橡膠顆粒瀝青路面的除冰研究進(jìn)展

肖慧勝

（重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074）

0 引言

我國(guó)疆域遼闊，有大量公路位于寒冷地區(qū)，特別是在進(jìn)入冬季后，我國(guó)北方和高海拔、高緯度地區(qū)的室外溫度經(jīng)常處于 0度以下，傳統(tǒng)路面在降雨或降雪后很快就會(huì)因?yàn)榈蜏囟Y(jié)冰，導(dǎo)致路面濕滑，給行車(chē)和人員造成了巨大的安全隱患，每年因路面結(jié)冰造成的車(chē)禍也不勝枚舉，為清除路面積冰，傳統(tǒng)的方法就是在路面撒融雪劑，但融雪劑的過(guò)度使用會(huì)造成環(huán)境污染。爾后出現(xiàn)了紅外除冰雪、發(fā)熱電纜除冰雪等方法，但因?yàn)樵靸r(jià)高昂，只能在高速公路收費(fèi)站等小范圍內(nèi)使用，后來(lái)研究人員發(fā)現(xiàn)在瀝青混凝土中加入橡膠顆?？梢允孤访嬗休^好的破冰能力，因此大量的科研人員其進(jìn)行研究，本文他們的研究進(jìn)行了總結(jié)和闡述。

1 力學(xué)模型

因?yàn)橄鹉z瀝青混合料是一種新型的路面材料，要想了解其性能就得先對(duì)其建立力學(xué)模型，目前已有不少研究人員對(duì)其進(jìn)行了研究，根據(jù)陳淵召的研究，建立了多步驟均勻化方法，然后將瀝青混合料看作由多種不同尺寸和含量的集料、空隙以及基質(zhì)瀝青組成的多相復(fù)合材料。因此建立了夾層復(fù)合材料兩層嵌入式模型和多步驟多相細(xì)觀(guān)力學(xué)模型，研究表明該細(xì)觀(guān)力學(xué)模型是可靠的和有效的，可以用于評(píng)估低溫下的橡膠顆粒瀝青混合料的力學(xué)和除冰性能。

2 力學(xué)性能

2.1 彈性模量

李振霞通過(guò)調(diào)整橡膠瀝青混合料中的橡膠顆粒的摻量（1%-3%）發(fā)現(xiàn)橡膠瀝青混合料的彈性模量會(huì)隨著橡膠顆粒的摻量的增加而降低，在保持橡膠顆粒摻量不變的情況下改變?yōu)r青膠漿的類(lèi)型，發(fā)現(xiàn)混合料的彈性模量會(huì)隨著膠漿模量的增加而增加。在保持其他摻量不變的情況下，采用不同彈性模量的橡膠顆粒時(shí)混合料的彈性模量的變化并不大。在其他量都不變的情況下混合料的模量會(huì)隨著溫度的降低而變大。

2.2 低溫性能

因?yàn)橄鹉z瀝青混凝土主要用來(lái)除冰，所以研究其在低溫下的性能是至關(guān)重要的.橡膠顆粒瀝青混凝土主要是以溶脹反應(yīng)為主，即橡膠顆粒摻入瀝青中后會(huì)與基質(zhì)瀝青發(fā)生溶脹反應(yīng)，形成相互粘連的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)?；|(zhì)瀝青會(huì)由均質(zhì)體變成橡膠顆粒和瀝青構(gòu)成的連續(xù)混合結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有良好的低溫性能。研究也發(fā)現(xiàn)隨著橡膠顆粒摻量的增加，橡膠顆粒瀝青混合料的低溫性能隨之提高，但當(dāng)摻量超過(guò)20%后其低溫性能就沒(méi)有了明顯的提升。根據(jù)]Liu J的研究發(fā)現(xiàn)輕質(zhì)瀝青的含量越大，橡膠瀝青混合料的低溫性能就越好。通過(guò)受限試件應(yīng)力試驗(yàn)對(duì)橡膠顆粒瀝青混合料和基質(zhì)瀝青的低溫開(kāi)裂溫度進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果顯示其開(kāi)裂溫度分別為-38.9度和-22.3度，該實(shí)驗(yàn)表明橡膠顆粒瀝青混合料具有優(yōu)異的低溫抗裂能力。

3 除冰機(jī)理

3.1 基于斷裂力學(xué)的橡膠顆粒瀝青路面除冰

姚莉莉的研究表明，位于輪胎下方區(qū)域的冰層的受力以受剪為主，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在輪胎下方區(qū)域的邊緣處，在雙輪之間靠近輪側(cè)局部會(huì)出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，所以可以認(rèn)為兩車(chē)輪間靠近輪側(cè)區(qū)域同時(shí)受到拉應(yīng)力剪應(yīng)力的作用，該處冰層的破壞主要由復(fù)合型裂紋失穩(wěn)所致的。周純秀認(rèn)為，在車(chē)輛荷載的作用下，當(dāng)橡膠顆粒瀝青路面表面的冰層的拉應(yīng)變或剪應(yīng)變超過(guò)了其極限應(yīng)變后，冰層就會(huì)發(fā)生斷裂，室內(nèi)試驗(yàn)顯示路面冰層首先會(huì)出現(xiàn)輻射狀裂紋，在反復(fù)受荷后裂紋會(huì)進(jìn)一步發(fā)展直至出現(xiàn)明顯的破壞。

3.2 橡膠顆粒瀝青路面抑制路面結(jié)冰機(jī)理

譚憶秋等采用有限元進(jìn)行了數(shù)值分析后，認(rèn)為橡膠瀝青混凝土由于橡膠的存在，使得路面的受力不再均勻，在橡膠顆粒的位置會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)變和最大剪應(yīng)變會(huì)出現(xiàn)在橡膠顆粒的角隅處，其最大拉應(yīng)變會(huì)達(dá)到極限拉應(yīng)變的1.27倍，最大剪應(yīng)變會(huì)達(dá)到極限剪應(yīng)變的1.75倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了冰的極限應(yīng)變，所以橡膠顆粒瀝青混合料擁有較強(qiáng)的破冰能力。

3.3 基于冰層疲勞破壞的除冰機(jī)理

橡膠瀝青混凝土路面上的冰層，在經(jīng)受路面車(chē)輛荷載的反復(fù)作用后，路面冰層的變形不斷積累變大，直至達(dá)到其極限應(yīng)變，然后發(fā)生疲勞破壞。同時(shí)由于混合料中存在橡膠顆粒，橡膠顆粒受到車(chē)輛荷載后的變形比瀝青混凝土大，橡膠顆粒就會(huì)與周邊的基質(zhì)產(chǎn)生摩擦，產(chǎn)生熱量導(dǎo)致路面升溫，從而起到除冰的效果。

4 影響橡膠顆粒瀝青混合料除冰效果的因素

4.1 路面的回彈模量

研究發(fā)現(xiàn)在室外溫度相同的條件下，橡膠瀝青混凝土路面的彈性模量越小其破冰厚度就越大，例如，在室外溫度為0度時(shí)，當(dāng)彈性模量為2400Mpa時(shí)其除冰厚度為4mm,當(dāng)彈性模量為2200Mpa時(shí)其除冰厚度為6mm。陳淵召等人的研究還發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒彈性模量的變化對(duì)混合料的影響并不大，當(dāng)橡膠模量提高時(shí)，混合料的模量變化并不明顯，而石料的模量的變化對(duì)混合料的模量的影響較大，這是應(yīng)為橡膠的模量與石料相比有較大差距。橡膠顆粒的用量對(duì)路面的模量的影響是較大的，研究發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒的彈性模量分布在10-100Mpa之間,當(dāng)橡膠顆粒的用量增加時(shí)，混合料的模量就會(huì)減少。當(dāng)橡膠顆粒的含量分別為2%、4%、6%時(shí)，試驗(yàn)顯示橡膠顆粒含量越高的混合料其除冰能力越強(qiáng)。

4.2 外界環(huán)境溫度

研究發(fā)現(xiàn)冰的抗壓強(qiáng)度隨著溫度的降低而隨之增大，在-35度時(shí)會(huì)出現(xiàn)抗壓強(qiáng)度極值，而后溫度再繼續(xù)降低時(shí)，其抗壓強(qiáng)度不再增加，反而會(huì)呈下降趨勢(shì)。根據(jù)周純秀的研究，也顯示溫度對(duì)橡膠瀝青混凝土的除冰效果影響較大，當(dāng)溫度降低時(shí)，橡膠瀝青混合料的除冰能力會(huì)明顯減弱。

4.3 冰層厚度

有研究顯示，冰層厚度對(duì)橡膠瀝青混合料的除冰能力也有較大影響。冰層的厚度越厚，其抗破損的能力也就越強(qiáng)，當(dāng)冰層厚度小于4mm時(shí)，冰層的破壞面積較大，當(dāng)冰層厚度達(dá)到6mm時(shí)，冰層破壞面積較小，只會(huì)出現(xiàn)少量裂紋，當(dāng)冰層厚度達(dá)到10mm后，冰層幾乎不會(huì)破壞。

4.4 路面層的厚度

根據(jù)材料力學(xué)公式知當(dāng)路面厚度越大時(shí)，其形變量也就越大，而路面上的冰層屬于脆性材料，其變形量要小于路面，所以在一定范圍內(nèi)，路面厚度越大其除冰能力也就越強(qiáng)。試驗(yàn)顯示當(dāng)路面層厚底從4cm增加到6cm時(shí)，其除冰率分別增加了5%和9%。因此路面層的鋪筑厚度對(duì)其除冰能力也有較大的影響。

5 結(jié)論

5.1 從當(dāng)前的研究來(lái)看，橡膠瀝青混合料的力學(xué)性能，低溫性能要優(yōu)于普通瀝青混凝土。

5.2 目前的對(duì)橡膠瀝青的除冰機(jī)理，認(rèn)為冰層的破壞是應(yīng)為其最大拉應(yīng)變與最大剪應(yīng)變超過(guò)了其極限應(yīng)變。

5.3 影響橡膠瀝青混凝土除冰效果的因素有路面的回彈模量、外界環(huán)境溫度、冰層的厚度、路面層的厚度、橡膠顆粒的摻量?；貜椖Ａ吭叫〕Ч胶?，外界環(huán)境溫度越高除冰效果越好，路面層厚度越大除冰效果越好，橡膠顆粒摻量越大除冰效果越好。

[1]陳淵召，基于復(fù)合材料的橡膠瀝青混合料彈性模量預(yù)測(cè)，中南大學(xué)學(xué)報(bào)2013,第 44 卷

[2]李振霞，橡膠瀝青混合料彈性模量的預(yù)測(cè)，湖南大學(xué)學(xué)報(bào) 2013，第44卷

[3]陳俊青，基于低溫性能的橡膠瀝青混凝土路面應(yīng)用技術(shù)，長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，第9卷

[4]姚莉莉，橡膠顆粒彈性除冰路面關(guān)鍵技術(shù)研究[D]，長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，第16卷

[5]周純秀，橡膠顆粒路面抑制冰雪技術(shù)，哈爾冰工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，第23卷。

[6]陳淵召，橡膠顆粒瀝青路面的除冰機(jī)理，中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，第三卷

[7]譚憶秋，橡膠顆粒路面抑制冰雪技術(shù)，哈爾冰工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，第18卷

[8]孫寶峰，橡膠顆粒除冰雪瀝青混合料設(shè)計(jì)，長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，第36卷