橡膠顆粒瀝青混合料除冰機(jī)理及效果

徐 巖， 張 弼 強(qiáng)， 王 長 棋

( 沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110168 )

0 引 言

廢舊輪胎處理問題是新世紀(jì)各國都面臨的重大問題，將廢舊輪胎破碎成橡膠顆粒摻入瀝青混合料中成為處理輪胎的新途徑[1-2]。國外學(xué)者對橡膠顆粒瀝青混合料的研究開始較早。Michael[3]用6.4～0.85 mm的橡膠顆粒代替部分石料，將混合料用在了磨耗層。Ahmadinia等[4]在連續(xù)級配瀝青混合料中，用橡膠顆粒置換部分石料，分析了不同摻量下的路用性能指標(biāo)，但并未考慮除冰性能。日本在剛鋪筑的瀝青路面鋪撒直徑2 mm 左右的橡膠顆粒，橡膠顆粒在行車荷載作用下發(fā)生變形，變形后會再發(fā)生回彈變形使冰層破碎，但并未對除冰效果進(jìn)行分析，同時行車條件下也會造成部分橡膠顆粒脫落，造成資源浪費(fèi)。周純秀[5]從級配組成和路用性能的角度對橡膠顆粒瀝青混合料進(jìn)行研究，但并未對除冰效果進(jìn)行進(jìn)一步分析。陳淵召等[6]對橡膠顆粒瀝青路面的除冰機(jī)理進(jìn)行了分析及初步試驗驗證，方法較為復(fù)雜。張洪偉[7]研究了橡膠顆粒摻量對混合料抑制結(jié)冰的能力以及對混合料路用性能的影響，但并未對除冰效果進(jìn)行有效分析。本研究利用有限元方法對橡膠顆粒瀝青混合料進(jìn)行除冰機(jī)理分析，通過路面冰層的受力變形來研究橡膠顆粒瀝青混合料路面的除冰性能，用應(yīng)變能密度因子準(zhǔn)則[8-10]作為路面冰層破裂的判斷依據(jù)，對不同條件下路面除冰能力進(jìn)行了試驗分析和研究。

1 橡膠顆粒瀝青路面除冰有限元分析

采用目前國內(nèi)比較典型的瀝青路面結(jié)構(gòu)形式，分別對普通瀝青混合料和橡膠顆粒瀝青混合料彈性路面冰層的受力情況和變形特性進(jìn)行分析計算。路面結(jié)構(gòu)僅在面層材料作出改變，上面層分別采用厚度為4 cm的AC-13橡膠顆粒瀝青混合料和AC-13普通瀝青混合料，中面層和下面層分別采用厚度為6 cm的AC-16和AC-20的中粒式瀝青混合料。AC-13合成級配如圖1所示。

圖1 AC-13 瀝青混合料級配曲線Fig.1 Gradation curves of AC-13 asphalt mixture

由于中面層和下面層的抗壓回彈模量相差無幾，而且對于除冰路面起主要作用的是上面層，因此在相同溫度情況下，將兩者的抗壓回彈模量取相同的數(shù)值。同樣，冰層材料由于受溫度影響，材料晶格和強(qiáng)度變化較大，進(jìn)而使得抗壓回彈模量也發(fā)生改變。路面結(jié)構(gòu)材料設(shè)置參數(shù)見表1。

表1 路面結(jié)構(gòu)材料的彈性模量和泊松比Tab.1 Modulus of elasticities and poisson’s ratios of pavement structural materials

通過有限元分析法建立模型尺寸寬為3.75 m、高為3 m的二維有限元結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，模型左右邊界有水平約束，底部邊界有豎向約束，各層間假設(shè)為完全連續(xù)接觸。模型網(wǎng)格劃分由兩邊到中間、自下而上逐漸密集，采用CPE8R參元進(jìn)行分析計算(路面結(jié)構(gòu)的自重忽略不計)，模型示意圖如圖2所示。

(b) 網(wǎng)格劃分示意圖圖2 道路結(jié)構(gòu)模型圖Fig.2 Model diagrams of road structure

將路面荷載作用接觸面形狀假設(shè)為矩形，尺寸為19.2 cm×18.6 cm。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，等效后雙輪中心間距為單輪傳壓面當(dāng)量圓直徑的1.5倍，即31.4 cm，行車荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BBZ-100，軸重100 kN，輪壓0.7 MPa。

為了使路面除冰效果有較明顯的反饋，選取最有利于除冰的條件進(jìn)行有限元模擬分析。設(shè)定環(huán)境溫度為0 ℃，冰層厚度2 mm，0 ℃時冰的彈性模量為3 000 MPa，粒徑2～4 mm，摻量為4%，橡膠顆粒瀝青混合料的彈性模量為1 900 MPa，普通瀝青混合料彈性模量為2 800 MPa。進(jìn)行有限元計算，結(jié)果如圖3～7所示。圖中位移單位為m，應(yīng)力單位為Pa。

圖3表明，橡膠顆粒瀝青路面冰層最大位移發(fā)生在輪胎荷載作用下的矩形區(qū)域內(nèi)，輪胎荷載矩形區(qū)域中心的最大位移量約為0.65 mm；普通瀝青混合料路面冰層的最大位移量約為0.62 mm。因此在荷載作用下，橡膠顆粒瀝青路面產(chǎn)生的位移變形量要大于普通瀝青混合料，為路面冰層破碎提供了可行性證明。

(a) 橡膠顆粒瀝青混合料

(b) 普通瀝青混合料圖3 路面位移圖Fig.3 Displacement maps of pavement

(a) 橡膠顆粒瀝青混合料

(b) 普通瀝青混合料圖4 路面冰層壓應(yīng)力與拉應(yīng)力Fig.4 Lamination stress and tensile stress of pavement ice

(a) 橡膠顆粒瀝青混合料

(b) 普通瀝青混合料圖5 路面冰層剪應(yīng)力Fig.5 Shear stress of pavement ice

(a) 橡膠顆粒瀝青混合料

(b) 普通瀝青混合料圖6 路面冰層壓應(yīng)變與拉應(yīng)變Fig.6 Compressive strain and tensile strain of pavement ice

(a) 橡膠顆粒瀝青混合料

(b) 普通瀝青混合料圖7 路面冰層剪應(yīng)變Fig.7 Shear strain of pavement ice

圖4表明，橡膠顆粒瀝青混合料路面冰層在輪胎荷載作用位置產(chǎn)生的壓應(yīng)力與普通瀝青混合料幾乎相等，而在兩輪胎之間靠近輪胎內(nèi)側(cè)的位置所產(chǎn)生的拉應(yīng)力要大于普通瀝青混合料。

圖5表明，橡膠顆粒瀝青混合料路面與普通瀝青混合料路面在輪胎荷載下方矩形區(qū)域邊緣處的剪應(yīng)力基本相等，橡膠顆粒對剪應(yīng)力并沒有產(chǎn)生影響。

圖6、圖7表明，橡膠顆粒瀝青混合料路面冰層在輪胎荷載作用下方矩形區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的最大壓應(yīng)變遠(yuǎn)大于普通瀝青混合料，最大拉應(yīng)變略大于普通瀝青混合料路面，最大剪應(yīng)變遠(yuǎn)大于普通瀝青混合料路面冰層。

2 彈性模量對橡膠顆粒瀝青路面除冰性能的影響

橡膠顆粒的加入改變了瀝青混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得瀝青混合料的彈性性能增加，變形增大。對于線彈性體來說，要考慮材料的彈性性能需要考慮材料的彈性模量和泊松比，因此研究橡膠顆粒瀝青面層自除冰能力也需要考慮抗壓回彈模量。在有限元模擬中的具體做法是對不同彈性模量的路面施加荷載，根據(jù)路面受荷載作用計算出輪胎荷載正下方中心位置的最大位移，分析冰層破壞程度。由試驗測得低溫下橡膠顆粒瀝青混合料抗壓回彈模量值見表2。不同冰層厚度與溫度下的除冰效果計算結(jié)果見表3。

表2 低溫不同粒徑下橡膠顆粒瀝青混合料的抗壓回彈模量Tab.2 Compressive rebound modulus of rubber-granulated asphalt mixtures with different particle sizes at low temperatures MPa

表3 不同冰層厚度與溫度下的除冰效果分析Tab.3 The effect of different ice thickness and temperature on the deicing results

結(jié)果表明，當(dāng)冰層厚度為2 mm、溫度為0 ℃、橡膠顆粒摻量超過2%時，粗細(xì)橡膠顆粒都具有除冰的能力；當(dāng)溫度為-5 ℃時，橡膠顆粒摻量在4%以內(nèi)的瀝青混合料已不具備除冰能力；當(dāng)溫度下降到-10 ℃時，橡膠顆粒摻量4%的瀝青混合料完全喪失除冰能力。當(dāng)冰層厚度為5 mm、溫度為0 ℃、橡膠顆粒摻量超過3%時，瀝青混合料路面才開始具有除冰能力；-5 ℃時橡膠顆粒瀝青混合料已不具備除冰能力，-10 ℃時早已喪失除冰能力。當(dāng)冰層厚度為10 mm、溫度為0 ℃時，橡膠顆粒瀝青混合料路面已不具備除冰能力。

3 室內(nèi)破冰試驗

由于有限元模型無法直觀地反映除冰性能的影響因素，因此在室內(nèi)對瀝青混合料的除冰性能進(jìn)行試驗。試驗仍以橡膠顆粒摻量、粒徑、環(huán)境溫度以及冰層厚度作為研究變量，采用車轍試驗儀對路面除冰的效果進(jìn)行試驗，研究混合料的除冰性能。

3.1 試驗原材料基本性能

瀝青：采用90#A級道路石油瀝青，性能如表4所示。

表4 90#瀝青主要技術(shù)性能指標(biāo)Tab.4 Main technical performance indexes of 90# asphalt

橡膠顆粒：選用1～2 mm和2～4 mm的橡膠顆粒，技術(shù)指標(biāo)見表5。

表5 橡膠顆粒技術(shù)指標(biāo)Tab.5 Technical indicators of rubber particles

粗、細(xì)集料：采用遼寧本溪石灰?guī)r，表面潔凈、干燥，無風(fēng)化，不含雜質(zhì)，強(qiáng)度均滿足要求。

3.2 破冰試驗參數(shù)

3.2.1 橡膠顆粒摻量對混合料除冰性能的影響

選取溫度為-1 ℃，冰層厚度為2～3 mm，橡膠顆粒粒徑為2～4 mm，摻量分別為0、2%、4%的試件，車轍試驗儀碾壓20 min，試驗結(jié)果見圖8。

(a) 0

(b) 2%

(c) 4%圖8 不同橡膠顆粒摻量下冰層破碎圖Fig.8 Ice breaking diagrams with different dosage of rubber particles

試驗中普通瀝青混合料試件碾壓過后，表面冰層無任何破壞痕跡；橡膠顆粒摻量為2%的瀝青混合料試件表面冰層開始出現(xiàn)受壓變形破壞的痕跡，但效果不明顯；橡膠顆粒摻量為4%的瀝青混合料試件表面冰層隨著荷載的持續(xù)作用，冰層裂紋增多，出現(xiàn)明顯破壞裂縫，除冰效果較明顯。

試驗結(jié)果表明，橡膠顆粒的增加對瀝青混合料路面的除冰性能提高明顯，橡膠顆粒摻量較少時，分布密度比較小，對混合料的性能影響較??；當(dāng)摻量超過4%時，橡膠顆粒在試件表面的數(shù)量越來越多，使瀝青混合料表面的彈性性能提高，除冰效果明顯。

3.2.2 橡膠顆粒大小對混合料除冰性能的影響

在選取-1 ℃、冰層厚度2～3 mm、橡膠顆粒粒徑2～4 mm、摻量為4%試件的基礎(chǔ)上，增加一組粒徑為1～2 mm的試件進(jìn)行對比試驗，車轍試驗儀碾壓20 min，試驗結(jié)果見圖9。

(a) 1～2 mm

(b) 2～4 mm圖9 不同粒徑橡膠顆粒冰層破碎圖Fig.9 Ice breaking diagrams of rubber particles with different particle sizes

試驗中橡膠顆粒粒徑為1～2 mm的瀝青混合料表面冰層在荷載作用下出現(xiàn)受力變形的痕跡，但無明顯的破壞裂紋，而橡膠顆粒粒徑為2～4 mm的瀝青混合料表面冰層出現(xiàn)裂縫，冰層已經(jīng)破壞。

試驗結(jié)果表明，粗粒徑橡膠顆粒除冰效果優(yōu)于細(xì)粒徑橡膠顆粒，因為粗粒徑橡膠顆粒在瀝青混合料中更容易發(fā)揮彈性性能，并且由于顆粒相對較大，彈性性能更好。

3.2.3 冰層厚度對混合料除冰性能的影響

選取-1 ℃、橡膠顆粒粒徑2～4 mm、摻量4%的瀝青混合料，冰層厚度為2、5、10 mm，車轍碾壓20 min，試驗結(jié)果見圖10。

(a) 2 mm

(b) 5 mm

(c) 10 mm圖10 不同冰層厚度路面冰層破碎圖Fig.10 Ice breaking diagrams with different thickness of ice

試驗中2 mm厚度的冰層在較短時間內(nèi)出現(xiàn)裂縫，隨著荷載持續(xù)施加，冰層破碎較明顯；5 mm厚度的冰層僅出現(xiàn)微小裂紋，破冰效果較差；10 mm 厚度的冰層在車輪荷載作用下始終未出現(xiàn)裂紋，瀝青混合料失去除冰能力。

試驗結(jié)果表明，冰層越厚橡膠顆粒瀝青路面的除冰效果越差，當(dāng)冰層厚度超過一定范圍后，橡膠顆粒瀝青混合料失去除冰的能力。

3.2.4 試件溫度對混合料除冰性能的影響

橡膠顆粒粒徑2～4 mm，橡膠顆粒摻量為4%的瀝青混合料，冰層厚度2 mm，試件溫度分別為-1、-5、-10 ℃，車轍碾壓20 min，試驗結(jié)果見圖11。

(a) -1 ℃

(b) -5 ℃

(c) -10 ℃圖11 不同溫度下冰層破碎圖Fig.11 Ice breaking diagrams at different temperatures

在-1 ℃時，試件冰層在較短的時間內(nèi)就出現(xiàn)了破壞痕跡，隨著荷載作用時間的增加，冰層破碎較嚴(yán)重，除冰效果良好；-5 ℃時，冰層出現(xiàn)裂紋的時間較長，隨著荷載的持續(xù)作用，裂縫并沒有實質(zhì)的擴(kuò)展，除冰效果一般；-10 ℃時，冰層始終沒有出現(xiàn)破壞痕跡，橡膠顆粒瀝青混合料失去了除冰效果。試驗結(jié)果表明，隨著溫度的降低，冰層變得更加堅固，瀝青混合料的彈性模量隨之降低，橡膠顆粒瀝青混合料的除冰能力降低；當(dāng)溫度達(dá)到低溫臨界值時，橡膠顆粒瀝青混合料路面失去除冰能力。

4 結(jié) 論

路面冰層的破碎是以混合型斷裂破壞為主，主要特征為冰層產(chǎn)生混合型裂紋并擴(kuò)展失穩(wěn)，在車輛荷載反復(fù)作用后，區(qū)域內(nèi)的裂紋達(dá)到一定密度從而飽和，引起冰層局部的破壞。

橡膠顆粒瀝青混合料路面冰層在兩輪胎之間靠近輪胎內(nèi)側(cè)位置所產(chǎn)生的拉應(yīng)力要大于普通瀝青混合料路面冰層，在輪胎荷載作用下方矩形區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的最大拉應(yīng)變略大于普通瀝青混合料路面冰層，最大壓應(yīng)變與最大剪應(yīng)變遠(yuǎn)大于普通瀝青混合料路面冰層。

以彈性模量作為橡膠顆粒變化的指標(biāo)，通過計算結(jié)果判斷不同厚度的冰層在不同溫度下的破壞情況，得到橡膠顆粒瀝青混合料彈性模量與除冰能力之間的關(guān)系：當(dāng)冰層厚度為2 mm、溫度為0 ℃時，橡膠顆粒瀝青混合料彈性模量小于2 600 MPa，可除冰；溫度為-5 ℃時，彈性模量小于2 200 MPa，可除冰；溫度為-10 ℃時，橡膠顆粒瀝青混合料已不具備除冰能力。當(dāng)冰層的厚度為5 mm、溫度為0 ℃時，橡膠顆粒瀝青混合料的彈性模量小于2 200 MPa，可除冰；當(dāng)環(huán)境溫度為-5 ℃ 時，橡膠顆粒瀝青混合料彈性模量小于1 900 MPa，可除冰；當(dāng)環(huán)境溫度為-10 ℃時，橡膠顆粒瀝青混合料已不具備除冰能力。當(dāng)冰層厚度為10 mm時，橡膠顆粒瀝青混合料完全喪失了除冰的能力。