橡胶颗粒沥青混合料破冰试验研究

张 硕

（太原学院，山西 太原 030032）

1 引言

在我国北方积雪冰冻地区以及南方的一些地区，冬季低温降水使得路面结冰问题较为严重。随着路面状态的变化，行驶车辆的制动性能及稳定性能大受影响，从而导致交通事故频发。因此，很有必要对路面破冰问题进行研究。就当今而言，处理破冰的方法很多，比如化学融冰、机械破冰以及路面材料破冰等，而掺入橡胶颗粒的沥青混合料就是其中的一种，本文就针对掺入橡胶颗粒的沥青混合料的破冰性能进行试验研究。

2 试验方案及方法

2.1 破冰试验方法的确定

本文采用路面破冰模拟试验仪 STAP（Simulating Tester for Antifreeze Pavement）（见图1.1）来进行试验，借鉴徐鸥明[1]、张硕[2]等人的试验效果评价方法，采用定性和定量两种方法对试验结果进行评定。

首先对橡胶颗粒沥青混合料的破冰效果进行定性评价。由于冬季路面上的冰雪混合物在车轮的持续碾压作用下，不断与路面进行分离，并且不断的变形、碎裂，在温度等条件的影响下，不断发生变化[3]。因此在本研究过程中，对该情形进行模拟，在温度、车轮作用次数不同等试验条件下，通过观察沥青混合料试板表面的冰层的厚度以及结冰的碎裂尺寸等表面状况，来定性评价橡胶颗粒沥青路面的破冰效果。

冬季路面结冰易造成汽车刹车失灵、方向失控，究其原因是由于路面抗滑能力降低，汽车轮胎与路面的附着力不足造成的，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。故在本研究中根据STAP 试验仪器的工作原理，采用STAP 试验仪的BPN 值（摆值）以及摆值的衰减量（ΔBPN），对橡胶颗粒沥青混合料试板的抗滑性能进行研究，根据试验数据的变化，对橡胶颗粒破冰试验的试验效果进行定量评价。

2.2 破冰试验方法

本试验所采用的沥青为昆仑-90# 石油沥青，其基本指标满足规范（JTG F40——2004）的技术要求。采用的橡胶颗粒为山西某橡胶颗粒厂生产，参考《北京市废胎胶粉沥青及混合料设计施工技术指南》[4]（下称指南）对橡胶粉的定义，采用20 目及40 目的粗颗粒橡胶，且其化学指标满足指南的规定。考虑到路面上面层破冰，故在本研究中采用密级配，以期达到最佳的试验效果，沥青混合料采用AC-13 型级配，橡胶颗粒掺量范围定为0～4%，试验温度根据实际情况，控制在-2℃～-8℃之间。试验步骤如下：

1）制作混合料车辙板。根据平行试验的方法，共制作试板2 （橡胶颗粒规格）*3 （橡胶颗粒含量）*3（温度）*3（平行试件数目）+1（普通沥青）*3（温度）*3（平行试件数目）＝63 块试板。

2）制作结冰试板。将按照配合比制作好的不同橡胶颗粒掺量的车辙板，放入试验箱内，调节至恒定温度后，向试板表面均匀喷射60g 的水，并且碾压15min，待其完全结冰。

3）将（2）中20 目橡胶颗粒含量为2%的混合料试板放入STAP 试验箱中，将仪器的温度设置为-2℃的恒温，根据车辙试验的试验方法，将结冰试板碾压20 分钟后，测定试板的摆值（BPN）。重复该试验3 次，取其均值，并观察试板表面的碎冰的分布情况及裂缝的大小。

4）依据（3）的试验方法，将橡胶颗粒含量为3%和4%的试板分别进行试验。

5）重复（3）、（4）的试验方法，将（2）中制作好的试板，分别在-5℃及-8℃的试验温度下，进行车辙碾压试验以及摆值测定试验，做好试验的定性观察并及时记录试验数据

6）依据（3）～(5)的试验方法，分别进行40 目橡胶颗粒以及普通沥青混合料试板的试验，至试验全部完成，进行数据分析。

图1.1 试验仪器

3 破冰试验结果分析

3.1 橡胶颗粒掺量对破冰效果的影响研究

本试验在恒定温度的情况下，对同一规格的橡胶颗粒制作而成的含量不同的混合料结冰试板进行试验，研究橡胶颗粒掺量对沥青混合料破冰效果的影响。试验温度采用-2℃，选用的沥青颗粒粒径为20 目，橡胶颗粒掺量分别为0%（普通沥青混合料）、2%、3%、4%。试验过程中，在相同的碾压次数下，橡胶颗粒掺量为0%的混合料试板表面的冰层无明显的变化，肉眼难以观察到裂缝存在。但是掺入了橡胶颗粒的结冰试板，能够明显的观察到试板表面的冰层的变化，冰层表面出现了大小粗细不同的裂缝，以20 目的橡胶颗粒沥青混合料而言，随着橡胶颗粒含量的增加，裂纹越多越粗。当橡胶颗粒的含量达到4%时，试板表面的冰层裂纹不但明显，而且出现冰层剥离现象。通过以上试验，可以看出橡胶颗粒掺量越大的试板出现的冰层裂纹越多，破冰效果越好。图2.1 反映的是不同掺量的试板的试验效果的对比。

图2.1 试验效果图

图2.2 橡胶颗粒含量对BPN 及ΔBPN 的影响

图①反映的是在试验过程中，随着试板橡胶颗粒含量的不同，其试验结果摆值（BPN）的变化情况。通过上图可以得出，随着荷载作用次数的增加，橡胶颗粒的掺量越多，BPN 值的变化越大，也就是说混合料的抗滑性能越大，故破冰性能越好。通过图②可以看出，在相同轮碾次数下，随着橡胶颗粒含量越大，ΔBPN 的变化量越大，也就是说抗滑系数变化越大，抗滑性能越高，破冰效果越明显。

这是因为混合料试板掺入橡胶颗粒后，由于橡胶颗粒的高弹性，使得试板的回弹性等到了增强，在试验仪器的轮碾作用下，混合料试板较强的回弹作用使得试板表面的结冰被挤碎，从而增加了混合料试板的抗滑性能，试验数据中表现为BPN 的明显增加。橡胶颗粒掺量越多，试板的回弹作用越明显，破冰效果越好。根据邓诚意等人的研究（不同橡胶颗粒掺量对沥青混合料路用性能的影响），掺入太多的橡胶颗粒会对混合料原有的结构造成影响，使混合料产生松散现象，反而降低了混合料的路用性能，因此适宜的掺量才能更有效达到到路用性能与破冰性能的平衡。

3.2 橡胶颗粒粒径对破冰效果影响研究

本试验在恒定温度的情况下，对同一掺量不同粒径的橡胶颗粒沥青混合料制成的混合料试板进行试验，研究橡胶颗粒粒径对沥青混合料破冰效果的影响。试验温度采用-2℃，选用的橡胶颗粒掺量为3%，沥青颗粒粒径为20 目、40 目。本次试验数据结果如图2.3 所示。

图2.3 不同粒径对BPN 及ΔBPN 的影响

图①反映的是在破冰过程中，两种不同粒径的橡胶颗粒混合料试板BPN 值的变化情况。图中结果显示，随着掺入橡胶颗粒的混合料试板经受的轮碾次数增多，其摆值（BPN）均有明显的变化，在荷载作用次数一定的情况下，掺有较大粒径的橡胶颗粒的沥青混合料试板的摆值要大于掺有40 目橡胶颗粒混合料试板的BPN 值，而图②中的试验结果也显示掺有20 目橡胶颗粒的沥青混合料的BPN 衰减量要高于40 目的橡胶颗粒沥青混合料，即20 目的橡胶颗粒的破冰能力要优于40 目。当荷载作用次数一定时，掺入的橡胶颗粒的粒径越大，沥青混合料的破冰性能越强。

3.3 试验温度对破冰效果的影响研究

环境温度对掺有橡胶颗粒的沥青混合料的破冰性能的影响。橡胶颗粒的规格采用20 目，掺量取3%，试验温度为-2℃～-8℃。通过对试验过程的观察可以发现，环境温度越高，试板表面的冰层越容易破坏，试板表面的冰面的裂痕越多，且破坏程度越大。随着试验温度的降低，冰面出现裂痕的时间越长，并且破坏程度降低，而当温度继续降低至-8℃时，试板表层的冰面几乎无破坏现象的发生。（见图③④）

图2.4 温度对BPN 及ΔBPN 的影响

图①和图②表示的是在不同试验温度下，沥青混合料试板的BPN 值及其回升量ΔBPN 随轮碾次数变化情况。从图中可以看出，在相同的试验温度下，随着轮碾次数的增加，BPN 值越大，BPN 的变化值也越大。在荷载作用次数一定的情况下，试验环境温度越高，摆值越大，抗滑性能越好，即破冰效果越明显。而环境温度降低至-8℃时，掺有橡胶颗粒的沥青混合料试板与普通沥青混合料试板的（BPN）值变化已没有明显的差别，也就是说其已经逐渐失去其破冰的能力。因为，试验温度较低时，冰的弹性性能较好，冰体结构内部的原子位置较为稳固，不易受到破坏而发生变形。而环境温度较高时，冰的塑性性能较好，结构内部的原子位置容易发生变位，因此容易受到破坏[5]。

综上所述，相比与普通沥青混合料，橡胶颗粒沥青混合料的破冰性能较好。在试验温度一定的情况下，混合料中橡胶颗粒掺量越多，粒径越大，破冰性能越好，温度越高，破冰效果越明显。在考虑橡胶颗粒沥青混合料实际的路用性能和经济性条件下，选择合适粒径和掺量的橡胶颗粒加入沥青混合料中，才能达到最佳的效果。

4 结论

本文主要进行了掺有橡胶颗粒的沥青混合料的破冰试验研究。通过本文的试验表明，在一定的范围内，掺有橡胶颗粒的沥青混合料对破冰有明显的效果。主要的结论如下：

1）在满足沥青混合料路用性能的范围内，同一规格的橡胶颗粒在沥青混合料中的掺量越大，破冰效果越明显。并且橡胶颗粒的粒径越大，其破冰性能越好。

2）在（-2℃～-8℃）温度范围内，掺有橡胶颗粒的沥青混合料具有较好的破冰性能，温度≥-2℃时，破冰效果最明显，当温度＜-8℃，破冰效果不明显，即温度过低时，掺有橡胶颗粒的沥青混合料将逐渐失去其破冰效果。