橡膠顆粒瀝青路面的除冰研究進展

肖慧勝

（重慶交通大學 土木工程學院， 重慶 400074）

0 引言

我國疆域遼闊，有大量公路位于寒冷地區，特別是在進入冬季后，我國北方和高海拔、高緯度地區的室外溫度經常處于 0度以下，傳統路面在降雨或降雪后很快就會因為低溫而結冰，導致路面濕滑，給行車和人員造成了巨大的安全隱患，每年因路面結冰造成的車禍也不勝枚舉，為清除路面積冰，傳統的方法就是在路面撒融雪劑，但融雪劑的過度使用會造成環境污染。爾后出現了紅外除冰雪、發熱電纜除冰雪等方法，但因為造價高昂，只能在高速公路收費站等小范圍內使用，后來研究人員發現在瀝青混凝土中加入橡膠顆粒可以使路面有較好的破冰能力，因此大量的科研人員其進行研究，本文他們的研究進行了總結和闡述。

1 力學模型

因為橡膠瀝青混合料是一種新型的路面材料，要想了解其性能就得先對其建立力學模型，目前已有不少研究人員對其進行了研究，根據陳淵召的研究，建立了多步驟均勻化方法，然后將瀝青混合料看作由多種不同尺寸和含量的集料、空隙以及基質瀝青組成的多相復合材料。因此建立了夾層復合材料兩層嵌入式模型和多步驟多相細觀力學模型，研究表明該細觀力學模型是可靠的和有效的，可以用于評估低溫下的橡膠顆粒瀝青混合料的力學和除冰性能。

2 力學性能

2.1 彈性模量

李振霞通過調整橡膠瀝青混合料中的橡膠顆粒的摻量（1%-3%）發現橡膠瀝青混合料的彈性模量會隨著橡膠顆粒的摻量的增加而降低，在保持橡膠顆粒摻量不變的情況下改變瀝青膠漿的類型，發現混合料的彈性模量會隨著膠漿模量的增加而增加。在保持其他摻量不變的情況下，采用不同彈性模量的橡膠顆粒時混合料的彈性模量的變化并不大。在其他量都不變的情況下混合料的模量會隨著溫度的降低而變大。

2.2 低溫性能

因為橡膠瀝青混凝土主要用來除冰，所以研究其在低溫下的性能是至關重要的.橡膠顆粒瀝青混凝土主要是以溶脹反應為主，即橡膠顆粒摻入瀝青中后會與基質瀝青發生溶脹反應，形成相互粘連的網狀結構。基質瀝青會由均質體變成橡膠顆粒和瀝青構成的連續混合結構，該網絡結構具有良好的低溫性能。研究也發現隨著橡膠顆粒摻量的增加，橡膠顆粒瀝青混合料的低溫性能隨之提高，但當摻量超過20%后其低溫性能就沒有了明顯的提升。根據]Liu J的研究發現輕質瀝青的含量越大，橡膠瀝青混合料的低溫性能就越好。通過受限試件應力試驗對橡膠顆粒瀝青混合料和基質瀝青的低溫開裂溫度進行了測定，結果顯示其開裂溫度分別為-38.9度和-22.3度，該實驗表明橡膠顆粒瀝青混合料具有優異的低溫抗裂能力。

3 除冰機理

3.1 基于斷裂力學的橡膠顆粒瀝青路面除冰

姚莉莉的研究表明，位于輪胎下方區域的冰層的受力以受剪為主，最大剪應力出現在輪胎下方區域的邊緣處，在雙輪之間靠近輪側局部會出現最大拉應力，所以可以認為兩車輪間靠近輪側區域同時受到拉應力剪應力的作用，該處冰層的破壞主要由復合型裂紋失穩所致的。周純秀認為，在車輛荷載的作用下，當橡膠顆粒瀝青路面表面的冰層的拉應變或剪應變超過了其極限應變后，冰層就會發生斷裂，室內試驗顯示路面冰層首先會出現輻射狀裂紋，在反復受荷后裂紋會進一步發展直至出現明顯的破壞。

3.2 橡膠顆粒瀝青路面抑制路面結冰機理

譚憶秋等采用有限元進行了數值分析后，認為橡膠瀝青混凝土由于橡膠的存在，使得路面的受力不再均勻，在橡膠顆粒的位置會出現應力集中，最大拉應變和最大剪應變會出現在橡膠顆粒的角隅處，其最大拉應變會達到極限拉應變的1.27倍，最大剪應變會達到極限剪應變的1.75倍，遠遠超過了冰的極限應變，所以橡膠顆粒瀝青混合料擁有較強的破冰能力。

3.3 基于冰層疲勞破壞的除冰機理

橡膠瀝青混凝土路面上的冰層，在經受路面車輛荷載的反復作用后，路面冰層的變形不斷積累變大，直至達到其極限應變，然后發生疲勞破壞。同時由于混合料中存在橡膠顆粒，橡膠顆粒受到車輛荷載后的變形比瀝青混凝土大，橡膠顆粒就會與周邊的基質產生摩擦，產生熱量導致路面升溫，從而起到除冰的效果。

4 影響橡膠顆粒瀝青混合料除冰效果的因素

4.1 路面的回彈模量

研究發現在室外溫度相同的條件下，橡膠瀝青混凝土路面的彈性模量越小其破冰厚度就越大，例如，在室外溫度為0度時，當彈性模量為2400Mpa時其除冰厚度為4mm,當彈性模量為2200Mpa時其除冰厚度為6mm。陳淵召等人的研究還發現橡膠顆粒彈性模量的變化對混合料的影響并不大，當橡膠模量提高時，混合料的模量變化并不明顯，而石料的模量的變化對混合料的模量的影響較大，這是應為橡膠的模量與石料相比有較大差距。橡膠顆粒的用量對路面的模量的影響是較大的，研究發現橡膠顆粒的彈性模量分布在10-100Mpa之間,當橡膠顆粒的用量增加時，混合料的模量就會減少。當橡膠顆粒的含量分別為2%、4%、6%時，試驗顯示橡膠顆粒含量越高的混合料其除冰能力越強。

4.2 外界環境溫度

研究發現冰的抗壓強度隨著溫度的降低而隨之增大，在-35度時會出現抗壓強度極值，而后溫度再繼續降低時，其抗壓強度不再增加，反而會呈下降趨勢。根據周純秀的研究，也顯示溫度對橡膠瀝青混凝土的除冰效果影響較大，當溫度降低時，橡膠瀝青混合料的除冰能力會明顯減弱。

4.3 冰層厚度

有研究顯示，冰層厚度對橡膠瀝青混合料的除冰能力也有較大影響。冰層的厚度越厚，其抗破損的能力也就越強，當冰層厚度小于4mm時，冰層的破壞面積較大，當冰層厚度達到6mm時，冰層破壞面積較小，只會出現少量裂紋，當冰層厚度達到10mm后，冰層幾乎不會破壞。

4.4 路面層的厚度

根據材料力學公式知當路面厚度越大時，其形變量也就越大，而路面上的冰層屬于脆性材料，其變形量要小于路面，所以在一定范圍內，路面厚度越大其除冰能力也就越強。試驗顯示當路面層厚底從4cm增加到6cm時，其除冰率分別增加了5%和9%。因此路面層的鋪筑厚度對其除冰能力也有較大的影響。

5 結論

5.1 從當前的研究來看，橡膠瀝青混合料的力學性能，低溫性能要優于普通瀝青混凝土。

5.2 目前的對橡膠瀝青的除冰機理，認為冰層的破壞是應為其最大拉應變與最大剪應變超過了其極限應變。

5.3 影響橡膠瀝青混凝土除冰效果的因素有路面的回彈模量、外界環境溫度、冰層的厚度、路面層的厚度、橡膠顆粒的摻量。回彈模量越小除冰效果越好，外界環境溫度越高除冰效果越好，路面層厚度越大除冰效果越好，橡膠顆粒摻量越大除冰效果越好。

[1]陳淵召，基于復合材料的橡膠瀝青混合料彈性模量預測，中南大學學報2013,第 44 卷

[2]李振霞，橡膠瀝青混合料彈性模量的預測，湖南大學學報 2013，第44卷

[3]陳俊青，基于低溫性能的橡膠瀝青混凝土路面應用技術，長安大學學報，2013，第9卷

[4]姚莉莉，橡膠顆粒彈性除冰路面關鍵技術研究[D]，長安大學學報，2012，第16卷

[5]周純秀，橡膠顆粒路面抑制冰雪技術，哈爾冰工業大學學報，2015，第23卷。

[6]陳淵召，橡膠顆粒瀝青路面的除冰機理，中南大學學報，2013，第三卷

[7]譚憶秋，橡膠顆粒路面抑制冰雪技術，哈爾冰工業大學學報，2005，第18卷

[8]孫寶峰，橡膠顆粒除冰雪瀝青混合料設計，長安大學學報，2011，第36卷