低滚动阻力沥青路面设计研究

何萌　郭利杨　刘斌　王羽佳　周伟

摘 要：低滚动阻力沥青路面设计是通过对沥青改性探求实现降低道路滚动阻力的路面设计。通过对低滚阻沥青的微观特征进行观察，探究低滚阻沥青的改性机理；设计路用性能试验确保低滚阻沥青混合料的路用性能指标达到规范要求；基于低滚阻沥青使用场景与特点，通过动态模量试验与有限元仿真模型的建立对低滚阻沥青路面动态加载环境下的特性进行评价，为低滚阻沥青在道路设计上提供了新的参考思路。

关键词：滚动阻力 微观特征 改性机理 动态加载

道路滚动阻力是车辆在路面上行驶过程中轮胎滚动的机械能损失[1]，当滚动阻力过高时，会造成汽车的牵引力损失而产生污染。近些年，我国公路总里程已达528万公里[2]，随着“双碳”目标的临近，降低道路滚动阻力从而减少二氧化碳排放量越来越受到人们的关注。

当前国内外学者对低滚动阻力路面的研究尚没有成熟的认识，对车辆与路面的瞬时动态荷载与道路滚动阻力之间的研究较为缺乏。因此从能量耗散和摩擦学角度分析降低滚动阻力的机理，并提出可参考实施的低滚动阻力路面设计思路与方法具有重大实践意义。

1 低滚动阻力路面设计理论

道路滚动阻力主要受以下两方面影响，一是轮胎与路面的相互作用，二是路面在瞬时动态荷载下的力学响应[3]。车辆在道路上行驶时轮胎与路面接触会造成两部分能量损失，一部分是轮胎动能造成沥青路面的微小形变转化为路面的弹性势能与动能，另一部分转化为热能耗散。车辆在道路上行驶可以看作在不断地爬坡，并且在车辆荷载的重复作用下，路面结构内部接收到的热能增加从而温度升高，沥青材料弹性模量降低[4]，在夏季高温条件下，沥青材料的弹性损失严重，沥青路面在受到车辆荷载时变形增大，产生较大的滚动阻力。

因此沥青路面要降低滚动阻力需要减小微小变形以及降低沥青混合料的内生热，基于提高模量以及降低模量损失速率的理念进行低滚动阻力沥青路面的设计。

2 低滚动阻力沥青微观特征分析

2.1 差热分析

通过差示扫描量热试验（DSC）测量沥青在控制温度中的熵焓变化，通过沥青组分的转化情况，评价沥青的感温性。对基质沥青与低滚动阻力沥青进行测试，分析结果见图1。

由DSC图像可知基质沥青在16.38℃和37.83℃下存在两个较小的吸收峰，低滚阻沥青除此之外在102.76℃额外存在一个吸收峰，推测是低滚阻改性颗粒造成的。低滚阻改性的图像面积变小，说明沥青的总吸热量减少，有利于减少沥青路面在经受车辆荷载时的内生热，延缓道路滚动阻力的增大。

2.2 沥青微观形貌分析

基于透射电子和光学原理对沥青的表面进行超高倍数的微观形貌观察，分析低滚动阻力沥青的物理结构及组成，明确低滚阻沥青的改性原理。

由图2可知，低滚阻沥青的断面具有团簇状的突起，其余部分为均质整体，内部结构均匀，改性剂颗粒绝大部分与沥青形成了均质稳定的共混胶体，储存稳定性较好，充分地发挥改性剂的作用，对于提升沥青高低温下的性能有积极的影响。

3 低滚动阻力沥青混合料性能测试

3.1 低滚动阻力沥青混合料原材料

本文所选用粗、细集料以及矿粉经检验均满足《公路沥青路面施工技术（JTG F40-2004）》的技术要求。采用马歇尔试验配合比设计法，确定基质沥青混合料与低滚阻沥青混合料的最佳油石比。

3.2 沥青混合料路用性能

3.2.1 高温稳定性

随着温度升高，沥青的黏度降低，劲度模量减小，这会导致在高温的夏季，沥青路面在车辆荷载和剪切力作用下更易出现车辙、拥抱，剪切等病害，降低路面使用性能，从而造成沥青路面的滚动阻力增大。因此测试低滚动阻力沥青路面抵抗高温变形的能力在设计中尤为重要。本文参照《试验规程》）中车辙试验条例对沥青混合料的高温稳定性进行评价。车辙试验数据显示低滚阻沥青混合料的动稳定度是基质沥青混合料的5.82倍，证明低滚阻改性剂的加入使沥青路面的抵抗变形的能力得到了增强，改性剂颗粒在拌合过程中与沥青黏附在集料，相当于黏附性更强的细集料，提升了混合料的弹性，路面在承受荷载时不可恢复的粘性变形减少，滚动阻力变大的趋势减小。

3.2.2 低温稳定性

我国沥青路面基层常用半刚性基层，低温下易产生反射裂缝。本文采用的低滚阻沥青混合料模量较高，硬度大，确保路面具有一定柔性对于防止在寒冷气候中由车辆载荷和温度应力循环引起的裂缝至关重要。通过低温小梁试验可以评估不同沥青混合料在温度应力影响下的抗变形性能。在低温小梁弯曲试验中低滚阻沥青混合料的极限弯拉应变比基质沥青混合料提高14.7%，抗弯拉强度相应地也有所提高，这是由于低滚阻改性剂中的PP与PE成分对低温不敏感，与沥青形成共混胶体有效减小收缩应力。共混物通过增强沥青与集料之间的粘结力，增强了混合料抵抗低温开裂的能力。

3.2.3 耐疲劳性试验

在车辆反复荷载的影响下，道路长期遭受变化的应力作用。一旦应力循环达到一定次数，路面材料的耐受能力将不足以应对这些应力，从而引发路面的疲劳性破坏。使用四点梁弯曲试验模拟实际工程中的疲劳破坏准确性要高于其他疲劳试验方法。采用应变控制作为控制条件，劲度模量降至初始的50%时的次数记为疲劳寿命。（表1）

由四点梁弯曲疲劳试验结果来看，低滚阻沥青混合料的疲劳寿命无论在何种应变条件下均大于基质沥青混合料。疲劳性能主要受沥青韧性、黏附性以及抗拉伸性影响，低滚阻改性剂颗粒与沥青的共混状体具备良好的韧性，增加了沥青与集料的黏附性，减小了道路路面的微形变，维持道路整体性进而降低道路滚动阻力。

3.2.4 动态模量试验

分析沥青路面滚动阻力时，车辆的加载方式并不是恒定不变的，车辆与路面之间的瞬间冲击与垂直振动也是影响道路滚动阻力的重要因素，因此需要动态模量试验探究路面全温域、全加载频率下力学响应的变化规律。（图3）

由试验结果可知，低滚阻沥青混合料的模量较基质沥青有明显提高，且在同一温度下动态模量都随着频率增加而升高，这说明掺加了低滚阻改性剂改性的沥青路面在受到动态荷载时更不易发生变形，车辆在路面上行驶过程，轮胎的动能转化成路面弹性势能增多，路面的弹性变形增多，对应的塑性永久变形就会减少，相比较常规沥青路面提升了服务水平并降低了滚动阻力。

4 低滚动阻力沥青路面结构模型建立与分析

4.1 有限元模型建立

本文采用ABAQUS软件对路面结构进行分析，将路面结构定义为边长为6cm立方体结构，路面结构、有限元模型如图4所示；各层材料及技术指标见表2。

4.2 有限元结果及分析

通过对有限元力学模型中确定温度、湿度后施加外力荷载条件，对道路结构受力云图进行观察，对低滚动阻力路面结构的合理性以及材料最优解进行探究。（图5、6、7、8）

通过对剪应力云图观察发现，不同路面结构剪应力峰值均出现在0.04～0.09m的中面层范围内，故中面层材料强度要得到保证；由剪应变云图可知，低滚动阻力路面可以降低下面层底部的剪应变，并且结构一低滚阻路面的剪切应变随着时间的改变变化幅度始终要比结构二小，说明低滚阻路面整体的抗车辙性能更好；通过竖向弯沉大小可以看出若双层修筑沥青路面，则低滚阻层的最佳铺筑位置在上面层，用来抵抗道路因车辆荷载引发的竖向位移，可有效防止其向下扩散影响道路整体性。

5 结语

本文通过对低滚阻沥青混合料性能的研究及合理总结，对低滚阻沥青混合料降低道路滚动阻力的机理进行分析，结合有限元模型对低滚动阻力路面结构设计的合理性进行探求，主要结论如下：

（1）低滚阻改性剂的加入并没有使沥青生成新物质，而是与沥青形成了熔融共混的均质胶结料起到抗拉伸的作用，可以明显降低沥青吸热量，有利于减少沥青混合料的内生热，提升沥青混合料的热稳定性。

（2）掺加了低滚阻改性剂的沥青其动稳定度与模量有较大提升。低滚阻改性剂与沥青混合后增加了沥青与集料的粘附性，道路在重复荷载下可减小微变形，维持道路整体性减小道路滚动阻力。

（3）按照试验结果，以竖向弯沉、最大剪应力位置分布情况以及轮迹中心点剪应变大小情况进行评价，修筑低滚动阻力上面层的结构一优于修筑低滚动阻力中下面层的结构二。为优化低滚动沥青路面结构设计提供了新思路。

参考文献：

[1]董玉德，徐丹丹，吕伦.轮胎花纹设计及其对相关性能影响研究现状[J].轮胎工业，2020，40（05）：259-267.

[2]新华社.我国公路总里程已达528万公里[EB/OL].（2022-04-26）[2024-05-11].http：//www.gov.cn/xinwen/2022-04/26/ content_5687326.htm.

[3]朱成伟，刘洋，庄晔，等.基于简易轮胎试验模态测试的滚阻特性评价方法[J].农业机械学报，2019，50（06）：371-378.

[4]邱贺枰.紫外老化作用下沥青及沥青混合料疲劳自愈性能研究[D].呼和浩特：内蒙古工业大学，2019.