基于動態(tài)剪切流變儀的瀝青實驗教學(xué)項目探討

孫艷娜++孫大權(quán)

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

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)；瀝青實驗；動態(tài)剪切流變儀；實驗項目

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

作為交通工程專業(yè)道路方向的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，《道路工程材料》是一門實驗性較強的基礎(chǔ)課，學(xué)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(yīng)卓越工程師培養(yǎng)計劃的實施，卓越人才培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)，不僅理論教學(xué)和實驗教學(xué)的組織形式和教學(xué)方式需要改革和調(diào)整，與之相關(guān)的課程體系和教學(xué)內(nèi)容也要進(jìn)行更新。自從同濟(jì)大學(xué)開設(shè)《道路工程材料》這門課程以來，配套教材已經(jīng)更新到第5版，而相應(yīng)的實驗教學(xué)內(nèi)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(guī)的針入度實驗、軟化點實驗和延度實驗。而這三類實驗是經(jīng)驗性指標(biāo)實驗，并不能準(zhǔn)確有效地表征瀝青的使用性能。

在上個世紀(jì)，大多數(shù)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(zhàn)略研究計劃SHRP（Strategic Highway Research Program）投入上億元的資產(chǎn)，歷時8年時間，在瀝青和路面性能兩個領(lǐng)域取得了豐碩的成果，針對瀝青領(lǐng)域而言，提出了基于性能的PG（Performance Grade）分級，測試儀器為動態(tài)剪切流變儀DSR（Dynamic Shear Rhemoter）。我校是國內(nèi)第一家購買該設(shè)備的單位，并利用此設(shè)備進(jìn)行了大量的科研工作。

DSR是進(jìn)行材料粘彈性測量的精密儀器，可應(yīng)用于醫(yī)療、建筑、化工、石油等多個領(lǐng)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(yīng)用到振動加載模式下的應(yīng)變掃描和應(yīng)力掃描兩種實驗類型，平時的科研項目中，應(yīng)用到的實驗方法也不過增加到應(yīng)變掃描、應(yīng)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(zhǔn)確應(yīng)用到瀝青行業(yè)還有待開發(fā)。

一、DSR加載模式分析

對于瀝青行業(yè)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(jìn)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(xiàn)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(zhuǎn)動到點B，由B往回轉(zhuǎn)動經(jīng)過A轉(zhuǎn)動到C點，再返回由C轉(zhuǎn)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(yīng)力控制，也可以應(yīng)變控制。振動加載模式下，涉及到的實驗參數(shù)有溫度、頻率、應(yīng)變（或應(yīng)力）和時間（加載次數(shù)）。

（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(zhuǎn)，可以剪切應(yīng)力控制，也可以剪切應(yīng)變控制。流動加載模式下，涉及到實驗參數(shù)有溫度、剪應(yīng)變（或剪應(yīng)力）和時間（加載次數(shù)）。

（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(yīng)力，之后卸掉應(yīng)力，測試在加載和卸載過程中應(yīng)變的變化。蠕變加載模式下，涉及到實驗參數(shù)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(yīng)力和時間（加載次數(shù)）。

（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(yīng)變，之后卸掉應(yīng)變，測試在加載和卸載過程中應(yīng)力的變化。松弛加載模式下涉及到的參數(shù)有溫度、應(yīng)變和時間（加載次數(shù)）。

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(diào)，因此可供開發(fā)的加載模式只有振動加載和流動加載。

二、DSR測試實驗參數(shù)的確定

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)實驗方法中，只有PG分級實驗，具體實驗參數(shù)是頻率1.59Hz，實驗溫度為高溫和低溫，應(yīng)變水平（或應(yīng)力水平）：對于原樣瀝青為應(yīng)變12%（或應(yīng)力0.12kPa），對于旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化后的瀝青為應(yīng)變10%（或應(yīng)力0.22kPa），對于壓力老化后的瀝青為應(yīng)變1%（或應(yīng)力50kPa）。對于開發(fā)的新的實驗項目，實驗參數(shù)應(yīng)該如何確定？以應(yīng)變?yōu)槔?，筆者認(rèn)為，它應(yīng)該綜合考慮瀝青在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)變水平、瀝青的線形粘彈性應(yīng)變大小和儀器可實現(xiàn)應(yīng)變大小三種。

對于瀝青在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)變水平，可通過路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析獲得。儀器可實現(xiàn)應(yīng)變可理解為每臺儀器都有它自身的動力系統(tǒng)，并且這個動力系統(tǒng)中動力的大小是有一定的范圍的，超過這個動力范圍設(shè)備將無法正常工作，即在設(shè)備的動力系統(tǒng)允許范圍內(nèi)，能夠加載在試件上的最大應(yīng)變?yōu)榭蓪崿F(xiàn)應(yīng)變?？蓪崿F(xiàn)應(yīng)變也可以理解為在極限工作狀態(tài)下能夠加載在試件上的最大應(yīng)變[1]。對于實驗室現(xiàn)有DSR-AR1500來說，理想狀態(tài)下應(yīng)變?yōu)?.25×10-3～12500%，但加載上的應(yīng)變水平跟溫度和頻率有關(guān)，具體為溫度越低，或頻率越高，能夠加載的應(yīng)變越低。

對于線形粘彈性應(yīng)變，在SHRP試驗研究[2]，定義瀝青的線粘彈性范圍為應(yīng)變掃描曲線中，復(fù)數(shù)剪切模量衰減到初始值的0.9倍之間所對應(yīng)的應(yīng)變。以兩種瀝青為例，應(yīng)變掃描實驗結(jié)果見圖3，其中縱坐標(biāo)為復(fù)數(shù)剪切模量與初始剪切模量的比值，瀝青線形粘彈性應(yīng)變范圍為紅色箭頭標(biāo)注的區(qū)域。

三、新的實驗項目的開發(fā)探討

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

參考文獻(xiàn)：

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

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