0 引言

截至2023年底，我国的高速公路总里程达到17.77万km，汽车保有量达到了4.2亿辆。车辆在路面上行驶过程中，轮胎胎面与路面之间会产生滚动阻力，它的精确定义是单位距离的轮胎滚动的机械能损失(如散热)。研究表明，滚动阻力与车辆燃油消耗量有密切关系，当滚动阻力减少15%~30%时，燃油消耗量最高可减少3%~6%，其中重型车的燃油消耗量减少效果更为明显^[1]。滚动阻力过高不仅造成牵引力损失而且会产生较多的污染物，而滚动阻力较低时，生成的局部污染物(如CO和NO_X)会减少。目前针对胎-路滚动阻力的研究大多集中于从轮胎的角度解决问题，对于路面方面的研究相对较少，Cooee项目^[4]对丹麦SMA沥青混合料的级配进行改良, 设计了CooeeSMA6和CooeeSMA8这2种级配的沥青混合料，平均滚动阻力与普通SMA8相比分别降低约5%和3%，混和料的耐久性也得到明显提高；毕飞^[5]开发了一种低滚阻沥青改性剂HPT，促进SBS与沥青结合, 降低相位角, 提高了沥青的高温性能, 有效降低了滚动阻力；冉茂平^[6]研究发现，路表纹理包络轮廓可以更准确地评价滚动阻力与路面纹理之间的关系；Ding^[7]提出了基于耦合的三维(3D)轮胎-路面相互作用模型的轮胎滚动阻力评价方法。尽管已有大量研究探讨了轮胎与路面间的滚动阻力，但多集中于宏观层面的实验测量和数值模拟，缺乏对接触力学微观机制的深入分析。本研究利用接触力学理论和压力胶片测试技术，系统分析沥青路面和轮胎接触条件下的滚动阻力特性。此前，已有相当部分学者将该技术利用到道路施工领域，陈搏^[8]为获得轮胎与粗糙路面的完整接触应力信息, 采用柔性薄膜压力胶片传感技术, 并借助医学图像处理技术, 提出一种基于图像配准与融合的胎-路接触应力测试方法, 并进行了配准与融合效果评价、适应性分析；王端宜^[9]采用压力胶片测量技术结合数据分析提出新的指标来评价沥青混合料的抗滑耐久性。本研究将系统研究PPSE(Polyethylene Polypropylene SBS Elastic)改性沥青的技术性能及其混合料的路用性能，借助于压力测试胶片技术并结合接触力学理论评价PPSE改性沥青混合料的滚动阻力，为绿色低滚阻沥青路面新技术研发和滚动阻力研究提供参考。

1 沥青原材料及其试样制备 1.1 原材料

本研究选用的为某企业生产的70^#基质沥青，其技术指标见表 1；弹性改性剂主要成分是PE和PP分子，颜色呈黑褐色，外观近似于小圆柱，技术指标见表 2；SBS外掺剂为SBS I-D级改性剂，技术指标见表 3；橡胶油由环烷基原油切割的馏分经溶剂溶解制得，与沥青有很好的相容性。

1.2 PPSE改性沥青制备

本研究通过构建黏附功、24 ℃复数模弹性部分、58 ℃复数模弹性部分3因素耦合作用下的Box-Behnken曲面复合响应模型确定了PPSE改性沥青配比^[10]：弹性改性剂掺量12%、SBS改性剂掺量4%、橡胶油掺量3.5%。采用熔融搅拌和高温剪切的方法制备PPSE改性沥青，基质沥青温度保持在170~180 ℃之间，依次加入SBS改性剂、弹性改性剂和橡胶油，剪切速度保持在6 000次/min左右，剪切时间为2 h，剪切完成后发育30 min。

1.3 PPSE改性沥青技术特性

为了分析PPSE改性沥青的技术性能，在制备结束分别取样进高温凝胶渗透色谱仪试验、低温弯曲梁流变试验和动态剪切流变试验，同时引入基质沥青和SBS改性沥青进行对比，具体试验结果见表 4。

由表 4可以看出PPSE改性沥青的数均分子量、重均分子量和分散度在3种沥青中均是最高，这表明改性沥青中分子量分布更均匀，聚合物链段更长，聚合物大分子含量更高，分子量分布最宽，进而表明其弹性和抗变形能力最佳；PPSE改性沥青数均分子量提升代表低分子量部分平均分子量得到提升，重均分子量有明显提升代表高分子量部分平均分子量也得到提升，而SBS改性沥青数均分子量较基质沥青略有所下降，代表低分子量部分的平均分子量有所降低，这可能与SBS在加工过程中热致老化有关；PPSE改性沥青的失效温度比SBS改性沥青高9.7 ℃，比基质沥青高18.39 ℃，说明弹性改性剂充分发挥了自身的弹性性质，结合SBS在沥青中形成的交联网状结构阻碍了分子的热运动，提高了改性沥青的高温稳定性；相同低温条件下，PPSE改性沥青的蠕变劲度模量最低，蠕变速率最快，说明其在低温下的柔韧性和抗裂性能最优。综上所述，PPSE改性沥青技术性能优异，适用高低温交替出现的区域，能够作为结合料发挥优势。

2 改性沥青混合料配合比及路用性能 2.1 配合比设计

试验所用集料采用粉碎后的石灰岩，填料是优质石灰岩矿粉。根据《公路工程集料试验规程》(JTG 3432—2024)检验其性质，结果见表 5和表 6。

据研究^[14]，相同胎压、荷载的轮胎作用在最大公称粒径相同混合料路面上时，胎-路之间的接触面积由大到小依次为密级配沥青混合料(AC)、大孔隙开级配排水式沥青混合料(OGFC)、沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)。虽然AC具有最大的接触面积，但该种混合料与轮胎接触产生的应力集中现象最少，平均有效接触应力最小。平均有效接触应力与级配公称最大粒径呈正相关，同时为保证混合料的强度，选择沥青混凝土级配AC-13作为研究对象，级配曲线见图 1。采用马歇尔试验配合比设计方法，确定了PPSE改性沥青混合料的最佳油石比为5.40%。

2.2 PPSE改性沥青混合料路用性能

为评价PPSE改性沥青的路用性能，引入基质沥青混合料作为对照组，进行高温稳定性、低温抗裂性、抗滑性、动态模量4个性能试验。

2.2.1 高温稳定性

采用车辙试验检测2种沥青混合料的高温稳定性，制作符合规范要求的尺寸为300 mm×300 mm×50 mm车辙板试件，然后通过车辙仪进行60 ℃轮碾试验。试验结果见表 7。

从表 7可以看出，PPSE改性沥青混合料3次试验的动稳定度均值是基质沥青混合料的4.78倍。这是因为弹性改性剂颗粒在沥青基体中溶胀，通过相互吸引形成连续网络结构，增强了沥青的内聚力和沥青与集料之间的黏附性。此外，弹性改性剂颗粒与沥青和集料之间的嵌挤作用进一步提高了混合料的弹性。虽然SBS改性剂本身无法直接提升沥青的弹性，但其聚丁二烯和聚苯乙烯成分与沥青质共混后形成的交联网状结构，对高温稳定性的提高也有积极作用，因此也间接提升了混合料的整体性能。

2.2.2 低温抗裂性

使用UTM试验机开展低温小梁弯曲破坏试验对混合料的低温抗裂性进行评价。将标准车辙板切分成6根试验小梁，在― 10 ℃保温4 h以上之后，采用50 mm/min的加载速率进行试验。6次试验均值见表 8。

由表 8可以看出，PPSE改性沥青混合料的抗弯拉强度增加了88.96%，表明其在低温下具备更高的抗破坏能力；弯曲劲度模量上升了42.99%，说明其刚性更强；最大弯拉应变作为道路施工中评价低温抗开裂性能的主要指标，提高了30.67%，显示出了更强的变形能力和韧性。PPSE改性沥青混合料相较于基质沥青混合料表现出显著优越的力学性能，这是由于弹性改性剂与沥青形成的共混结构提升了混合料的柔韧性，在模量提高的同时没有降低韧性，此外，SBS分子在低温下表面能降低，促使沥青与集料的黏附性增强，使其在试件破坏的过程中承受了更大的应变。综上所述，PPSE改性沥青混合料的低温抗开裂性能优异，具有实际应用的前景。

2.2.3 抗滑性能

为验证PPSE改性沥青混合料铺筑道路的抗滑性能，依照《公路路基路面现场测试规程》(JTG 3450— 2019) 进行摆式摩擦系数试验。具体数值见图 2。

低滚动阻力和抗滑性能之间存在一定的相互矛盾，平衡二者之间的关系，有助于设计出既安全又绿色经济的路面系统^[11]。由图 2可以看出2种沥青混合料的BPN20值在干燥和湿润条件下均满足道路验收BPN20>42的要求。PPSE改性沥青混合料中弹性改性剂部分细小颗粒充当了矿粉，填充在混合料的间隙中，使表面微观构造较基质沥青有所改变，因此BPN20略有降低，但仍满足道路验收标准。在湿润情况下，PPSE改性沥青混合料的摆值略有下降，但下降幅度小于基质沥青混合料。这是由于PPSE改性沥青混合料的间隙中弹性改性剂细小颗粒的存在，削弱了水分子的干扰，同时PPSE改性沥青与集料的黏聚性更强，抵抗水分侵蚀的能力优于基质沥青。

2.2.4 动态模量

通过旋转压实仪成型，再经钻芯和切割后获得高度为(150±2)mm的标准试件，静置24 h后，使用简单材料性能试验机(AMPT)进行动态模量试验。试验温度选取5，20，35，50 ℃，每个温度试验开始前在在保温仓内适应试验温度4 h以上，频率选取0.1，1，5，10，20，25 Hz。经动态模量试验后，对数据进行处理, 结果见图 3。

由图 3可以看出在不同温度环境下，PPSE改性沥青混合料的复合剪切模量表现出显著优势：PPSE改性沥青混合料从全温域上分析，明显优于普通热拌沥青混合料，表明在无论是在低温、中温、高温条件下，PPSE改性沥青混合料铺筑的沥青路面在荷载作用下形成的弯沉量及弯沉影响范围均小于普通热拌沥青混合料，极大克服轮胎在普通沥青路面表面行驶中的“平路爬坡效应”；全频域分析看出，低温、中温条件下，PPSE改性沥青混合料模量具有明显优势，在绝大部分车辆运行场景下，PPSE改性沥青混合料路面可有效帮助车辆克服“平路爬坡效应”，运行降低运动能耗。

3 PPSE改性沥青混合料胎-路滚动阻力评价

研究表明，将轮胎与沥青混合料试件的接触视为模拟轮胎与沥青路面的接触具有可行性^[12]。为评价汽车轮胎与沥青路面之间的滚动阻力，利用压力胶片测量技术，对2种级配相同的沥青混合料制成的车辙板进行静载压力胶片试验，尝试采用压力胶片测量数据结合接触力学理论来评价轮胎与路面之间的滚动阻力。

3.1 应力分布试验与均匀性分析

试验采用特殊感光材料，通过微胶囊与显色层的反应记录压力分布，经扫描仪和FPD-8010E系统读取颜色阴影，得到精确的压力数据，具体原理图见图 4^[13]。据研究^[14]标准轴载12.15 kN的轿车轮胎与路面接触的临界应力值为1.8 MPa, 本试验选用LLW (0.5~2.5 MPa)与LW (2.5~10 MPa)2种规格的双片型胶片。

试验车选用常见的B级中型轿车，轮胎具体参数为：轮毂直径16英寸，车轮标准轴载12.15 kN，轮胎宽度185 mm，胎压240 kPa。试验采用上述提到的2种沥青混合料制成的车辙板模拟沥青路面，当天的环境满足压力胶片的建议使用条件，即温度为20~35 ℃，湿度为35%~80%。在标准轴载与额定气压下进行轮胎与车辙板的接触测试。

试验测试胶片经系统扫描读取，LLW (0.5~2.5 MPa)胶片和LW (2.5~10 MPa)的胶片部分扫描结果见图 5，压力胶片测试混合料的应力分布情况绘制2种混合料接触应力分布累计比例图，见图 6。

沥青混合料因为内部集料颗粒的粒径差异和随机分布，导致轮胎与路面接触的应力存在一定程度的变化^[15]。为分析压力胶片扫描应力分布的均匀性，选用统计分析概率分布模型Weibull模型^[16]，Weibull分布的累计概率函数表达式如下：

$ F(x)=1-\mathrm{e}^{-\left(\frac{x-a}{b}\right)^{c}}, x \geqslant 0。$

(1)

对Weibull累积概率函数表达式进行对数变换得到式(2)：

$ \ln \{-\ln [1-F(x)]\}=c[\ln x-\ln b], $

(2)

式中，参数b为尺度参数，决定了分布曲线宽度；参数c为形状参数，决定了分布的形状；R²为线性回归拟合的相关性系数。本研究不涉及矢量运算故参数a设置为0。计算结果见表 9。

由表 9可以看出，2组数据的相关性系数都在0.97以上，说明模型拟合效果好，数据可靠性高。形状参数表明试件与轮胎之间的接触应力均呈现出非均匀性分布。相比之下，PPSE改性沥青混合料的尺度参数较低，说明其表面接触应力集中现象较小，这是因为弹性改性剂与沥青形成的连续网络结构削弱了荷载作用下路面弯沉的大小和范围，同时其细小颗粒填充在沥青混合料的间隙中提高了混合料整体弹性，故降低滚动阻力表现更佳。

3.2 胎-路摩擦作用分析

由摩擦学Tabor理论^[17]可知：轮胎在沥青路面上滚动过程中主要产生黏附力与阻滞力，如图 7所示。

其中，阻滞力引起的能量损失是轮胎与路面宏观构造凸起部分挤压导致其自身弹性变形产生，受路面因素影响小^[18], 因此本文不作讨论。黏附力产生于轮胎表面的微小突起与沥青路面微观结构间的机械咬合作用，与界面接触应力和接触面积有关。计算公式如下：

$ F_{\text {黏 }}=\mu \times \sum\limits_{i}^{N} A_{i} \times \sum\limits_{i}^{N} \tau_{i}, $

(3)

式中：F_黏为黏附力；μ为该沥青混合料试件摩擦系数(本文采用摆式摩擦系数)；N为应力区间划分数量；A_i为第i个应力区间的有效接触面积；τ_i为第i个应力区间的接触应力。

将压力胶片扫描数据代入式(3)，结果见表 10。PPSE改性沥青在温域时域范围内具有较高的剪切模量，增强了矿料颗粒间的黏聚力，使得沥青混合料骨架力链趋于稳定，减少了混合料的不均匀变形，计算结果显示PPSE改性沥青混合料试件承受与基质沥青混合料试件相同的静态荷载时产生的黏附力减少了21.12%。这表明PPSE改性沥青混合料用作铺筑沥青路面的实际工程中，可以显著减少道路滚动阻力中的黏附力部分。

4 结论

通过对PPSE改性沥青的性质及其混合料的路用性能和滚动阻力的研究，得到以下结论。

(1) 高分子物理参数及流变数据分析表明，PPSE改性沥青材料分子量得到不同程度提高，分子量分布更均匀、分布最宽，高温失效温度高，良好的低温应力松弛能力，结合料材料结构更加稳定，从沥青结合料角度分析，PPSE改性沥青具有更加良好的高温稳定性和低温抗裂性。

(2) PPSE改性沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性和动态模量表现出显著优势，动稳定度均值是基质沥青混合料的4.78倍，最大弯拉应变提高了30.67%，摆式摩擦系数BPN20值满足道路验收要求。

(3) PPSE改性沥青中的弹性改性剂细小颗粒与SBS改性剂在沥青中形成的交联网状结构，显著增强了混合料中矿料颗粒间的黏聚力和弹性模量，使混合料骨架力链更为稳定，抵抗变形的能力提升。在相同静态荷载下，PPSE混合料的黏附力比基质沥青混合料减少了21.12%，显著降低滚动阻力(黏滞力)。

(4) 本研究对于PPSE改性沥青混合料的级配设计不够深入，可以综合沥青与粗细集料级配组成优化2方面对低滚阻沥青路面进行更深层次的研究。

(5) PPSE改性沥青制备过程简单，为设计绿色低滚阻沥青路面提供借鉴，助力道路工程绿色转型，加速“碳达峰”，具有广泛的实用前景。