橡胶－碳纤维高弹改性沥青混凝土自破冰试验特性研究

刘 俊，匡希龙，肖林哲，吴 刚，王 丹

(1.潇湘职业学院城建学院，湖南 娄底 417000; 2.长沙学院土木建筑工程系，湖南 长沙 410003)

目前最常用的除冰雪方法有被动型的撒布氯盐类融雪剂及机械除冰雪法、主动的发热电缆法、电热管法和电热丝法、橡胶颗粒填充料法、喷洒防冻剂法等。撒布融雪剂的除雪化冰方法操作简单，短时间内效果明显，但大量融雪剂的使用会对沿途结构物特别是混凝土结构和钢结构造成严重腐蚀破坏，并且造成土壤、水源等污染［1～4］，氯盐融雪剂对混凝土和钢筋最具腐蚀性［5，6］，而机械除冰雪方法每年都需要投入大量人力、物力，且效率低、除冰不彻底。发热电缆加热法、地热管法、电热丝法这3 种方法均属于路面内部除冰雪技术［7～9］，其共性是融冰雪速度快、安全环保，但其能耗大、费用高、工艺复杂，而且此项技术的应用对路面材料、结构和施工都有特殊要求，其后期维修养护需要开挖路面，因此适用范围相对较窄。可见，到目前为止，路面除冰雪技术仍然处于探索、完善、研发阶段。本文将橡胶颗粒以骨料的形式直接添加于沥青混合料中而形成新型的沥青混合料，并掺入少量碳纤维起加筋效应，研究路面挠曲变形性能及橡胶沥青混合料产生的弯拉和回弹应力特性，进而考察路面拥有自主破碎冰层的潜能。

1 实验过程及实验数据

1.1 实验方案

为了确定试验方案的主要影响因素，有效指导室内试验的进行，将通过单因素变化的方式对设计方案的各影响因素进行比较分析。本文主要对比分析试块的静弹性模量、动弹性模量、变形量及破冰效果。试件尺寸为300 mm×300 mm×50 mm，冰层厚度为5 mm。实验编组如表1所示。

表1 实验方案及掺入料组成成分

1.2 实验过程

1.2.1 原材料特性

本论文使用的70 号沥青及矿粉的技术指标按相关实验规程进行，本文重点介绍在实验过程中需掺入的碳纤维、橡胶颗粒等原材料的技术特性。

1)碳纤维。

碳纤维对沥青混凝土具有良好的加筋、增强作用，本文所用碳纤维为其单丝，主要性能如表2。

表2 碳纤维单丝主要性能

2)橡胶颗粒。

本文使用的破冰材料主要是橡胶颗粒，分大橡胶颗粒和小橡胶颗粒。其中，大橡胶直径主要在2.3 mm 左右，小橡胶颗粒直径主要在1 mm 左右。筛分结果如表3。

表3 橡胶颗粒筛分结果

1.2.2 实验过程

采用HB－10 型全自动混合料搅拌机拌和沥青混合料。170 ℃集料与160 ℃液态沥青先在170 ℃搅拌锅内搅拌90 s，再掺入矿粉搅拌90 s。当掺加纤维加筋材料后，需先与石料拌合90 s 使之充分分散，当加入橡胶颗粒时因为橡胶颗粒极易受热融化变形，橡胶颗粒在最后加入并一起搅拌90 s。成型后的试件如图1所示。试件尺寸:300 mm×300 mm×50 mm。

图1 试件成型

将每一种试验工况制作的6 个试块分成3 组，第1 组进行静态弹性模量实验(图2)，第2 组进行动态弹性模量实验(图3)，第3 组先冰冻并在其表面产生5 mm 厚的冰层，然后进行破冰实验(图4)。破冰试验温度－10 ℃，试验荷载面积2 mm ×15 mm，均布荷载为0.2 kN/s，加载到30 kN。

图2 静弹性模量实验

图3 动弹性模量实验

图4 试件破冰实验

1.3 实验数据

整个实验从2013年6月开始直至2014年6月结束，获得了大量的数据。现将实验数据汇总如表4及曲线图5、图6所示。

表4 实验数据

图5 几种组合的静、动弹性模量结果比较

图6 几种组合最大变形量结果比较

2 实验结果分析

1)从上述实验数据可知，普通沥青混凝土及橡胶碳纤维改性沥青混凝土的动弹性模量均比静弹性模量略大，且变化规律呈现出非线性，这与荷载作用的状态及持续时间有关。

2)从 2#、3#、4#组及 5#、6#、7#组试块对比分析发现，橡胶颗粒对沥青混凝土的弹性模量影响很大。同普通沥青混凝土相比，后者的弹性模量最大递减量超过300 MPa，导致最大变形量超过7 倍。而且，随橡胶颗粒含量及尺寸的递增，弹性模量随着降低，破冰效果越好。但是，试件压后的恢复效果比较差，即塑性破坏明显;而且，大颗粒橡胶的影响比小颗粒橡胶影响更大。进一步对比8#、9#、10#组及11#、12#、13#组试块，与上述规律基本一致。说明小颗粒橡胶易于压实，整体性好。

3)从曲线图5、图6分析可知，橡胶颗粒含量从15%增加到30%，曲线变化平稳，而从30%增加到50%时，曲线变化明显，即试块的弹性模量明显减小，弹性变形及塑性变形明显增加，尤其是未添加碳纤维的试块表现得更加显著。说明橡胶颗粒的最佳含量在30%以内，且小颗粒优于大颗粒，添加碳纤维能有效抑制塑性变形。

4)从实验现象分析可知，加入碳纤维和橡胶材料的混凝土比单纯加入橡胶的破冰效果略差，但是反弹恢复要好;而且，碳纤维与小橡胶组合比碳纤维与大橡胶组合恢复效果更好。试件在受压后，石子会发生位移，而橡胶颗粒发生位移和压缩形变。在没有加入碳纤维的状态下，橡胶颗粒与石子可视为散体，压缩变形较大，反弹效果较差;而加入碳纤维后，碳纤维将橡胶颗粒与石子包裹在一起并连成一个整体(如图7所示)，改变了内部结构，充分发挥了碳纤维的“加筋”作用及高弹性模量的特点，从而抑制沥青混凝土的侧向变形。

图7 橡胶－碳纤维高弹改性沥青混凝土内部结构

5)从破冰效果实验的过程中可以看出，在荷载的外侧边缘出现碎裂，裂缝扩展后，冰层易于从铺装层上脱离，并产生了一定的相对位移，表面出现微小的凹凸不平现象，如图8。试验结果初步证明，橡胶－碳纤维高弹改性沥青混凝土自破冰路面设计方案可行;而且弹性层采用废旧轮胎生产的橡胶颗粒也适应绿色环保、节能的社会趋势与要求。

图8 试件破冰效果

3 结论

本文提出了一种橡胶－碳纤维高弹改性沥青混凝土自破冰路面的新技术，且方案可行。运用多组对比实验分析的方法得出:①橡胶－碳纤维高弹改性沥青混凝土的弹性模量比普通沥青混凝土小，其弹性变形大。②添加碳纤维能更好的抑制沥青混凝土的塑性变形。③使用小橡胶颗粒，且含量控制在30%以内，破冰效果更好。

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