橡胶颗粒沥青路面的除冰研究进展

2018-03-28肖慧胜

四川水泥 2018年6期

肖慧胜

（重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074）

0 引言

我国疆域辽阔，有大量公路位于寒冷地区，特别是在进入冬季后，我国北方和高海拔、高纬度地区的室外温度经常处于 0度以下，传统路面在降雨或降雪后很快就会因为低温而结冰，导致路面湿滑，给行车和人员造成了巨大的安全隐患，每年因路面结冰造成的车祸也不胜枚举，为清除路面积冰，传统的方法就是在路面撒融雪剂，但融雪剂的过度使用会造成环境污染。尔后出现了红外除冰雪、发热电缆除冰雪等方法，但因为造价高昂，只能在高速公路收费站等小范围内使用，后来研究人员发现在沥青混凝土中加入橡胶颗粒可以使路面有较好的破冰能力，因此大量的科研人员其进行研究，本文他们的研究进行了总结和阐述。

1 力学模型

因为橡胶沥青混合料是一种新型的路面材料，要想了解其性能就得先对其建立力学模型，目前已有不少研究人员对其进行了研究，根据陈渊召的研究，建立了多步骤均匀化方法，然后将沥青混合料看作由多种不同尺寸和含量的集料、空隙以及基质沥青组成的多相复合材料。因此建立了夹层复合材料两层嵌入式模型和多步骤多相细观力学模型，研究表明该细观力学模型是可靠的和有效的，可以用于评估低温下的橡胶颗粒沥青混合料的力学和除冰性能。

2 力学性能

2.1 弹性模量

李振霞通过调整橡胶沥青混合料中的橡胶颗粒的掺量（1%-3%）发现橡胶沥青混合料的弹性模量会随着橡胶颗粒的掺量的增加而降低，在保持橡胶颗粒掺量不变的情况下改变沥青胶浆的类型，发现混合料的弹性模量会随着胶浆模量的增加而增加。在保持其他掺量不变的情况下，采用不同弹性模量的橡胶颗粒时混合料的弹性模量的变化并不大。在其他量都不变的情况下混合料的模量会随着温度的降低而变大。

2.2 低温性能

因为橡胶沥青混凝土主要用来除冰，所以研究其在低温下的性能是至关重要的.橡胶颗粒沥青混凝土主要是以溶胀反应为主，即橡胶颗粒掺入沥青中后会与基质沥青发生溶胀反应，形成相互粘连的网状结构。基质沥青会由均质体变成橡胶颗粒和沥青构成的连续混合结构，该网络结构具有良好的低温性能。研究也发现随着橡胶颗粒掺量的增加，橡胶颗粒沥青混合料的低温性能随之提高，但当掺量超过20%后其低温性能就没有了明显的提升。根据]Liu J的研究发现轻质沥青的含量越大，橡胶沥青混合料的低温性能就越好。通过受限试件应力试验对橡胶颗粒沥青混合料和基质沥青的低温开裂温度进行了测定，结果显示其开裂温度分别为-38.9度和-22.3度，该实验表明橡胶颗粒沥青混合料具有优异的低温抗裂能力。

3 除冰机理

3.1 基于断裂力学的橡胶颗粒沥青路面除冰

姚莉莉的研究表明，位于轮胎下方区域的冰层的受力以受剪为主，最大剪应力出现在轮胎下方区域的边缘处，在双轮之间靠近轮侧局部会出现最大拉应力，所以可以认为两车轮间靠近轮侧区域同时受到拉应力剪应力的作用，该处冰层的破坏主要由复合型裂纹失稳所致的。周纯秀认为，在车辆荷载的作用下，当橡胶颗粒沥青路面表面的冰层的拉应变或剪应变超过了其极限应变后，冰层就会发生断裂，室内试验显示路面冰层首先会出现辐射状裂纹，在反复受荷后裂纹会进一步发展直至出现明显的破坏。

3.2 橡胶颗粒沥青路面抑制路面结冰机理

谭忆秋等采用有限元进行了数值分析后，认为橡胶沥青混凝土由于橡胶的存在，使得路面的受力不再均匀，在橡胶颗粒的位置会出现应力集中，最大拉应变和最大剪应变会出现在橡胶颗粒的角隅处，其最大拉应变会达到极限拉应变的1.27倍，最大剪应变会达到极限剪应变的1.75倍，远远超过了冰的极限应变，所以橡胶颗粒沥青混合料拥有较强的破冰能力。

3.3 基于冰层疲劳破坏的除冰机理

橡胶沥青混凝土路面上的冰层，在经受路面车辆荷载的反复作用后，路面冰层的变形不断积累变大，直至达到其极限应变，然后发生疲劳破坏。同时由于混合料中存在橡胶颗粒，橡胶颗粒受到车辆荷载后的变形比沥青混凝土大，橡胶颗粒就会与周边的基质产生摩擦，产生热量导致路面升温，从而起到除冰的效果。

4 影响橡胶颗粒沥青混合料除冰效果的因素

4.1 路面的回弹模量

研究发现在室外温度相同的条件下，橡胶沥青混凝土路面的弹性模量越小其破冰厚度就越大，例如，在室外温度为0度时，当弹性模量为2400Mpa时其除冰厚度为4mm,当弹性模量为2200Mpa时其除冰厚度为6mm。陈渊召等人的研究还发现橡胶颗粒弹性模量的变化对混合料的影响并不大，当橡胶模量提高时，混合料的模量变化并不明显，而石料的模量的变化对混合料的模量的影响较大，这是应为橡胶的模量与石料相比有较大差距。橡胶颗粒的用量对路面的模量的影响是较大的，研究发现橡胶颗粒的弹性模量分布在10-100Mpa之间,当橡胶颗粒的用量增加时，混合料的模量就会减少。当橡胶颗粒的含量分别为2%、4%、6%时，试验显示橡胶颗粒含量越高的混合料其除冰能力越强。

4.2 外界环境温度

研究发现冰的抗压强度随着温度的降低而随之增大，在-35度时会出现抗压强度极值，而后温度再继续降低时，其抗压强度不再增加，反而会呈下降趋势。根据周纯秀的研究，也显示温度对橡胶沥青混凝土的除冰效果影响较大，当温度降低时，橡胶沥青混合料的除冰能力会明显减弱。

4.3 冰层厚度

有研究显示，冰层厚度对橡胶沥青混合料的除冰能力也有较大影响。冰层的厚度越厚，其抗破损的能力也就越强，当冰层厚度小于4mm时，冰层的破坏面积较大，当冰层厚度达到6mm时，冰层破坏面积较小，只会出现少量裂纹，当冰层厚度达到10mm后，冰层几乎不会破坏。

4.4 路面层的厚度

根据材料力学公式知当路面厚度越大时，其形变量也就越大，而路面上的冰层属于脆性材料，其变形量要小于路面，所以在一定范围内，路面厚度越大其除冰能力也就越强。试验显示当路面层厚底从4cm增加到6cm时，其除冰率分别增加了5%和9%。因此路面层的铺筑厚度对其除冰能力也有较大的影响。