橡膠顆粒瀝青混合料破冰試驗(yàn)研究

張 碩

（太原學(xué)院，山西 太原 030032）

1 引言

在我國北方積雪冰凍地區(qū)以及南方的一些地區(qū)，冬季低溫降水使得路面結(jié)冰問題較為嚴(yán)重。隨著路面狀態(tài)的變化，行駛車輛的制動性能及穩(wěn)定性能大受影響，從而導(dǎo)致交通事故頻發(fā)。因此，很有必要對路面破冰問題進(jìn)行研究。就當(dāng)今而言，處理破冰的方法很多，比如化學(xué)融冰、機(jī)械破冰以及路面材料破冰等，而摻入橡膠顆粒的瀝青混合料就是其中的一種，本文就針對摻入橡膠顆粒的瀝青混合料的破冰性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)方案及方法

2.1 破冰試驗(yàn)方法的確定

本文采用路面破冰模擬試驗(yàn)儀 STAP（Simulating Tester for Antifreeze Pavement）（見圖1.1）來進(jìn)行試驗(yàn)，借鑒徐鷗明[1]、張碩[2]等人的試驗(yàn)效果評價(jià)方法，采用定性和定量兩種方法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評定。

首先對橡膠顆粒瀝青混合料的破冰效果進(jìn)行定性評價(jià)。由于冬季路面上的冰雪混合物在車輪的持續(xù)碾壓作用下，不斷與路面進(jìn)行分離，并且不斷的變形、碎裂，在溫度等條件的影響下，不斷發(fā)生變化[3]。因此在本研究過程中，對該情形進(jìn)行模擬，在溫度、車輪作用次數(shù)不同等試驗(yàn)條件下，通過觀察瀝青混合料試板表面的冰層的厚度以及結(jié)冰的碎裂尺寸等表面狀況，來定性評價(jià)橡膠顆粒瀝青路面的破冰效果。

冬季路面結(jié)冰易造成汽車剎車失靈、方向失控，究其原因是由于路面抗滑能力降低，汽車輪胎與路面的附著力不足造成的，因此研究路面的破冰性能也就是研究路面自身的抗滑性能。故在本研究中根據(jù)STAP 試驗(yàn)儀器的工作原理，采用STAP 試驗(yàn)儀的BPN 值（擺值）以及擺值的衰減量（ΔBPN），對橡膠顆粒瀝青混合料試板的抗滑性能進(jìn)行研究，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化，對橡膠顆粒破冰試驗(yàn)的試驗(yàn)效果進(jìn)行定量評價(jià)。

2.2 破冰試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)所采用的瀝青為昆侖-90# 石油瀝青，其基本指標(biāo)滿足規(guī)范（JTG F40——2004）的技術(shù)要求。采用的橡膠顆粒為山西某橡膠顆粒廠生產(chǎn)，參考《北京市廢胎膠粉瀝青及混合料設(shè)計(jì)施工技術(shù)指南》[4]（下稱指南）對橡膠粉的定義，采用20 目及40 目的粗顆粒橡膠，且其化學(xué)指標(biāo)滿足指南的規(guī)定。考慮到路面上面層破冰，故在本研究中采用密級配，以期達(dá)到最佳的試驗(yàn)效果，瀝青混合料采用AC-13 型級配，橡膠顆粒摻量范圍定為0～4%，試驗(yàn)溫度根據(jù)實(shí)際情況，控制在-2℃～-8℃之間。試驗(yàn)步驟如下：

1）制作混合料車轍板。根據(jù)平行試驗(yàn)的方法，共制作試板2 （橡膠顆粒規(guī)格）*3 （橡膠顆粒含量）*3（溫度）*3（平行試件數(shù)目）+1（普通瀝青）*3（溫度）*3（平行試件數(shù)目）＝63 塊試板。

2）制作結(jié)冰試板。將按照配合比制作好的不同橡膠顆粒摻量的車轍板，放入試驗(yàn)箱內(nèi)，調(diào)節(jié)至恒定溫度后，向試板表面均勻噴射60g 的水，并且碾壓15min，待其完全結(jié)冰。

3）將（2）中20 目橡膠顆粒含量為2%的混合料試板放入STAP 試驗(yàn)箱中，將儀器的溫度設(shè)置為-2℃的恒溫，根據(jù)車轍試驗(yàn)的試驗(yàn)方法，將結(jié)冰試板碾壓20 分鐘后，測定試板的擺值（BPN）。重復(fù)該試驗(yàn)3 次，取其均值，并觀察試板表面的碎冰的分布情況及裂縫的大小。

4）依據(jù)（3）的試驗(yàn)方法，將橡膠顆粒含量為3%和4%的試板分別進(jìn)行試驗(yàn)。

5）重復(fù)（3）、（4）的試驗(yàn)方法，將（2）中制作好的試板，分別在-5℃及-8℃的試驗(yàn)溫度下，進(jìn)行車轍碾壓試驗(yàn)以及擺值測定試驗(yàn)，做好試驗(yàn)的定性觀察并及時記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)

6）依據(jù)（3）～(5)的試驗(yàn)方法，分別進(jìn)行40 目橡膠顆粒以及普通瀝青混合料試板的試驗(yàn)，至試驗(yàn)全部完成，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖1.1 試驗(yàn)儀器

3 破冰試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 橡膠顆粒摻量對破冰效果的影響研究

本試驗(yàn)在恒定溫度的情況下，對同一規(guī)格的橡膠顆粒制作而成的含量不同的混合料結(jié)冰試板進(jìn)行試驗(yàn)，研究橡膠顆粒摻量對瀝青混合料破冰效果的影響。試驗(yàn)溫度采用-2℃，選用的瀝青顆粒粒徑為20 目，橡膠顆粒摻量分別為0%（普通瀝青混合料）、2%、3%、4%。試驗(yàn)過程中，在相同的碾壓次數(shù)下，橡膠顆粒摻量為0%的混合料試板表面的冰層無明顯的變化，肉眼難以觀察到裂縫存在。但是摻入了橡膠顆粒的結(jié)冰試板，能夠明顯的觀察到試板表面的冰層的變化，冰層表面出現(xiàn)了大小粗細(xì)不同的裂縫，以20 目的橡膠顆粒瀝青混合料而言，隨著橡膠顆粒含量的增加，裂紋越多越粗。當(dāng)橡膠顆粒的含量達(dá)到4%時，試板表面的冰層裂紋不但明顯，而且出現(xiàn)冰層剝離現(xiàn)象。通過以上試驗(yàn)，可以看出橡膠顆粒摻量越大的試板出現(xiàn)的冰層裂紋越多，破冰效果越好。圖2.1 反映的是不同摻量的試板的試驗(yàn)效果的對比。

圖2.1 試驗(yàn)效果圖

圖2.2 橡膠顆粒含量對BPN 及ΔBPN 的影響

圖①反映的是在試驗(yàn)過程中，隨著試板橡膠顆粒含量的不同，其試驗(yàn)結(jié)果擺值（BPN）的變化情況。通過上圖可以得出，隨著荷載作用次數(shù)的增加，橡膠顆粒的摻量越多，BPN 值的變化越大，也就是說混合料的抗滑性能越大，故破冰性能越好。通過圖②可以看出，在相同輪碾次數(shù)下，隨著橡膠顆粒含量越大，ΔBPN 的變化量越大，也就是說抗滑系數(shù)變化越大，抗滑性能越高，破冰效果越明顯。

這是因?yàn)榛旌狭显嚢鍝饺胂鹉z顆粒后，由于橡膠顆粒的高彈性，使得試板的回彈性等到了增強(qiáng)，在試驗(yàn)儀器的輪碾作用下，混合料試板較強(qiáng)的回彈作用使得試板表面的結(jié)冰被擠碎，從而增加了混合料試板的抗滑性能，試驗(yàn)數(shù)據(jù)中表現(xiàn)為BPN 的明顯增加。橡膠顆粒摻量越多，試板的回彈作用越明顯，破冰效果越好。根據(jù)鄧誠意等人的研究（不同橡膠顆粒摻量對瀝青混合料路用性能的影響），摻入太多的橡膠顆粒會對混合料原有的結(jié)構(gòu)造成影響，使混合料產(chǎn)生松散現(xiàn)象，反而降低了混合料的路用性能，因此適宜的摻量才能更有效達(dá)到到路用性能與破冰性能的平衡。

3.2 橡膠顆粒粒徑對破冰效果影響研究

本試驗(yàn)在恒定溫度的情況下，對同一摻量不同粒徑的橡膠顆粒瀝青混合料制成的混合料試板進(jìn)行試驗(yàn)，研究橡膠顆粒粒徑對瀝青混合料破冰效果的影響。試驗(yàn)溫度采用-2℃，選用的橡膠顆粒摻量為3%，瀝青顆粒粒徑為20 目、40 目。本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖2.3 所示。

圖2.3 不同粒徑對BPN 及ΔBPN 的影響

圖①反映的是在破冰過程中，兩種不同粒徑的橡膠顆粒混合料試板BPN 值的變化情況。圖中結(jié)果顯示，隨著摻入橡膠顆粒的混合料試板經(jīng)受的輪碾次數(shù)增多，其擺值（BPN）均有明顯的變化，在荷載作用次數(shù)一定的情況下，摻有較大粒徑的橡膠顆粒的瀝青混合料試板的擺值要大于摻有40 目橡膠顆粒混合料試板的BPN 值，而圖②中的試驗(yàn)結(jié)果也顯示摻有20 目橡膠顆粒的瀝青混合料的BPN 衰減量要高于40 目的橡膠顆粒瀝青混合料，即20 目的橡膠顆粒的破冰能力要優(yōu)于40 目。當(dāng)荷載作用次數(shù)一定時，摻入的橡膠顆粒的粒徑越大，瀝青混合料的破冰性能越強(qiáng)。

3.3 試驗(yàn)溫度對破冰效果的影響研究

環(huán)境溫度對摻有橡膠顆粒的瀝青混合料的破冰性能的影響。橡膠顆粒的規(guī)格采用20 目，摻量取3%，試驗(yàn)溫度為-2℃～-8℃。通過對試驗(yàn)過程的觀察可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度越高，試板表面的冰層越容易破壞，試板表面的冰面的裂痕越多，且破壞程度越大。隨著試驗(yàn)溫度的降低，冰面出現(xiàn)裂痕的時間越長，并且破壞程度降低，而當(dāng)溫度繼續(xù)降低至-8℃時，試板表層的冰面幾乎無破壞現(xiàn)象的發(fā)生。（見圖③④）

圖2.4 溫度對BPN 及ΔBPN 的影響

圖①和圖②表示的是在不同試驗(yàn)溫度下，瀝青混合料試板的BPN 值及其回升量ΔBPN 隨輪碾次數(shù)變化情況。從圖中可以看出，在相同的試驗(yàn)溫度下，隨著輪碾次數(shù)的增加，BPN 值越大，BPN 的變化值也越大。在荷載作用次數(shù)一定的情況下，試驗(yàn)環(huán)境溫度越高，擺值越大，抗滑性能越好，即破冰效果越明顯。而環(huán)境溫度降低至-8℃時，摻有橡膠顆粒的瀝青混合料試板與普通瀝青混合料試板的（BPN）值變化已沒有明顯的差別，也就是說其已經(jīng)逐漸失去其破冰的能力。因?yàn)?，試?yàn)溫度較低時，冰的彈性性能較好，冰體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的原子位置較為穩(wěn)固，不易受到破壞而發(fā)生變形。而環(huán)境溫度較高時，冰的塑性性能較好，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的原子位置容易發(fā)生變位，因此容易受到破壞[5]。

綜上所述，相比與普通瀝青混合料，橡膠顆粒瀝青混合料的破冰性能較好。在試驗(yàn)溫度一定的情況下，混合料中橡膠顆粒摻量越多，粒徑越大，破冰性能越好，溫度越高，破冰效果越明顯。在考慮橡膠顆粒瀝青混合料實(shí)際的路用性能和經(jīng)濟(jì)性條件下，選擇合適粒徑和摻量的橡膠顆粒加入瀝青混合料中，才能達(dá)到最佳的效果。

4 結(jié)論

本文主要進(jìn)行了摻有橡膠顆粒的瀝青混合料的破冰試驗(yàn)研究。通過本文的試驗(yàn)表明，在一定的范圍內(nèi)，摻有橡膠顆粒的瀝青混合料對破冰有明顯的效果。主要的結(jié)論如下：

1）在滿足瀝青混合料路用性能的范圍內(nèi)，同一規(guī)格的橡膠顆粒在瀝青混合料中的摻量越大，破冰效果越明顯。并且橡膠顆粒的粒徑越大，其破冰性能越好。

2）在（-2℃～-8℃）溫度范圍內(nèi)，摻有橡膠顆粒的瀝青混合料具有較好的破冰性能，溫度≥-2℃時，破冰效果最明顯，當(dāng)溫度＜-8℃，破冰效果不明顯，即溫度過低時，摻有橡膠顆粒的瀝青混合料將逐漸失去其破冰效果。