行为。结果表明，所建立的考虑损伤的永久应变模型能够准确捕捉SBS沥青混合料中疲劳损伤和永久应变的非线性演化。参数β可作为量化疲劳过程速率的可靠力学指标。拟合动力学参数E_a能合理表征控制温度依赖性变速率疲劳过程的能垒大小。宏观上，与基质混合料相比，SBS沥青混合料呈现出更高的疲劳损伤能量阈值。根据现有文献，这一差异可能与SBS聚合物形成的三维物理凝胶结构有关。在现有试验条件范围内，动力学理论显示出作为量化和表征SBS沥青混合料变速率疲劳行为的理论框架的潜力。

论文解读：SBS沥青混合料变速率疲劳过程的动力学表征

**1. 研究背景与研究意义**

苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）聚合物作为常用的改性剂，能够通过微相分离在沥青中形成三维物理凝胶网络，赋予沥青混合料优异的弹性恢复能力和抗疲劳开裂性能。然而，在长期循环荷载作用下，SBS沥青混合料内部的疲劳损伤呈现非线性变速率演化。准确量化这种变速率疲劳过程，是路面材料领域亟待解决的关键问题，对优化SBS沥青混合料材料组成和延长路面服役寿命具有重要意义。

现有疲劳表征方法存在明显局限：现象学法只能提供疲劳寿命的经验公式，无法反映损伤演化的内在动力学行为；传统能量法以总耗散能为评价指标，难以区分不参与损伤的可逆粘弹性耗散能；断裂力学虽然能描述宏观裂缝扩展，却难以捕捉损伤萌生早期的演化特征；粘弹性连续损伤力学虽能统一描述裂缝萌生与扩展，但缺乏动力学量化途径，无法定量表征疲劳发展速率和能量阈值。动力学理论通过速率参数和活化能两个核心指标定量表征物理反应的速率和能垒，已成功应用于沥青结合料的老化、自愈和塑性变形行为研究，但尚未推广至包含集料骨架的沥青混合料体系。因此，研究人员针对SBS沥青混合料开展了基于动力学理论的变速率疲劳过程表征研究。该研究将动力学表征框架从沥青结合料尺度拓展至沥青混合料尺度，为SBS沥青混合料的材料优化和疲劳寿命预测提供了理论依据。论文发表在《Gels》。

**2. 关键技术方法**

研究人员采用间接拉伸单调和重复荷载试验，利用位移传感器测量横向拉伸应变，以永久应变变化率（RPSC）曲线从第二阶段到第三阶段的过渡点定义疲劳寿命。基于粘弹性损伤理论，结合有效应力假设，建立了考虑损伤的永久应变模型。通过拟合损伤模型得到集总损伤敏感性指数β，并采用Arrhenius型关系拟合β与温度倒数的关系，求得疲劳活化能E_a。试验材料包括SBS改性沥青（SBS掺量4.5%）和基质沥青，采用花岗岩集料和沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）级配，试件为直径100 mm、高40 mm的圆柱体。加载频率10 Hz，应力比0.3，试验温度15 °C、20 °C、25 °C，每组5个平行试件。

**3. 研究结果**

**3.1 永久应变响应与变速率疲劳损伤演化**

**3.1.1 永久应变响应**
通过不同温度下的间接拉伸重复荷载试验，测得SBS和基质沥青混合料的永久应变曲线。基于粘弹性损伤理论建立的考虑损伤的永久应变模型能够准确捕捉永久应变在损伤全过程中的非线性发展。结果表明，温度从15 °C升高至25 °C时，永久应变率明显增大；低温下混合料能承受更多荷载循环后再进入粘性流动，故永久应变率较低。SBS沥青混合料的永久应变率低于基质沥青混合料，根据已有文献，该行为被推测部分归因于SBS改性剂在沥青基体内形成的三维物理凝胶网络。

**3.1.2 变速率疲劳损伤演化**
基于耗散能定义的损伤演化方程，代入标定的损伤模型参数，得到损伤曲线和损伤演化速率曲线。研究发现，SBS沥青混合料的疲劳损伤发展呈非线性趋势，损伤演化速率随循环次数持续增大。试验温度越高，相同循环次数下的累积疲劳损伤越大，损伤增长率与温度正相关。高温下沥青混合料相位角增大，粘性响应占主导，加速疲劳裂缝扩展；低温下弹性响应占主导，疲劳开裂速率较慢。与基质沥青混合料相比，SBS沥青混合料始终表现出更低的疲劳损伤演化速率，这与其相位角更低、弹性响应更占优势有关，也可能部分由SBS物理凝胶网络结构解释。

**3.2 变速率疲劳过程的动力学表征**

**3.2.1 动力学理论**
动力学理论以过程速率和能量难度两个基本参数描述系统性质随时间的变化。Arrhenius动力学模型能准确描述温度相关的物理过程速率，其中活化能E_a反映过程发生的能垒高低。本研究将这一理论扩展到疲劳损伤演化，将集总参数β视为集总损伤敏感性指数，得到的E_a反映特定试验条件下的相对能垒大小。由于β的温度依赖性与经典Arrhenius速率常数相反，研究采用了定制的Arrhenius型公式描述β的温度关系。

**3.2.2 疲劳过程速率的定量分析**
通过损伤演化方程的线性关系