橡膠顆粒瀝青路面除冰效果及影響因素分析

張舒暢，付建峰，王選倉

(1.邯鄲市交通運輸局，河北邯鄲056000;2.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安710064)

橡膠顆粒瀝青路面是一種新型的除冰雪路面，利用加入混合料中的橡膠顆粒來改變路面面層的變形能力和路表的受力狀態(tài)。大量工程實踐表明:橡膠顆粒瀝青路面具有一定的除冰雪能力。但是，對于橡膠顆粒瀝青路面的除冰能力目前仍缺乏定量型的評價指標(biāo)，對于橡膠顆粒瀝青路面除冰能力的適用情況也缺乏系統(tǒng)地研究。為此，本文作者從橡膠顆粒瀝青路面除冰機理入手，對其除冰能力評價指標(biāo)和影響除冰能力的因素進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 橡膠顆粒瀝青路面除冰機理

橡膠顆粒是一種密度小、導(dǎo)熱性能差的柔性材料，而且其在外界溫度較低的條件下仍具有較強的柔韌性、高彈性以及變形能力;冰的物理力學(xué)特性與其分子中氫鍵的脆弱程度、晶格的幾何特性等影響因素有關(guān)，在外界荷載的反復(fù)作用下，冰體自身也會發(fā)生微小變形。通常條件下，冰的極限變形能力比橡膠顆粒的極限變形能力小很多。橡膠顆粒的加入大幅度地提高了瀝青混合料的變形能力，在車輛荷載的反復(fù)作用下，路表冰層的形變量不斷積累，冰層很容易達(dá)到極限形變狀態(tài)，從而發(fā)生疲勞破碎。橡膠顆粒瀝青路面的破冰機理主要表現(xiàn)為應(yīng)力集中作用、摩擦熔化作用和冰的脆韌轉(zhuǎn)化作用。

表1橡膠顆粒瀝青混合料的除冰雪效果評價表Tab.1 Deicing evaluation table of granulated crumb rubber asphalt mixture

2 除冰效果室內(nèi)試驗評價指標(biāo)

在車輛荷載的反復(fù)作用下，橡膠顆粒瀝青路面表面的冰層的破壞形式主要表現(xiàn)為開裂、破碎和剝離三種情況。因此，可以用路表冰層的開裂和破碎程度作為評價橡膠顆粒量路面除冰能力的標(biāo)準(zhǔn)。

與實際道路的交通條件相比，室內(nèi)試驗具有模擬時間段、交通量小等特點，因此室內(nèi)試驗中很難出現(xiàn)大面積冰層的破碎和剝落，為了更加準(zhǔn)確地評價基于室內(nèi)試驗的除冰雪效果，提出定性型和定量型兩種評價方法。

①定性型:當(dāng)試驗溫度、荷載大小及荷載作用次數(shù)一定時，通過對試件表面冰層的破碎狀況進(jìn)行觀察，根據(jù)裂縫狀況和冰層與混合料的粘結(jié)程度定性地評價混合料的除冰效果。除冰效果評價分級見表1。

②定量型:根據(jù)室內(nèi)模擬試驗冰層破壞的基本情況，全面考慮裂縫的形式、長度等因素提出冰層破碎率的計算方法，并以此為基礎(chǔ)定量地評價橡膠顆粒瀝青混合料的除冰效果。破碎率計算公式如下:

式中RC－破碎率，%;CA－龜裂及塊裂的總面積，單位:cm2;L－單根裂紋總長度，單位: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，單位:cm2。

龜裂及塊裂的總面積可以在試驗結(jié)束后通過測量得到，對于單根裂紋，以0.3作為裂紋的寬度于測得的實際長度相乘換算成面積。破碎率的計算綜合考慮了冰層裂紋的開展形式、裂縫長度等因素，能夠客觀準(zhǔn)確地描述冰層的破碎程度。

3 除冰效果影響因素分析

橡膠顆粒瀝青路面的除冰能力主要來自于車輛荷載作用下的應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時，路面面層厚度、混合料回彈模量和路面表層冰層厚度均影響著應(yīng)力集中大小。本節(jié)以走行試驗為基礎(chǔ)分別分析三種影響因素對橡膠顆粒瀝青路面除冰能力的影響。

3.1 面層厚度對除冰效果影響

為了研究不同路面面層厚度對除冰效果的影響，本文以車轍試件為基礎(chǔ)設(shè)置了三組室內(nèi)試驗，試件厚度分別為4、5、6 cm，混合料中橡膠顆粒摻量為3%，環(huán)境溫度設(shè)置為－5～0℃。冰層制作過程中會有水分蒸發(fā)、下滲等現(xiàn)象發(fā)生，同時水深的控制難度大，不易得到厚度均勻的冰層，因此冰層的厚度以平均厚度為標(biāo)準(zhǔn)，本部分試驗取冰層厚度為5 mm。試驗結(jié)束后，觀察試件表面冰層的破損程度，量取龜裂、塊裂面積以及單跟裂縫的長度，并計算出各自的破冰率，試驗結(jié)果如表2。

表2不同面層厚度破冰率試驗結(jié)果Tab.2 Ice broken rate of different surface layer thickness

由上述試驗結(jié)果可知:隨著面層厚度的增加，破冰率也逐漸增加，可見增加面層厚度可以提高橡膠顆粒瀝青路面的除冰雪能力。面層厚度從4 cm增加到6 cm過程中，破冰率分別增加了5%、9%，可視為面層厚度每增加1 cm，破冰率提高7%;在試驗過程中還發(fā)現(xiàn)，面層厚度越厚，冰層開裂地越早，冰層的破碎程度越嚴(yán)重。由此可知，在滿足路用性能和經(jīng)濟(jì)效益的情況下，適當(dāng)?shù)靥岣呗访婷鎸雍穸瓤梢杂行У靥岣呦鹉z顆粒瀝青路面的除冰能力。

3.2 混合料回彈模量對除冰效果影響

橡膠顆粒的摻量影響著混合料的回彈模量，為了研究橡膠顆粒瀝青混合料回彈模量對路面除冰效果的影響，本部分以車轍試件為基礎(chǔ)設(shè)置了四組試驗，四組試件的橡膠顆粒摻量分別為3%、4%、5%和6%，環(huán)境溫度設(shè)置為－5～0℃，試件厚度均取為5 cm，冰層厚度的平均值為5 mm。計算得到不同橡膠顆粒摻量條件下的破冰率如表3。

觀察破冰效果圖可知，隨著橡膠顆粒摻量增加，試件表面冰層的破碎程度逐漸增加。當(dāng)橡膠顆粒摻量為3%、4%時，僅在輪跡周圍出現(xiàn)了較為明顯的裂縫，此時除冰等級可以評價為良。當(dāng)橡膠顆粒摻量為5%、6%時，裂縫遍布整個冰層，且塊狀裂縫面積較大，此時除冰等級可以評價為優(yōu)。

表3不同橡膠顆粒摻量破冰率試驗結(jié)果Tab.3 Ice broken rate of asphalt mixture with different rubber particles content

分析表3中的數(shù)據(jù)可知，隨著橡膠顆粒摻量增加，破冰率呈線性增長趨勢，橡膠顆粒摻量從3%增加到6%的過程中，摻量每增加1%，破冰率提高約5%左右，可見增加橡膠顆粒摻量能顯著提高橡膠顆粒瀝青路面的除冰能力。為了進(jìn)一步研究混合料回彈模量對除冰效果的影響，本文根據(jù)橡膠顆粒摻量與回彈模量的關(guān)系通過回歸的方法得到了混合料回彈模量與破冰率的關(guān)系，如圖1所示。

分析圖1中的數(shù)據(jù)可知:隨著混合料回彈模量降低，破冰率呈線性增長趨勢;未摻加橡膠顆粒的瀝青混合料回彈模量為1 554 MPa，此時瀝青路面不具備除冰能力;當(dāng)混合料回彈模量降低到1 135 MPa(橡膠顆粒摻量為3%時)，瀝青路面開始具備一定的破冰能力，且隨著混合料回彈模量的降低，除冰能力直線增加;可見混合料的回彈模量對其除冰能力有顯著影響。

3.3 冰層厚度對除冰效果影響

為了研究路面表層冰層厚度對路面除冰能力的影響，本部分設(shè)置了5組室內(nèi)試驗，試驗中所選的冰層厚度分別為 3、4、6、8、10 mm，各組試件的橡膠顆粒摻量均為3%，車轍試件厚度為5 cm，環(huán)境溫度設(shè)置為5～0℃。觀察試驗結(jié)果后各組試件表面冰層破損狀況可知:冰層厚度越厚，其破損狀況越良好。當(dāng)冰層厚度為2 mm和4 mm時，冰層的龜裂、塊裂面積較大，且單根裂縫較多，此時混合料具備較強的除冰能力，其除冰等級評定為優(yōu);當(dāng)冰層厚度為6 mm時，冰層只有少量裂縫，此時除冰等級評定為中;當(dāng)冰層厚度達(dá)到8 mm時，冰層中只有極少裂縫出現(xiàn)，當(dāng)冰層厚度達(dá)到10 mm時，冰層中幾乎無裂縫出現(xiàn)，此時可認(rèn)為混合料不具備除冰能力，除冰等級評定為差。

計算得到不同冰層厚度條件下的破冰率，結(jié)果如表4所示。

表4不同冰層厚度破冰率試驗結(jié)果Tab.4 The ice broken rate of different ice thickness

分析表4中的數(shù)據(jù)可知:隨著冰層厚度增加，路面的破冰率逐漸降低，直至喪失除冰能力，當(dāng)冰層厚度小于5 mm時，路面的破冰率均大于30%，此時路面結(jié)構(gòu)具有較強的除冰能力，路表的冰層可在短時間內(nèi)被清除;當(dāng)冰層厚度達(dá)到6 mm及以上時，路面的破冰率顯著降低，超過8 mm后混合料幾乎喪失了除冰能力。可見，橡膠顆粒瀝青路面能有效地清除小于5 mm的路表冰層。

4 結(jié)論

1)橡膠顆粒瀝青路面的除冰能力主要來自于車輛荷載作用下的應(yīng)力集中現(xiàn)象和摩擦熔化作用。

2)提出破冰率的計算方法，并以此為指標(biāo)評價橡膠顆粒瀝青路面的除冰能力。

3)隨鋪路面面層厚度增加，試驗結(jié)束后試件表面冰層破損狀況越嚴(yán)重，破冰率線性增長，面層厚度從4 cm增加到6 cm過程中，破冰率分別增加了5%、9%。

4)隨著混合料回彈模量降低，破冰率呈線性增長趨勢，當(dāng)回彈模量為1 135 MPa(橡膠顆粒摻量為3%時)混合料開始具備除冰能力，回彈模量達(dá)到905 MPa(橡膠顆粒摻量為5%)及以下(以上)時混合料的除冰能力可評定為優(yōu)。

5)橡膠顆粒瀝青路面能有效清除厚度為5 mm的路表冰層，隨著冰層厚度增加，路面結(jié)構(gòu)的除冰能力逐漸降低，超過8 mm后幾乎喪失了除冰能力。

［1］曹高尚.橡膠顆粒瀝青混合料橋面鋪裝破冰技術(shù)研究［D］.西安:長安大學(xué)，2012.

［2］YAO LILI，WANG XUANCANG，ZHANG CONG，et al.The application of TPS modified asphalts in granulated crumb rubber asphalt mixture［C］//2011 2nd International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering，MACE，2011.

［3］劉凱，王選倉，王芳.中外高速公路融雪化形技術(shù)和方法［J］.交通企業(yè)管理，2009(8):73－74.

［4］馬曉寧.橡膠顆粒彈性路面除冰效果評價［J］.筑路機械與施工機械化，2013，30(1):35－40.

［5］姚莉莉.橡膠顆粒彈性除冰路面關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.西安:長安大學(xué)，2012.

［6］JASON FLEMING CHIPPS.The Industrial Manufacture of tire rubber modified asphalts with enhanced rheological performance and improved longevity［D］.Texas:Philosophy for A＆M University，2010.

［7］陳淵召，李振霞.橡膠顆粒瀝青路面的除冰機理［J］.中南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2013(5):2073－2081.

［8］姚莉莉，王選倉.無網(wǎng)格法在瀝青路面瞬態(tài)溫度場分析中的應(yīng)用［J］.長安大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011(4):7－11.

［9］王選倉，張 聰，林榮安，等.綠色太陽能融雪化冰水泥路面關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.筑路機械與施工機械化，2010(12):28－31.

［10］EGGENL G，VANGSNES G.Heat pump for district cooling and heating at OSLO airport gardermoen［C］//The IEA8th Heat Pump Conf，Las Vegas，USA，2006.

［11］JTJ E20－2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程［S］.