基于动态剪切流变仪的沥青实验教学项目探讨

摘要：现行《道路工程材料》中沥青教学实验为常规的针入度实验、软化点实验和延度实验，这三类实验是经验性指标实验，并不能准确有效地表征沥青的使用性能。本文欲采用高端设备动态剪切流变仪DSR，开发一些反映沥青性能的教学实验项目。通过对DSR设备加载模式的介绍，以及加载模式下需要确定的实验参数，结合沥青实际受力情况和设备允许情况，开发了沥青疲劳性能实验。

关键词：实验教学；沥青实验；动态剪切流变仪；实验项目

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2018）02-0268-02

作为交通工程专业道路方向的一门重要的专业基础课程，《道路工程材料》是一门实验性较强的基础课，学生除了掌握课堂上老师传授的理论知识，更需要实际动手操作和演练。为适应卓越工程师培养计划的实施，卓越人才培养目标的实现，不仅理论教学和实验教学的组织形式和教学方式需要改革和调整，与之相关的课程体系和教学内容也要进行更新。自从同济大学开设《道路工程材料》这门课程以来，配套教材已经更新到第5版，而相应的实验教学内容一直未变。具体而言，对于《道路工程材料》中沥青实验部分，一直是常规的针入度实验、软化点实验和延度实验。而这三类实验是经验性指标实验，并不能准确有效地表征沥青的使用性能。

在上个世纪，大多数国家采用针入度分析体系来评价沥青的性能。自1987年开始的美国公路战略研究计划SHRP（Strategic Highway Research Program）投入上亿元的资产，历时8年时间，在沥青和路面性能两个领域取得了丰硕的成果，针对沥青领域而言，提出了基于性能的PG（Performance Grade）分级，测试仪器为动态剪切流变仪DSR（Dynamic Shear Rhemoter）。我校是国内第一家购买该设备的单位，并利用此设备进行了大量的科研工作。

DSR是进行材料粘弹性测量的精密仪器，可应用于医疗、建筑、化工、石油等多个领域。作为一个通用仪器，有振动加载、流动加载、蠕变加载、松弛加载等四种加载模式，每种加载模式下又有多种实验类型。PG性能分级实验中，只应用到振动加载模式下的应变扫描和应力扫描两种实验类型，平时的科研项目中，应用到的实验方法也不过增加到应变扫描、应力扫描等实验类型，其他加载模式下的各种实验类型如何准确应用到沥青行业还有待开发。

一、DSR加载模式分析

对于沥青行业而言，DSR常用的夹具为平板夹具，尺寸有Ф25mm和Ф8mm两种。具体见图1所示。DSR可以进行振动加载、流动加载、蠕变加载、松弛加载等四种加载模式的实验。现对该四种加载模式介绍如下。

（一）振动加载模式

在振动加载模式下，下板固定，上板围绕着中心轴来回摆动，以摆动点上的A转动到点B，由B往回转动经过A转动到C点，再返回由C转动到A点，完成一个周期，见图2所示。振动加载模式下，可以是应力控制，也可以应变控制。振动加载模式下，涉及到的实验参数有温度、频率、应变（或应力）和时间（加载次数）。

（二）流动加载模式

在流动加载模式下，下板固定，上板围绕着中心轴一个方向旋转，可以剪切应力控制，也可以剪切应变控制。流动加载模式下，涉及到实验参数有温度、剪应变（或剪应力）和时间（加载次数）。

（三）蠕变加载模式

在蠕变加载模式下，下板固定，给上板施加一个应力，之后卸掉应力，测试在加载和卸载过程中应变的变化。蠕变加载模式下，涉及到实验参数有温度、加载试验与卸载时间（加载1s，卸载9s和加载3s，卸载27s两种模式）、应力和时间（加载次数）。

（四）松弛加载模式

在松弛加載模式下，下板固定，给上板施加一个应变，之后卸掉应变，测试在加载和卸载过程中应力的变化。松弛加载模式下涉及到的参数有温度、应变和时间（加载次数）。

对于平行板夹具而言，松弛加载不太适合；蠕变加载模式固定不可调，因此可供开发的加载模式只有振动加载和流动加载。

二、DSR测试实验参数的确定

现行标准实验方法中，只有PG分级实验，具体实验参数是频率1.59Hz，实验温度为高温和低温，应变水平（或应力水平）：对于原样沥青为应变12%（或应力0.12kPa），对于旋转薄膜烘箱老化后的沥青为应变10%（或应力0.22kPa），对于压力老化后的沥青为应变1%（或应力50kPa）。对于开发的新的实验项目，实验参数应该如何确定？以应变为例，笔者认为，它应该综合考虑沥青在路面结构内的应变水平、沥青的线形粘弹性应变大小和仪器可实现应变大小三种。

对于沥青在路面结构内的应变水平，可通过路面结构力学分析获得。仪器可实现应变可理解为每台仪器都有它自身的动力系统，并且这个动力系统中动力的大小是有一定的范围的，超过这个动力范围设备将无法正常工作，即在设备的动力系统允许范围内，能够加载在试件上的最大应变为可实现应变。可实现应变也可以理解为在极限工作状态下能够加载在试件上的最大应变[1]。对于实验室现有DSR-AR1500来说，理想状态下应变为1.25×10-3～12500%，但加载上的应变水平跟温度和频率有关，具体为温度越低，或频率越高，能够加载的应变越低。

对于线形粘弹性应变，在SHRP试验研究[2]，定义沥青的线粘弹性范围为应变扫描曲线中，复数剪切模量衰减到初始值的0.9倍之间所对应的应变。以两种沥青为例，应变扫描实验结果见图3，其中纵坐标为复数剪切模量与初始剪切模量的比值，沥青线形粘弹性应变范围为红色箭头标注的区域。

三、新的实验项目的开发探讨

在振动加载模式，可开发实验测试沥青的疲劳性能。其中需要确定的实验参数为温度、频率和应变水平。采用上述方法，最终确定温度为20—25℃，频率10Hz，应变水平为1%—5%。

参考文献：

[1]孙艳娜，李立寒，耿韩等.水泥混凝土路面嵌缝料复数剪切模量测试条件[J].中国公路学报，2010，23（2）：12-17.

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