低滾動(dòng)阻力瀝青路面設(shè)計(jì)研究

何萌　郭利楊　劉斌　王羽佳　周偉

摘 要：低滾動(dòng)阻力瀝青路面設(shè)計(jì)是通過對瀝青改性探求實(shí)現(xiàn)降低道路滾動(dòng)阻力的路面設(shè)計(jì)。通過對低滾阻瀝青的微觀特征進(jìn)行觀察，探究低滾阻瀝青的改性機(jī)理；設(shè)計(jì)路用性能試驗(yàn)確保低滾阻瀝青混合料的路用性能指標(biāo)達(dá)到規(guī)范要求；基于低滾阻瀝青使用場景與特點(diǎn)，通過動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)與有限元仿真模型的建立對低滾阻瀝青路面動(dòng)態(tài)加載環(huán)境下的特性進(jìn)行評價(jià)，為低滾阻瀝青在道路設(shè)計(jì)上提供了新的參考思路。

關(guān)鍵詞：滾動(dòng)阻力 微觀特征 改性機(jī)理 動(dòng)態(tài)加載

道路滾動(dòng)阻力是車輛在路面上行駛過程中輪胎滾動(dòng)的機(jī)械能損失[1]，當(dāng)滾動(dòng)阻力過高時(shí)，會(huì)造成汽車的牽引力損失而產(chǎn)生污染。近些年，我國公路總里程已達(dá)528萬公里[2]，隨著“雙碳”目標(biāo)的臨近，降低道路滾動(dòng)阻力從而減少二氧化碳排放量越來越受到人們的關(guān)注。

當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者對低滾動(dòng)阻力路面的研究尚沒有成熟的認(rèn)識，對車輛與路面的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)荷載與道路滾動(dòng)阻力之間的研究較為缺乏。因此從能量耗散和摩擦學(xué)角度分析降低滾動(dòng)阻力的機(jī)理，并提出可參考實(shí)施的低滾動(dòng)阻力路面設(shè)計(jì)思路與方法具有重大實(shí)踐意義。

1 低滾動(dòng)阻力路面設(shè)計(jì)理論

道路滾動(dòng)阻力主要受以下兩方面影響，一是輪胎與路面的相互作用，二是路面在瞬時(shí)動(dòng)態(tài)荷載下的力學(xué)響應(yīng)[3]。車輛在道路上行駛時(shí)輪胎與路面接觸會(huì)造成兩部分能量損失，一部分是輪胎動(dòng)能造成瀝青路面的微小形變轉(zhuǎn)化為路面的彈性勢能與動(dòng)能，另一部分轉(zhuǎn)化為熱能耗散。車輛在道路上行駛可以看作在不斷地爬坡，并且在車輛荷載的重復(fù)作用下，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部接收到的熱能增加從而溫度升高，瀝青材料彈性模量降低[4]，在夏季高溫條件下，瀝青材料的彈性損失嚴(yán)重，瀝青路面在受到車輛荷載時(shí)變形增大，產(chǎn)生較大的滾動(dòng)阻力。

因此瀝青路面要降低滾動(dòng)阻力需要減小微小變形以及降低瀝青混合料的內(nèi)生熱，基于提高模量以及降低模量損失速率的理念進(jìn)行低滾動(dòng)阻力瀝青路面的設(shè)計(jì)。

2 低滾動(dòng)阻力瀝青微觀特征分析

2.1 差熱分析

通過差示掃描量熱試驗(yàn)（DSC）測量瀝青在控制溫度中的熵焓變化，通過瀝青組分的轉(zhuǎn)化情況，評價(jià)瀝青的感溫性。對基質(zhì)瀝青與低滾動(dòng)阻力瀝青進(jìn)行測試，分析結(jié)果見圖1。

由DSC圖像可知基質(zhì)瀝青在16.38℃和37.83℃下存在兩個(gè)較小的吸收峰，低滾阻瀝青除此之外在102.76℃額外存在一個(gè)吸收峰，推測是低滾阻改性顆粒造成的。低滾阻改性的圖像面積變小，說明瀝青的總吸熱量減少，有利于減少瀝青路面在經(jīng)受車輛荷載時(shí)的內(nèi)生熱，延緩道路滾動(dòng)阻力的增大。

2.2 瀝青微觀形貌分析

基于透射電子和光學(xué)原理對瀝青的表面進(jìn)行超高倍數(shù)的微觀形貌觀察，分析低滾動(dòng)阻力瀝青的物理結(jié)構(gòu)及組成，明確低滾阻瀝青的改性原理。

由圖2可知，低滾阻瀝青的斷面具有團(tuán)簇狀的突起，其余部分為均質(zhì)整體，內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻，改性劑顆粒絕大部分與瀝青形成了均質(zhì)穩(wěn)定的共混膠體，儲(chǔ)存穩(wěn)定性較好，充分地發(fā)揮改性劑的作用，對于提升瀝青高低溫下的性能有積極的影響。

3 低滾動(dòng)阻力瀝青混合料性能測試

3.1 低滾動(dòng)阻力瀝青混合料原材料

本文所選用粗、細(xì)集料以及礦粉經(jīng)檢驗(yàn)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)（JTG F40-2004）》的技術(shù)要求。采用馬歇爾試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)法，確定基質(zhì)瀝青混合料與低滾阻瀝青混合料的最佳油石比。

3.2 瀝青混合料路用性能

3.2.1 高溫穩(wěn)定性

隨著溫度升高，瀝青的黏度降低，勁度模量減小，這會(huì)導(dǎo)致在高溫的夏季，瀝青路面在車輛荷載和剪切力作用下更易出現(xiàn)車轍、擁抱，剪切等病害，降低路面使用性能，從而造成瀝青路面的滾動(dòng)阻力增大。因此測試低滾動(dòng)阻力瀝青路面抵抗高溫變形的能力在設(shè)計(jì)中尤為重要。本文參照《試驗(yàn)規(guī)程》）中車轍試驗(yàn)條例對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。車轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示低滾阻瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度是基質(zhì)瀝青混合料的5.82倍，證明低滾阻改性劑的加入使瀝青路面的抵抗變形的能力得到了增強(qiáng)，改性劑顆粒在拌合過程中與瀝青黏附在集料，相當(dāng)于黏附性更強(qiáng)的細(xì)集料，提升了混合料的彈性，路面在承受荷載時(shí)不可恢復(fù)的粘性變形減少，滾動(dòng)阻力變大的趨勢減小。

3.2.2 低溫穩(wěn)定性

我國瀝青路面基層常用半剛性基層，低溫下易產(chǎn)生反射裂縫。本文采用的低滾阻瀝青混合料模量較高，硬度大，確保路面具有一定柔性對于防止在寒冷氣候中由車輛載荷和溫度應(yīng)力循環(huán)引起的裂縫至關(guān)重要。通過低溫小梁試驗(yàn)可以評估不同瀝青混合料在溫度應(yīng)力影響下的抗變形性能。在低溫小梁彎曲試驗(yàn)中低滾阻瀝青混合料的極限彎拉應(yīng)變比基質(zhì)瀝青混合料提高14.7%，抗彎拉強(qiáng)度相應(yīng)地也有所提高，這是由于低滾阻改性劑中的PP與PE成分對低溫不敏感，與瀝青形成共混膠體有效減小收縮應(yīng)力。共混物通過增強(qiáng)瀝青與集料之間的粘結(jié)力，增強(qiáng)了混合料抵抗低溫開裂的能力。

3.2.3 耐疲勞性試驗(yàn)

在車輛反復(fù)荷載的影響下，道路長期遭受變化的應(yīng)力作用。一旦應(yīng)力循環(huán)達(dá)到一定次數(shù)，路面材料的耐受能力將不足以應(yīng)對這些應(yīng)力，從而引發(fā)路面的疲勞性破壞。使用四點(diǎn)梁彎曲試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際工程中的疲勞破壞準(zhǔn)確性要高于其他疲勞試驗(yàn)方法。采用應(yīng)變控制作為控制條件，勁度模量降至初始的50%時(shí)的次數(shù)記為疲勞壽命。（表1）

由四點(diǎn)梁彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果來看，低滾阻瀝青混合料的疲勞壽命無論在何種應(yīng)變條件下均大于基質(zhì)瀝青混合料。疲勞性能主要受瀝青韌性、黏附性以及抗拉伸性影響，低滾阻改性劑顆粒與瀝青的共混狀體具備良好的韌性，增加了瀝青與集料的黏附性，減小了道路路面的微形變，維持道路整體性進(jìn)而降低道路滾動(dòng)阻力。

3.2.4 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

分析瀝青路面滾動(dòng)阻力時(shí)，車輛的加載方式并不是恒定不變的，車輛與路面之間的瞬間沖擊與垂直振動(dòng)也是影響道路滾動(dòng)阻力的重要因素，因此需要?jiǎng)討B(tài)模量試驗(yàn)探究路面全溫域、全加載頻率下力學(xué)響應(yīng)的變化規(guī)律。（圖3）

由試驗(yàn)結(jié)果可知，低滾阻瀝青混合料的模量較基質(zhì)瀝青有明顯提高，且在同一溫度下動(dòng)態(tài)模量都隨著頻率增加而升高，這說明摻加了低滾阻改性劑改性的瀝青路面在受到動(dòng)態(tài)荷載時(shí)更不易發(fā)生變形，車輛在路面上行駛過程，輪胎的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成路面彈性勢能增多，路面的彈性變形增多，對應(yīng)的塑性永久變形就會(huì)減少，相比較常規(guī)瀝青路面提升了服務(wù)水平并降低了滾動(dòng)阻力。

4 低滾動(dòng)阻力瀝青路面結(jié)構(gòu)模型建立與分析

4.1 有限元模型建立

本文采用ABAQUS軟件對路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，將路面結(jié)構(gòu)定義為邊長為6cm立方體結(jié)構(gòu)，路面結(jié)構(gòu)、有限元模型如圖4所示；各層材料及技術(shù)指標(biāo)見表2。

4.2 有限元結(jié)果及分析

通過對有限元力學(xué)模型中確定溫度、濕度后施加外力荷載條件，對道路結(jié)構(gòu)受力云圖進(jìn)行觀察，對低滾動(dòng)阻力路面結(jié)構(gòu)的合理性以及材料最優(yōu)解進(jìn)行探究。（圖5、6、7、8）

通過對剪應(yīng)力云圖觀察發(fā)現(xiàn)，不同路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在0.04～0.09m的中面層范圍內(nèi)，故中面層材料強(qiáng)度要得到保證；由剪應(yīng)變云圖可知，低滾動(dòng)阻力路面可以降低下面層底部的剪應(yīng)變，并且結(jié)構(gòu)一低滾阻路面的剪切應(yīng)變隨著時(shí)間的改變變化幅度始終要比結(jié)構(gòu)二小，說明低滾阻路面整體的抗車轍性能更好；通過豎向彎沉大小可以看出若雙層修筑瀝青路面，則低滾阻層的最佳鋪筑位置在上面層，用來抵抗道路因車輛荷載引發(fā)的豎向位移，可有效防止其向下擴(kuò)散影響道路整體性。

5 結(jié)語

本文通過對低滾阻瀝青混合料性能的研究及合理總結(jié)，對低滾阻瀝青混合料降低道路滾動(dòng)阻力的機(jī)理進(jìn)行分析，結(jié)合有限元模型對低滾動(dòng)阻力路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行探求，主要結(jié)論如下：

（1）低滾阻改性劑的加入并沒有使瀝青生成新物質(zhì)，而是與瀝青形成了熔融共混的均質(zhì)膠結(jié)料起到抗拉伸的作用，可以明顯降低瀝青吸熱量，有利于減少瀝青混合料的內(nèi)生熱，提升瀝青混合料的熱穩(wěn)定性。

（2）摻加了低滾阻改性劑的瀝青其動(dòng)穩(wěn)定度與模量有較大提升。低滾阻改性劑與瀝青混合后增加了瀝青與集料的粘附性，道路在重復(fù)荷載下可減小微變形，維持道路整體性減小道路滾動(dòng)阻力。

（3）按照試驗(yàn)結(jié)果，以豎向彎沉、最大剪應(yīng)力位置分布情況以及輪跡中心點(diǎn)剪應(yīng)變大小情況進(jìn)行評價(jià)，修筑低滾動(dòng)阻力上面層的結(jié)構(gòu)一優(yōu)于修筑低滾動(dòng)阻力中下面層的結(jié)構(gòu)二。為優(yōu)化低滾動(dòng)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新思路。

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