低滾動阻力瀝青路面設(shè)計研究

何萌　郭利楊　劉斌　王羽佳　周偉

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

關(guān)鍵詞：滾動阻力 微觀特征 改性機理 動態(tài)加載

道路滾動阻力是車輛在路面上行駛過程中輪胎滾動的機械能損失[1]，當滾動阻力過高時，會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528萬公里[2]，隨著“雙碳”目標的臨近，降低道路滾動阻力從而減少二氧化碳排放量越來越受到人們的關(guān)注。

當前國內(nèi)外學(xué)者對低滾動阻力路面的研究尚沒有成熟的認識，對車輛與路面的瞬時動態(tài)荷載與道路滾動阻力之間的研究較為缺乏。因此從能量耗散和摩擦學(xué)角度分析降低滾動阻力的機理，并提出可參考實施的低滾動阻力路面設(shè)計思路與方法具有重大實踐意義。

1 低滾動阻力路面設(shè)計理論

道路滾動阻力主要受以下兩方面影響，一是輪胎與路面的相互作用，二是路面在瞬時動態(tài)荷載下的力學(xué)響應(yīng)[3]。車輛在道路上行駛時輪胎與路面接觸會造成兩部分能量損失，一部分是輪胎動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重，瀝青路面在受到車輛荷載時變形增大，產(chǎn)生較大的滾動阻力。

因此瀝青路面要降低滾動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行低滾動阻力瀝青路面的設(shè)計。

2 低滾動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（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，評價瀝青的感溫性。對基質(zhì)瀝青與低滾動阻力瀝青進行測試，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℃下存在兩個較小的吸收峰，低滾阻瀝青除此之外在102.76℃額外存在一個吸收峰，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)受車輛荷載時的內(nèi)生熱，延緩道路滾動阻力的增大。

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行超高倍數(shù)的微觀形貌觀察，分析低滾動阻力瀝青的物理結(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 低滾動阻力瀝青混合料性能測試

3.1 低滾動阻力瀝青混合料原材料

本文所選用粗、細集料以及礦粉經(jīng)檢驗均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)（JTG F40-2004）》的技術(shù)要求。采用馬歇爾試驗配合比設(shè)計法，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阻力增大。因此測試低滾動阻力瀝青路面抵抗高溫變形的能力在設(shè)計中尤為重要。本文參照《試驗規(guī)程》）中車轍試驗條例對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性進行評價。車轍試驗數(shù)據(jù)顯示低滾阻瀝青混合料的動穩(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，改性劑顆粒在拌合過程中與瀝青黏附在集料，相當于黏附性更強的細集料，提升了混合料的彈性，路面在承受荷載時不可恢復(fù)的粘性變形減少，滾動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。共混物通過增強瀝青與集料之間的粘結(jié)力，增強了混合料抵抗低溫開裂的能力。

3.2.3 耐疲勞性試驗

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。使用四點梁彎曲試驗?zāi)M實際工程中的疲勞破壞準確性要高于其他疲勞試驗方法。采用應(yīng)變控制作為控制條件，勁度模量降至初始的50%時的次數(shù)記為疲勞壽命。（表1）

由四點梁彎曲疲勞試驗結(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，維持道路整體性進而降低道路滾動阻力。

3.2.4 動態(tài)模量試驗

分析瀝青路面滾動阻力時，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也是影響道路滾動阻力的重要因素，因此需要動態(tài)模量試驗探究路面全溫域、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態(tài)荷載時更不易發(fā)生變形，車輛在路面上行駛過程，輪胎的動能轉(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)水平并降低了滾動阻力。

4 低滾動阻力瀝青路面結(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)受力云圖進行觀察，對低滾動阻力路面結(jié)構(gòu)的合理性以及材料最優(yōu)解進行探究。（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)，故中面層材料強度要得到保證；由剪應(yīng)變云圖可知，低滾動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阻力的機理進行分析，結(jié)合有限元模型對低滾動阻力路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性進行探求，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阻力。

（3）按照試驗結(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剪應(yīng)變大小情況進行評價，修筑低滾動阻力上面層的結(jié)構(gòu)一優(yōu)于修筑低滾動阻力中下面層的結(jié)構(gòu)二。為優(yōu)化低滾動瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了新思路。

參考文獻：

[1]董玉德，徐丹丹，呂倫.輪胎花紋設(shè)計及其對相關(guān)性能影響研究現(xiàn)狀[J].輪胎工業(yè)，2020，40（05）：259-267.

[2]新華社.我國公路總里程已達528萬公里[EB/OL].（2022-04-26）[2024-05-11].http：//www.gov.cn/xinwen/2022-04/26/ content_5687326.htm.

[3]朱成偉，劉洋，莊曄，等.基于簡易輪胎試驗?zāi)B(tài)測試的滾阻特性評價方法[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2019，50（06）：371-378.

[4]邱賀枰.紫外老化作用下瀝青及瀝青混合料疲勞自愈性能研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2019.