基于MMF模型的SBS/WTRP改性沥青混合料冻融损伤连续本构关系研究

推荐：针对季节性冻土区沥青路面在冻融循环(FTC)作用下性能劣化问题，研究人员通过聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)和废轮胎橡胶粉(WTRP)改性沥青混合料，基于颗粒干涉理论优化AC-16C级配，建立了考虑FTC的Morgan-Mers-Flodin(MMF)损伤本构模型。结果表明：AC-16C级配改性混合料冻融强度损失率最低(47.59%)，模型可准确预测25-30次FTC的强度劣化曲线，为寒区路面设计提供理论支撑。

　　

在季节性冻土地区，沥青路面长期承受冻融循环(FTC)和车辆荷载的双重作用，容易出现松散剥落、开裂等病害，严重影响行车安全。更棘手的是，全球每年产生超过50万吨废轮胎橡胶，传统填埋或焚烧处理方式不仅占用土地资源，还会造成生态破坏。如何将废轮胎橡胶粉(WTRP)高效应用于道路工程，同时提升沥青路面在冻融环境下的耐久性，成为当前交通工程领域的重要课题。

石家庄铁道大学"交通工程结构力学行为与系统安全"国家重点实验室的研究团队创新性地采用聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)和WTRP复合改性沥青，基于颗粒堆积理论和颗粒干涉效应优化AC-16级配，通过劈裂强度试验系统研究了冻融损伤演化规律，最终建立了基于MMF模型的连续损伤本构关系。这项发表在《Research in Cold and Arid Regions》的研究，不仅为废轮胎资源化利用提供了新途径，更为寒区沥青路面设计提供了重要的理论依据。

研究采用湿法制备SBS/WTRP改性沥青混合料，通过单对数坐标变换建立强度劣化统一计算模型，结合劈裂强度试验分析应力-应变关系演变，并基于应变等效原理和MMF模型构建冻融损伤本构方程。关键实验包括：AC-16、AC-16C和AC-16X三种级配设计，0-30次FTC循环处理，25°C条件下以50mm/min加载速率进行劈裂试验，以及通过刚度模量计算冻融损伤变量D_n。

【材料与方法】
研究采用90#基质沥青和SBS/WTRP改性沥青(含3%SBS、16%WTRP)，基于主骨架颗粒假说将4.75-9.5mm颗粒定义为主骨架颗粒。通过控制油石比4.9%-5.65%制备直径101.6mm的标准马歇尔试件，冻融循环采用-20°C冷冻12h/+60°C融化12h的交替处理。

【结果与讨论】
3.1节显示AC-16C级配改性沥青混合料的理论最大相对密度达2.35g/cm³，方差分析证实冻融次数对力学性能的影响显著高于改性方法(P<0.05)。3.2节通过单对数模型y=A-Blgx拟合强度劣化曲线，发现30次FTC后基质沥青强度损失率达45.08%，而AC-16C级配改性混合料仅损失47.59%。3.3节建立的MMF本构模型σ_n=E₀(1-D_n)ε_n/(1+ε_n^m/a)显示参数a₁、m₁随FTC增加呈规律性递减，模型相关系数R²>0.84。

【结论】
该研究创新性地将废轮胎橡胶与SBS复合改性技术应用于寒区沥青路面，通过级配优化使AC-16C混合料冻融损伤变量降至0.51(30次FTC)。建立的MMF本构模型能准确预测长期冻融作用下的强度劣化曲线，其分段函数D_m=D_n+[1-exp(-ε/ε_c)]有效表征了材料在弹性全压缩阶段和损伤阶段的力学响应。这不仅解决了传统沥青混合料在冻融环境下性能预测的难题，更开创了工业固废资源化利用的新途径，对推动绿色交通基础设施建设具有重要意义。