橡膠顆粒瀝青混合料橋面鋪裝破冰效果室內(nèi)試驗研究

唐 軍,王佳蓉,曹高尚

（1.天津市市政工程設(shè)計研究院，天津市 300051；2.長安大學(xué)，陜西西安 710064）

0 引言

我國大部分道路屬于冰雪地區(qū)，冬季橋梁溫度通常低于與其相銜接的路面溫度，從而使得橋面結(jié)冰時機(jī)早于路面，當(dāng)高速車輛從路面行駛至橋面時容易失控而造成事故，因此對冰雪地區(qū)橋面應(yīng)進(jìn)行表面冰層破碎處治，使得橋面結(jié)冰時機(jī)等于或遲于路面，保證行車安全。對此國內(nèi)外研究者曾尋求了各種除冰雪方法，其中采用自應(yīng)力高彈性橋面鋪裝層材料使得橋面或路面冰層產(chǎn)生破碎是一種行之有效的方法。然而由于采用的路面結(jié)構(gòu)不同及原材料差異，不同研究者對于荷載作用下冰層的破碎效果及影響因素有不同的認(rèn)知[1～4]，而且已有的研究對路面自應(yīng)力破冰進(jìn)行了大量計算，得到了一些借鑒性方法，然而對影響行車安全更為關(guān)鍵的橋面結(jié)冰及其鋪裝層破冰效果評價方法、定量評價指標(biāo)卻未見深入，由此得到的試驗結(jié)果不夠細(xì)致、全面，得到的結(jié)論具有一定局限性。

對此首先定義“破冰率”作為冰層破壞程度室內(nèi)試驗定量評價指標(biāo)，并根據(jù)已有配合比設(shè)計結(jié)果制備橡膠顆粒瀝青混合料室內(nèi)破冰效果試件，分別對不同鋪裝層厚度、橡膠顆粒摻量、表面冰層厚度進(jìn)行定量分析，得到了不同因素對破冰效果的影響，以此為橡膠顆粒用于橋面鋪裝層破冰技術(shù)提供借鑒，為實體工程應(yīng)用效果奠定基礎(chǔ)。

1 橡膠顆粒瀝青混合料配合比設(shè)計

本研究以“主骨料空隙體積填充法”進(jìn)行配合比設(shè)計，首先根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTJ058-2000）進(jìn)行粗、細(xì)集料以及礦粉的表觀密度 ρtc、ρtf及 ρtp；進(jìn)而選定了若干組粗骨料摻配比例進(jìn)行緊裝密度測定試驗，以主骨料緊裝空隙率為設(shè)計目標(biāo)確定粗集料的裝填密度及最佳摻配比例；根據(jù)經(jīng)驗初步確定礦粉、瀝青的用量，確定瀝青混合料的設(shè)計目標(biāo)空隙率；根據(jù)體積法公式及已得到主骨料緊裝空隙率求出粗集料用量qc和細(xì)集料用量qf；根據(jù)馬氏方法初選五組瀝青用量進(jìn)行最佳油石比的確定，進(jìn)而對混合料進(jìn)行水穩(wěn)定性以及高低溫穩(wěn)定性試驗，對配合比設(shè)計結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，由此得到的配合比設(shè)計結(jié)果及馬歇爾試驗結(jié)果分別見圖1及表1。

油石比為6.5%時的混合料空隙率最接近目標(biāo)空隙率，各項路用性能良好，最終確定6.5%為最佳油石比。

圖1 設(shè)計級配與SMA-16級配范圍對照圖

表1 馬歇爾試驗結(jié)果

2 室內(nèi)破冰效果評價方法及評價指標(biāo)

實際行車荷載以滾動的形式實現(xiàn)冰層破碎，輪載對冰層的作用面積較分散，且冰層在實際破碎中存在裂紋縱向擴(kuò)展，冰層破壞并不完全存在于輪載的底部，輪載作用周圍均有可能存在可見破碎裂縫甚至塊狀破碎?；谝陨蠈τ嬎憬Y(jié)果和實際冰層破碎的差異，為了準(zhǔn)確地評價橡膠顆粒瀝青混合料的除冰效果，提出室內(nèi)破冰效果試驗方法：

（1）首先根據(jù)《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTJ052-2000）進(jìn)行橡膠顆粒瀝青混合料車轍試件的制備；（2）養(yǎng)生完成后將車轍試件四周用油膩子圍住，保證密封不透水，油膩子高出車轍板表面的高度即為需要敷設(shè)冰層的厚度；（3）將車轍試件置于冰箱后將煮沸冷卻后的水倒于油膩子形成的圍框中；（4）待水分完全結(jié)冰一定時間后將試件取出放置于車轍儀中進(jìn)行1 260次（30 min）碾壓，輪碾過程中取消加熱設(shè)置并保證輪壓為0.7 MPa，在此過程中注意保證低溫并觀察冰層的破碎及開裂情況。

冰層的破碎情況借鑒路面損壞狀況的評價方法，提出室內(nèi)試驗冰層破碎評價指標(biāo)——破碎率Rc，其計算公式如式（1）所示：式中：RC——破碎率，%；

CA——龜裂及塊裂的總面積，cm2；

L——單根裂紋總長度，cm；

λ——將單根裂紋長度換算成面積的影響系數(shù)，一般取0.3；

A——測試總面積，900 cm2。

塊狀和網(wǎng)狀裂紋可以直接量測其面積，對于單根裂紋，量測實際長度后取其計算寬度為0.3折算成面積，破碎率綜合考慮了裂紋的形式、長度等因素，實際應(yīng)用能較為客觀準(zhǔn)確的描述冰層的開裂及破碎狀況。

3 鋪裝層厚度對破冰效果影響

對不同厚度的橡膠顆粒瀝青混合料車轍試件表面冰層破碎情況進(jìn)行了對比分析。試驗橡膠顆粒摻量均取3%，溫度取定為-5℃～0℃，車轍試件厚度分別為4 cm、5 cm、6 cm，由于在制冰過程水分蒸發(fā)、下滲、側(cè)漏，水深難以控制，制冰過程中需適當(dāng)提高用水量，進(jìn)行不同厚度條件下破冰效果試驗過程中取冰層平均厚度為5 mm。得到的試驗結(jié)果見圖2。

圖2 橡膠顆粒瀝青混合料鋪裝層厚度與破冰率關(guān)系

從圖2可得如下結(jié)論：鋪裝層厚度每增加1 cm，破冰率提高約7%，隨著橡膠顆粒瀝青混合料面層厚度的增加，破冰率線性增長，冰層破碎效果越好，試驗過程中還發(fā)現(xiàn)，面層厚度越大，冰層出現(xiàn)開裂的時間越早，冰層越易于破碎因而在進(jìn)行橡膠顆粒高彈性破冰橋面鋪裝層厚度確定時應(yīng)綜合確定鋪裝層破冰效果及其本身路用性能，兼顧二者進(jìn)行合理厚度的確定。

4 橡膠顆粒摻量對破冰效果影響

分別對橡膠顆粒的摻量為3%、4%、5%和6%的橡膠顆粒瀝青混合料進(jìn)行破冰效果分析，試驗過程中環(huán)境溫度取定為-5℃～0℃，車轍試件厚度為5 cm，冰層厚度均取5 mm，冰層厚度為5 mm，試驗結(jié)果見圖3。

圖3 橡膠顆粒摻量與破冰率關(guān)系

從圖3可知，隨橡膠顆粒摻量的增加，破冰效果線性增長，橡膠顆粒摻量每增加1%，破冰率增加5%，為對其影響機(jī)理進(jìn)行深入探討，對不同橡膠顆粒摻量與混合料回彈模量關(guān)系回歸得到回彈模量、橡膠顆粒摻量與破冰率的關(guān)系見圖4。

圖4 回彈模量與破冰率關(guān)系

從圖4中回彈模量與破冰率關(guān)系可知，隨回彈模量（橡膠顆粒摻量）減小（增大），破冰率呈線性增加，當(dāng)混合料的模量為1 554 MPa（普通瀝青混合料）時，破冰率為0%，當(dāng)橡膠顆粒摻量增大至3%時，回彈模量降低至1135，實現(xiàn)破冰效果，且隨著模量的繼續(xù)減小，破冰率逐漸增大，因此回彈模量與破冰率之間有較好的線性相關(guān)性，冰層的破碎效果受混合料的回彈模量影響顯著，采用高彈性橋面鋪裝增大其彈性從而實現(xiàn)破冰得到了室內(nèi)試驗驗證，為下一步進(jìn)行試驗路實施奠定了實踐基礎(chǔ)。

5 表面冰層厚度對破冰效果影響

為了分析橡膠顆粒高彈性橋面除冰能力，通過在5 cm厚的橡膠顆粒瀝青混合料車轍試件表面成型不同厚度的冰層，試驗過程中溫度取為5℃～0℃，橡膠顆粒摻量均取3%，冰層厚度取為3 mm、4 mm、6 mm、8 mm和10 mm，由此得到的除冰效果見圖5。

圖5 冰層厚度與破冰率關(guān)系曲線

由圖5可得如下結(jié)論：冰層厚度在5mm以下，路面破冰率均達(dá)到30%以上，鋪裝層具備除冰能力；當(dāng)冰層厚度大于6 mm時破冰率銳減，冰層厚度達(dá)到8 mm時，破碎率達(dá)到4%，冰層破碎主要以橫向裂縫為主，未出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，當(dāng)冰層厚度達(dá)到10 mm時，碾壓結(jié)束時未見明顯開裂，因此可知橡膠顆粒高彈性橋面鋪裝層室內(nèi)有效除冰厚度不大于5 mm，當(dāng)冰層厚度大于5 mm時，破冰效果急劇下降甚至不具有破冰效果。

6 主要結(jié)論

本文首先確定了橡膠顆粒瀝青混合料高彈性橋面鋪裝層破冰效果室內(nèi)評價方法，并分別對不同鋪裝層厚度、不同鋪裝層模量、不同冰層厚度進(jìn)行了室內(nèi)破冰效果試驗研究，得到的主要結(jié)論如下：

（1）冰層的破碎情況借鑒路面損壞狀況的評價方法，提出室內(nèi)試驗冰層破碎評價指標(biāo)——破碎率Rc進(jìn)行冰層破碎情況定量分析；

（2）隨鋪裝層厚度的增加，冰層出現(xiàn)開裂的時間越早，破冰率線性增長，鋪裝層厚度每增加1 cm，破冰率提高約7%；

（3）隨橡膠顆粒摻量的增加，破冰效果線性增長，橡膠顆粒摻量每增加1%，破冰率增加5%，結(jié)合回彈模量試驗結(jié)果對破冰效果內(nèi)在增長原因分析可知橡膠顆粒的摻加通過改變混合料的彈性模量實現(xiàn)破冰，破冰機(jī)理與實踐結(jié)論相吻合；

（4）由不同冰層厚度條件下的破冰率試驗結(jié)果可知橡膠顆粒高彈性橋面鋪裝層室內(nèi)有效除冰厚度不大于5 mm，當(dāng)冰層厚度大于5 mm時，破冰效果急劇下降甚至不具有破冰效果。

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