橡胶颗粒沥青混合料桥面铺装破冰效果室内试验研究

唐 军,王佳蓉,曹高尚

（1.天津市市政工程设计研究院，天津市 300051；2.长安大学，陕西西安 710064）

0 引言

我国大部分道路属于冰雪地区，冬季桥梁温度通常低于与其相衔接的路面温度，从而使得桥面结冰时机早于路面，当高速车辆从路面行驶至桥面时容易失控而造成事故，因此对冰雪地区桥面应进行表面冰层破碎处治，使得桥面结冰时机等于或迟于路面，保证行车安全。对此国内外研究者曾寻求了各种除冰雪方法，其中采用自应力高弹性桥面铺装层材料使得桥面或路面冰层产生破碎是一种行之有效的方法。然而由于采用的路面结构不同及原材料差异，不同研究者对于荷载作用下冰层的破碎效果及影响因素有不同的认知[1～4]，而且已有的研究对路面自应力破冰进行了大量计算，得到了一些借鉴性方法，然而对影响行车安全更为关键的桥面结冰及其铺装层破冰效果评价方法、定量评价指标却未见深入，由此得到的试验结果不够细致、全面，得到的结论具有一定局限性。

对此首先定义“破冰率”作为冰层破坏程度室内试验定量评价指标，并根据已有配合比设计结果制备橡胶颗粒沥青混合料室内破冰效果试件，分别对不同铺装层厚度、橡胶颗粒掺量、表面冰层厚度进行定量分析，得到了不同因素对破冰效果的影响，以此为橡胶颗粒用于桥面铺装层破冰技术提供借鉴，为实体工程应用效果奠定基础。

1 橡胶颗粒沥青混合料配合比设计

本研究以“主骨料空隙体积填充法”进行配合比设计，首先根据《公路工程集料试验规程》（JTJ058-2000）进行粗、细集料以及矿粉的表观密度 ρtc、ρtf及 ρtp；进而选定了若干组粗骨料掺配比例进行紧装密度测定试验，以主骨料紧装空隙率为设计目标确定粗集料的装填密度及最佳掺配比例；根据经验初步确定矿粉、沥青的用量，确定沥青混合料的设计目标空隙率；根据体积法公式及已得到主骨料紧装空隙率求出粗集料用量qc和细集料用量qf；根据马氏方法初选五组沥青用量进行最佳油石比的确定，进而对混合料进行水稳定性以及高低温稳定性试验，对配合比设计结果进行优化，由此得到的配合比设计结果及马歇尔试验结果分别见图1及表1。

油石比为6.5%时的混合料空隙率最接近目标空隙率，各项路用性能良好，最终确定6.5%为最佳油石比。

图1 设计级配与SMA-16级配范围对照图

表1 马歇尔试验结果

2 室内破冰效果评价方法及评价指标

实际行车荷载以滚动的形式实现冰层破碎，轮载对冰层的作用面积较分散，且冰层在实际破碎中存在裂纹纵向扩展，冰层破坏并不完全存在于轮载的底部，轮载作用周围均有可能存在可见破碎裂缝甚至块状破碎。基于以上对计算结果和实际冰层破碎的差异，为了准确地评价橡胶颗粒沥青混合料的除冰效果，提出室内破冰效果试验方法：

（1）首先根据《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》（JTJ052-2000）进行橡胶颗粒沥青混合料车辙试件的制备；（2）养生完成后将车辙试件四周用油腻子围住，保证密封不透水，油腻子高出车辙板表面的高度即为需要敷设冰层的厚度；（3）将车辙试件置于冰箱后将煮沸冷却后的水倒于油腻子形成的围框中；（4）待水分完全结冰一定时间后将试件取出放置于车辙仪中进行1 260次（30 min）碾压，轮碾过程中取消加热设置并保证轮压为0.7 MPa，在此过程中注意保证低温并观察冰层的破碎及开裂情况。

冰层的破碎情况借鉴路面损坏状况的评价方法，提出室内试验冰层破碎评价指标——破碎率Rc，其计算公式如式（1）所示：式中：RC——破碎率，%；

CA——龟裂及块裂的总面积，cm2；

L——单根裂纹总长度，cm；

λ——将单根裂纹长度换算成面积的影响系数，一般取0.3；

A——测试总面积，900 cm2。

块状和网状裂纹可以直接量测其面积，对于单根裂纹，量测实际长度后取其计算宽度为0.3折算成面积，破碎率综合考虑了裂纹的形式、长度等因素，实际应用能较为客观准确的描述冰层的开裂及破碎状况。

3 铺装层厚度对破冰效果影响

对不同厚度的橡胶颗粒沥青混合料车辙试件表面冰层破碎情况进行了对比分析。试验橡胶颗粒掺量均取3%，温度取定为-5℃～0℃，车辙试件厚度分别为4 cm、5 cm、6 cm，由于在制冰过程水分蒸发、下渗、侧漏，水深难以控制，制冰过程中需适当提高用水量，进行不同厚度条件下破冰效果试验过程中取冰层平均厚度为5 mm。得到的试验结果见图2。

图2 橡胶颗粒沥青混合料铺装层厚度与破冰率关系

从图2可得如下结论：铺装层厚度每增加1 cm，破冰率提高约7%，随着橡胶颗粒沥青混合料面层厚度的增加，破冰率线性增长，冰层破碎效果越好，试验过程中还发现，面层厚度越大，冰层出现开裂的时间越早，冰层越易于破碎因而在进行橡胶颗粒高弹性破冰桥面铺装层厚度确定时应综合确定铺装层破冰效果及其本身路用性能，兼顾二者进行合理厚度的确定。

4 橡胶颗粒掺量对破冰效果影响

分别对橡胶颗粒的掺量为3%、4%、5%和6%的橡胶颗粒沥青混合料进行破冰效果分析，试验过程中环境温度取定为-5℃～0℃，车辙试件厚度为5 cm，冰层厚度均取5 mm，冰层厚度为5 mm，试验结果见图3。

图3 橡胶颗粒掺量与破冰率关系

从图3可知，随橡胶颗粒掺量的增加，破冰效果线性增长，橡胶颗粒掺量每增加1%，破冰率增加5%，为对其影响机理进行深入探讨，对不同橡胶颗粒掺量与混合料回弹模量关系回归得到回弹模量、橡胶颗粒掺量与破冰率的关系见图4。

图4 回弹模量与破冰率关系

从图4中回弹模量与破冰率关系可知，随回弹模量（橡胶颗粒掺量）减小（增大），破冰率呈线性增加，当混合料的模量为1 554 MPa（普通沥青混合料）时，破冰率为0%，当橡胶颗粒掺量增大至3%时，回弹模量降低至1135，实现破冰效果，且随着模量的继续减小，破冰率逐渐增大，因此回弹模量与破冰率之间有较好的线性相关性，冰层的破碎效果受混合料的回弹模量影响显著，采用高弹性桥面铺装增大其弹性从而实现破冰得到了室内试验验证，为下一步进行试验路实施奠定了实践基础。

5 表面冰层厚度对破冰效果影响

为了分析橡胶颗粒高弹性桥面除冰能力，通过在5 cm厚的橡胶颗粒沥青混合料车辙试件表面成型不同厚度的冰层，试验过程中温度取为5℃～0℃，橡胶颗粒掺量均取3%，冰层厚度取为3 mm、4 mm、6 mm、8 mm和10 mm，由此得到的除冰效果见图5。

图5 冰层厚度与破冰率关系曲线

由图5可得如下结论：冰层厚度在5mm以下，路面破冰率均达到30%以上，铺装层具备除冰能力；当冰层厚度大于6 mm时破冰率锐减，冰层厚度达到8 mm时，破碎率达到4%，冰层破碎主要以横向裂缝为主，未出现龟裂现象，当冰层厚度达到10 mm时，碾压结束时未见明显开裂，因此可知橡胶颗粒高弹性桥面铺装层室内有效除冰厚度不大于5 mm，当冰层厚度大于5 mm时，破冰效果急剧下降甚至不具有破冰效果。

6 主要结论

本文首先确定了橡胶颗粒沥青混合料高弹性桥面铺装层破冰效果室内评价方法，并分别对不同铺装层厚度、不同铺装层模量、不同冰层厚度进行了室内破冰效果试验研究，得到的主要结论如下：

（1）冰层的破碎情况借鉴路面损坏状况的评价方法，提出室内试验冰层破碎评价指标——破碎率Rc进行冰层破碎情况定量分析；

（2）随铺装层厚度的增加，冰层出现开裂的时间越早，破冰率线性增长，铺装层厚度每增加1 cm，破冰率提高约7%；

（3）随橡胶颗粒掺量的增加，破冰效果线性增长，橡胶颗粒掺量每增加1%，破冰率增加5%，结合回弹模量试验结果对破冰效果内在增长原因分析可知橡胶颗粒的掺加通过改变混合料的弹性模量实现破冰，破冰机理与实践结论相吻合；

（4）由不同冰层厚度条件下的破冰率试验结果可知橡胶颗粒高弹性桥面铺装层室内有效除冰厚度不大于5 mm，当冰层厚度大于5 mm时，破冰效果急剧下降甚至不具有破冰效果。

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