基于动态剪切试验的低滚阻改性沥青粘弹性分析

刘小春，李 艳，高笑语，邱业绩，郭 平

(1.中交二公局东萌工程有限公司，陕西 西安 710000； 2.西安公路研究院，陕西 西安 710065；3.西安斯派新材料科技有限公司，陕西 西安 710600)

0 引 言

车辆正常行驶于路面时，轮胎在路表面发生滚动，轮胎外缘中心对称面与滚动方向一致，则与滚动方向相反的阻力称为轮胎滚动阻力，滚动阻力由路面挤压造成的轮胎变形，荷载作用下路面发生的变形以及轮胎-路面反向摩擦组成[1-4]。目前对于低滚阻路面的研究主要集中于橡胶轮胎领域。但是沥青路面是应用最为广泛的道路路面，对于路面滚动阻力方面的研究近乎空白[5-7]。

本文在自主研发的一种低滚阻改性沥青的基础上，参照道路材料流变的理论和材料粘弹性试验方法，对低滚阻改性沥青、SBS改性沥青之间的流变性能差异进行了对比分析。

1 低滚阻改性沥青的研制

从轮胎角度考虑，低滚阻沥青路面的主要作用是在基于车辆安全的前提下，对橡胶进行改性以降低橡胶轮胎的应变滞后性，以降低轮胎-路面间的滚动阻力；因此，从沥青角度考虑，低滚阻沥青的主要作用是通过一定的方法对沥青进行改性以实现降低路面变形及应变滞后性，从而降低滚动阻力。而沥青作为常用的道路材料具有一定的粘弹性特征，通过特定方式对沥青进行改性，提高沥青混合料模量以减小路面的弹性变形并降低其应变滞后性，也可能是实现沥青路面低滚阻性能的有效方式之一。

项目组根据不同产地天然沥青的沥青含量、沥青四组份构成、矿物质成分等特点，选择天然沥青原料，采用独有的加工手段减小了天然沥青的粒径，使得三氯乙烯不溶物颗粒的表面效应突出，比表面积增大，表面活性增强，通过物理作用分散在沥青中。同时通过化学稳定作用，进一步保证沥青的存储稳定性。基于上述方法研制了低滚阻改性沥青。

2 低滚阻改性沥青常规性能研究

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的试验方法，对该低滚阻改性沥青的针入度、延度、软化点、密度以及老化性能等常规性能指标进行了检测。与制备的SBS改性沥青的常规性能指标试验结果对比见表1。

由表1可知：

(1)由于低滚阻改性沥青是由低针入度的硬质沥青经改性加工制成，流动性较差，其针入度明显低于SBS改性沥青；此外，低滚阻改性沥青的5 ℃延度和弹性恢复指标较SBS改性沥青有所降低，也是由于天然硬质沥青本身的特性所致。

(2)对比低滚阻改性沥青和SBS改性沥青老化后性能指标可知，低滚阻改性沥青的残留针入度比和残留延度均高于SBS改性沥青，说明低滚阻改性沥青抗老化性能优良。

表1 低滚阻改性沥青与SBS改性沥青的性能指标对比

(3)低滚阻改性沥青的48 h离析试验结果优于SBS改性沥青，说明低滚阻改性沥青的存储稳定性较优。这是由于低滚阻改性沥青的主要成分为天然沥青并且采用了特殊加工工艺。

3 粘弹性理论及试验方法

3.1 粘弹性理论

粘弹性分析的主要方法是基于试验特性的理论分析。试验分析主要考察应力应变对加载速率的依赖性和对温度的敏感性，粘弹性材料的力学行为与激励时间t有关，所以其应力和应变是时间的函数。假设粘弹性体在外力作用下，任一时刻t的应变ε(t)取决于直至该时刻的应力σ(t)，则应力和应变的函数关系可表示为：

动态粘弹性是指粘弹性物体受到振荡荷载作用(一般为正弦波)所表现出的力学行为和特性，其力学性质介于弹性固体和粘体流体之间。动态粘弹性分析的基本特点是小变形、线性特性、时间滞后(相位差)和复数方法等，其最重要的参量是复数模量和复数柔量，类似于虎克定律中弹性模量的定义，动态粘弹性分析通常把复应力与复应变的比值定义为复数模量，并记为R*(iω)。对粘弹性体施加ε(t)=ε0sinωt的振荡激励，应力和应变之间会产生时间滞后现象，存在相位角差δ。一般而言，粘弹性的滞后效应通常表现为应变对应力在时间上的滞后，所以当应变滞后应力的相位角差为δ时，即滞后了时间t=δ/ω。依据Maxwell模型的本构方程计算可得复数模量为：

R1(ω)+iR2(ω)

(1)

复数模量R*(iω)的实部R1为动态弹性模量或储能模量，反映了弹性能量的存储和释放，表征的是弹性性质；虚部R2为粘性损失模量或散能模量，反映了粘性能量的损失和耗散，表征材料的粘性性质；tanδ为损失正切或损失因子。弹性部分R1越大，弹性模量越大，材料约接近固体；粘性部分R2越大，粘性越小，材料越接近流体。在拉压试验中。复数模量表示为：E*(iω)=E1+E2；在剪切试验中，复数模量表示为：G*(iω)=G1+G2。

3.2 动态剪切流变试验

动态剪切流变仪试验简称DSR试验，可以测定沥青材料的复数剪切模量G*和相位角δ以表征沥青材料的粘弹性质。复数剪切模量G*=τmax/γmax，δ为施加的振荡激励与响应之间的相位角差。试验所施加的荷载为正弦荷载，其工作原理及应力-应变曲线如图1所示。按照3.1节，复数剪切模量由两部分组成：动态弹性模量或储能模量G1及粘性损失模量或散能模量G2。在线性粘弹区间内，G1越大，表明其弹性模量越大材料弹性性质越强；G2表征的是沥青在形变过程中由于粘性而损失的模量，G2越大，沥青在应力作用下粘性损耗越多。

图1 动态剪切流变试验原理及应力-应变曲线

4 温度敏感性试验

4.1 应力扫描

对低滚阻改性沥青及SBS改性沥青进行动态剪切流变试验，试验类型为应力扫描试验，振动应力范围为0.05～20 000 Pa，试验温度设定为60 ℃，角频率为10 rad·s-1，试验结果如图2所示。

图2 2种沥青的应力扫描曲线

由图2可知：

(1)在60 ℃试验温度下，随应力的不断增加，2种沥青的复数剪切模量G*随之衰减，但在0～1 000 Pa的振动应力范围内没有出现迅速衰减，可近似认为G*没有随应力增加发生变化，因此线性粘弹性区间为0～1 000 Pa的振动应力范围。

(2)同一应力水平下，低滚阻改性沥青的复数剪切模量G*明显高于SBS改性沥青。由3.1中的线性粘弹性理论可知，复数剪切模量G*由动态弹性模量(储能模量)和粘性损失模量(散能模量)两部分构成，因此还需进一步对动态弹性模量(储能模量)及粘性损失模量(散能模量)进行试验研究，用以对比2种沥青的粘弹性。

4.2 温度扫描

图3 2种沥青的G1随温度变化曲线

采用动态剪切流变仪，对低滚阻改性沥青和SBS改性沥青进行温度扫描试验，温度扫描范围为58 ℃～75 ℃，升温速率为1 ℃·min-1，频率为10 rad·s-1。动态弹性模量(储能模量)G1、粘性损失模量(散能模量)G2随温度的变化如图3、4所示。对试验结果进行线性拟合，结果见表2。

由图3～4和表2可知：

(1)2种沥青的动态弹性模量(储能模量)G1、粘性损失模量(散能模量)G2均随温度的升高而降低，通过对曲线进行线性拟合结果进行分析可以看出，低滚阻改性沥青的曲线斜率绝对值较小，说明低滚阻改性沥青对于温度的敏感性小于SBS改性沥青，反映出低滚阻沥青的高温性能稳定。

图4 2种沥青的G2随温度变化曲线

表2 线性拟合结果及相关性系数

(2)对比2种沥青在同一温度下的动态弹性模量(储能模量)G1、粘性损失模量(散能模量)G2试验结果可以看出：相较于SBS改性沥青，低滚阻改性沥青的G1较大，说明低滚阻沥青在应力作用下具有较高的动态弹性模量(储能模量)因而路面弹性变形较小；低滚阻改性沥青的粘性损失模量(散能模量)G2较小，说明低滚阻改性沥青的粘性损失小，粘弹性转变较快，应变滞后性较小。

5 结 语

本文基于线性粘弹性理论，对低滚阻改性沥青和SBS改性沥青分别进行了应力扫描和温度扫描的动态剪切试验。对比分析了低滚阻改性沥青与SBS改性沥青粘弹性差异。

(1)依据60 ℃试验温度下的应力扫描结果确定2种沥青的应力均在线性粘弹性区间为0～1 000 Pa振动应力范围内。

(2)在等应力水平下，低滚阻改性沥青的复数剪切模量G*明显高于SBS改性沥青。

(3)通过温度扫描试验曲线拟合结果分析可知：低滚阻改性沥青的温度敏感性较小，高温稳定性能优良。

(4)在等温度水平下，低滚阻改性沥青的G1较大、G2较小，说明低滚阻沥青不仅具有较高的动态弹性模量使得路面弹性变形小；而且其粘性损失小，形变恢复快，可有效降低低滚阻沥青路面的应变滞后性。