基于動態剪切流變儀的瀝青實驗教學項目探討

孫艷娜++孫大權

摘要：現行《道路工程材料》中瀝青教學實驗為常規的針入度實驗、軟化點實驗和延度實驗，這三類實驗是經驗性指標實驗，并不能準確有效地表征瀝青的使用性能。本文欲采用高端設備動態剪切流變儀DSR，開發一些反映瀝青性能的教學實驗項目。通過對DSR設備加載模式的介紹，以及加載模式下需要確定的實驗參數，結合瀝青實際受力情況和設備允許情況，開發了瀝青疲勞性能實驗。

關鍵詞：實驗教學；瀝青實驗；動態剪切流變儀；實驗項目

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9324（2018）02-0268-02

作為交通工程專業道路方向的一門重要的專業基礎課程，《道路工程材料》是一門實驗性較強的基礎課，學生除了掌握課堂上老師傳授的理論知識，更需要實際動手操作和演練。為適應卓越工程師培養計劃的實施，卓越人才培養目標的實現，不僅理論教學和實驗教學的組織形式和教學方式需要改革和調整，與之相關的課程體系和教學內容也要進行更新。自從同濟大學開設《道路工程材料》這門課程以來，配套教材已經更新到第5版，而相應的實驗教學內容一直未變。具體而言，對于《道路工程材料》中瀝青實驗部分，一直是常規的針入度實驗、軟化點實驗和延度實驗。而這三類實驗是經驗性指標實驗，并不能準確有效地表征瀝青的使用性能。

在上個世紀，大多數國家采用針入度分析體系來評價瀝青的性能。自1987年開始的美國公路戰略研究計劃SHRP（Strategic Highway Research Program）投入上億元的資產，歷時8年時間，在瀝青和路面性能兩個領域取得了豐碩的成果，針對瀝青領域而言，提出了基于性能的PG（Performance Grade）分級，測試儀器為動態剪切流變儀DSR（Dynamic Shear Rhemoter）。我校是國內第一家購買該設備的單位，并利用此設備進行了大量的科研工作。

DSR是進行材料粘彈性測量的精密儀器，可應用于醫療、建筑、化工、石油等多個領域。作為一個通用儀器，有振動加載、流動加載、蠕變加載、松弛加載等四種加載模式，每種加載模式下又有多種實驗類型。PG性能分級實驗中，只應用到振動加載模式下的應變掃描和應力掃描兩種實驗類型，平時的科研項目中，應用到的實驗方法也不過增加到應變掃描、應力掃描等實驗類型，其他加載模式下的各種實驗類型如何準確應用到瀝青行業還有待開發。

一、DSR加載模式分析

對于瀝青行業而言，DSR常用的夾具為平板夾具，尺寸有Ф25mm和Ф8mm兩種。具體見圖1所示。DSR可以進行振動加載、流動加載、蠕變加載、松弛加載等四種加載模式的實驗?，F對該四種加載模式介紹如下。

（一）振動加載模式

在振動加載模式下，下板固定，上板圍繞著中心軸來回擺動，以擺動點上的A轉動到點B，由B往回轉動經過A轉動到C點，再返回由C轉動到A點，完成一個周期，見圖2所示。振動加載模式下，可以是應力控制，也可以應變控制。振動加載模式下，涉及到的實驗參數有溫度、頻率、應變（或應力）和時間（加載次數）。

（二）流動加載模式

在流動加載模式下，下板固定，上板圍繞著中心軸一個方向旋轉，可以剪切應力控制，也可以剪切應變控制。流動加載模式下，涉及到實驗參數有溫度、剪應變（或剪應力）和時間（加載次數）。

（三）蠕變加載模式

在蠕變加載模式下，下板固定，給上板施加一個應力，之后卸掉應力，測試在加載和卸載過程中應變的變化。蠕變加載模式下，涉及到實驗參數有溫度、加載試驗與卸載時間（加載1s，卸載9s和加載3s，卸載27s兩種模式）、應力和時間（加載次數）。

（四）松弛加載模式

在松弛加載模式下，下板固定，給上板施加一個應變，之后卸掉應變，測試在加載和卸載過程中應力的變化。松弛加載模式下涉及到的參數有溫度、應變和時間（加載次數）。

對于平行板夾具而言，松弛加載不太適合；蠕變加載模式固定不可調，因此可供開發的加載模式只有振動加載和流動加載。

二、DSR測試實驗參數的確定

現行標準實驗方法中，只有PG分級實驗，具體實驗參數是頻率1.59Hz，實驗溫度為高溫和低溫，應變水平（或應力水平）：對于原樣瀝青為應變12%（或應力0.12kPa），對于旋轉薄膜烘箱老化后的瀝青為應變10%（或應力0.22kPa），對于壓力老化后的瀝青為應變1%（或應力50kPa）。對于開發的新的實驗項目，實驗參數應該如何確定？以應變為例，筆者認為，它應該綜合考慮瀝青在路面結構內的應變水平、瀝青的線形粘彈性應變大小和儀器可實現應變大小三種。

對于瀝青在路面結構內的應變水平，可通過路面結構力學分析獲得。儀器可實現應變可理解為每臺儀器都有它自身的動力系統，并且這個動力系統中動力的大小是有一定的范圍的，超過這個動力范圍設備將無法正常工作，即在設備的動力系統允許范圍內，能夠加載在試件上的最大應變為可實現應變?？蓪崿F應變也可以理解為在極限工作狀態下能夠加載在試件上的最大應變[1]。對于實驗室現有DSR-AR1500來說，理想狀態下應變為1.25×10-3～12500%，但加載上的應變水平跟溫度和頻率有關，具體為溫度越低，或頻率越高，能夠加載的應變越低。

對于線形粘彈性應變，在SHRP試驗研究[2]，定義瀝青的線粘彈性范圍為應變掃描曲線中，復數剪切模量衰減到初始值的0.9倍之間所對應的應變。以兩種瀝青為例，應變掃描實驗結果見圖3，其中縱坐標為復數剪切模量與初始剪切模量的比值，瀝青線形粘彈性應變范圍為紅色箭頭標注的區域。

三、新的實驗項目的開發探討

在振動加載模式，可開發實驗測試瀝青的疲勞性能。其中需要確定的實驗參數為溫度、頻率和應變水平。采用上述方法，最終確定溫度為20—25℃，頻率10Hz，應變水平為1%—5%。

參考文獻：

[1]孫艷娜，李立寒，耿韓等.水泥混凝土路面嵌縫料復數剪切模量測試條件[J].中國公路學報，2010，23（2）：12-17.

[2]SHRP-A0370：Binder Chsracterization and Enaluation Volume 4：Test Methods.1994endprint