自融雪橡膠顆粒瀝青路面性能研究

王洪雨

(保定市交通運輸局高碑店市養路工區 保定市 074000)

※基金項目：保定市科技支撐計劃項目(17ZG005)

0 引言

我國北方地區冬季道路冰雪普遍存在，對道路交通安全構成嚴重威脅。傳統的道路除冰技術包括融雪劑除雪和外力除雪等，但普通融雪劑會造成沿線土壤酸化并環境污染[1]。人工除冰、微波除冰、機械除冰效率低，各項運行費用較高，熱除冰能耗高成本高。因此，特別迫切需要設計一種具有防滑、降噪、自動融雪功能的瀝青路面[2]。近年來，主動抑制冰雪技術逐漸受到研究者的青睞[3]。目前，主動抑制技術是通過在瀝青路面上鋪設氯鹽涂料或混合融雪涂料來實現主動除冰[4-5]。美國DOT公司20世紀80年代提出了一種氯鹽涂料，其主要成分是醋酸鈣鎂[3]。羅伯特等人通過向氯化物中添加碳水化合物和磷酸鹽，制備了一種混合融雪涂料[3]。但是這些路面自融雪涂層的造價一般較高，很難大范圍推廣。橡膠瀝青混合料技術在廢舊輪胎回收利用方面效果顯著，對環境的再污染小[6]。但是，利用橡膠顆粒替代部分瀝青混合料集料，用于路面除雪融冰的研究還不多見。根據國內外研究現狀，以瀝青混合料為集料，摻入橡膠顆粒，設計了一種利用汽車重力荷載的自融雪瀝青路面，并在此基礎上提出了自融雪橡膠顆粒瀝青路面除冰雪評價方法。

1 融冰雪原理

汽車重力荷載的自融雪瀝青路面技術是在路面材料中加入一定量的彈性顆粒材料，從而改變路面與輪胎的接觸狀態和路面的變形特性。圖1為路用廢舊輪胎橡膠顆粒。利用彈性材料的強局部變形能力，利用路面在外荷載作用下的自應力使冰雪破碎融化，從而達到主動抑制路面結冰的效果。本文中的彈性材料選用廢輪胎加工的橡膠顆粒，能有效地提高路面的安全性、運行效率和除雪能力。

圖1 路用廢舊輪胎橡膠顆粒

2 自融雪橡膠顆粒瀝青混合料制備

對于瀝青混合料的設計方法，國內外已經進行了大量研究，但是對自融雪橡膠顆粒瀝青混合料配合比設計方法的研究相對較少。鑒于各地復雜的氣候環境和交通載荷差異性，直接照搬國外的設計方法是不可行的。因此，探索橡膠顆粒、瀝青和集料的作用機理，提高混合料的粘附力具有重要意義。為了提高耐久性，本設計采用密實骨架結構和間斷級配。選用的粗集料為5～10mm、10～20mm兩種粒徑的玄武巖，密度為2.995g/cm3；橡膠顆粒的粒徑為0.4～2.4mm，密度為1.125g/cm3；采用0～3mm機制砂，密度為3.009g/cm3；粘結料采用改性瀝青，密度為1.012g/cm3。對于兩種不同粒徑的玄武巖粗集料，利用馬歇爾試驗測定不同比例下的緊裝空隙率，共設置了五種比例3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3。試驗結果表明，當5～10mm、10～20mm兩種粒徑的玄武巖質量比為7∶3時，緊裝密度達到1.88g/cm3，此時主骨料空隙率最小，緊裝空隙率為38.2%。自融雪橡膠顆粒瀝青混合料配合比為：礦粉10%，橡膠顆粒含量4%，粗集料的最佳含量為79%，細集料含量為7%，級配曲線見圖2。

圖2 改性瀝青混合料級配曲線

油石比(%)5.96.26.56.87.0毛體積相對密度2.4272.4382.4412.4552.468最大理論相對密度2.672.652.632.622.60穩定度(kN)6.457.547.596.876.78流值(0.1mm)3633272725空隙率(%)6.515.594.684.433.62瀝青飽和度(%)60.663.466.169.472.1飛散損失(%)12.1510.218.276.813.90析漏損失(%)0.140.200.270.350.49

在此基礎上設計了5.9%、6.2%、6.5%、6.8%、7.0%五種不同油石比，分別對其進行馬歇爾試驗，試驗結果見表1。根據馬歇爾試驗結果及相關設計參數，確定自融雪橡膠顆粒瀝青混合料最佳油石比為6.5%。拌和溫度會影響橡膠顆粒的表面碳化和瀝青與橡膠顆粒的粘結性能。因此，為了提高混合料的混合效果，改性瀝青的拌和溫度應為170℃左右，基質瀝青的加熱溫度應該在160℃左右，石料的加熱溫度應不低于185℃。由于橡膠顆粒高自粘性和相互凝聚性，拌和過程很容易分離和聚集難以均勻混合。拌和過程材料的放置順序為：粗細集料、橡膠顆粒、改性瀝青、礦粉。橡膠顆粒和粗細集料的拌和時間控制在32～40s?；旌狭铣鰪S溫度控制在170～185℃，攤鋪溫度為160℃左右，碾壓溫度控制在90～150℃。

3 瀝青路面融冰雪性能分析

為了測試橡膠顆粒瀝青路面的實際性能，結合實際工程對融冰雪性能進行了研究。試驗路段位于保定市高碑店G107段，總長100m。目前，還沒有國家或者行業標準對融雪效果進行評估。根據當地實際情況，提出了一種融雪評價方法。路表冰雪層在往復車輛載荷作用下的表觀特征為開裂、破碎和剝離。因此，橡膠顆粒瀝青混合料的除冰效果可以通過路表冰雪破碎程度來評價。破碎率計算式為：

(1)

式中：CA—開裂的總面積，cm2；

L—最大裂紋長度，cm；

λ—折算系數，取0.3；

A—測試區域總面積，cm2。

為了模擬降雪和降雨對路面融雪除冰性能的影響，在試驗路段選取5個試驗區，每個試驗區面積為1m2，為了保證車輛載荷的一致性，試驗區盡量設置在同一條直線上，相鄰兩個區域間隔5m。在室外-10℃溫度下，測定加水量為400mL、550mL、700mL、850mL、1000mL時的破碎率，結果見圖3。

圖3 加水量對破碎率的影響

從圖3可以看出，破碎率隨加水量的增加而降低。當加水量小于700mL時，破碎率受加水量的影響較大。當加水量超過700mL時，破碎率受加水量影響較小，說明降雪量越大，融雪效果越差。為了研究溫度對橡膠顆粒瀝青混合料融雪性能的影響，在試驗路段設置1個1m2試驗區，在1～3月份中選取3個車流量基本相等的典型日進行測試，每次測試時間為6h，每次的加水量均為550mL，三日的環境溫度分別為-15℃、-10℃與-5℃，試驗結果見圖4。

圖4 溫度對破碎率的影響

從圖4可以發現，其他條件保持不變，破碎率隨著溫度的升高而增加。溫度升高，可加大水的析出速率。橡膠顆粒瀝青路面具有持續融冰功能。但是當溫度較低時，融雪效果較差，此時應積極配合融雪劑和人工除雪，確保交通安全和道路暢通。

4 結論

針對融雪除冰方法存在的問題，結合國內外的研究現狀，提出了一種自融雪橡膠顆粒瀝青路面，并對其開展試驗研究。研究表明：

(1)自融雪橡膠顆粒瀝青混合料配合比為：礦粉10%，橡膠顆粒4%，油石比6.5%，粗集料79%，細集料7%。

(2)橡膠顆粒和粗細集料的拌和時間控制在32～40s?；旌狭铣鰪S溫度控制在170～185℃，攤鋪溫度為160℃左右，碾壓溫度控制在90～150℃。

(3)融冰雪效果受降水量和溫度的影響較大，當溫度低于-10℃時，應積極配合融雪劑和人工除雪，確保交通安全和道路暢通。