自融雪橡胶颗粒沥青路面性能研究

王洪雨

(保定市交通运输局高碑店市养路工区 保定市 074000)

※基金项目：保定市科技支撑计划项目(17ZG005)

0 引言

我国北方地区冬季道路冰雪普遍存在，对道路交通安全构成严重威胁。传统的道路除冰技术包括融雪剂除雪和外力除雪等，但普通融雪剂会造成沿线土壤酸化并环境污染[1]。人工除冰、微波除冰、机械除冰效率低，各项运行费用较高，热除冰能耗高成本高。因此，特别迫切需要设计一种具有防滑、降噪、自动融雪功能的沥青路面[2]。近年来，主动抑制冰雪技术逐渐受到研究者的青睐[3]。目前，主动抑制技术是通过在沥青路面上铺设氯盐涂料或混合融雪涂料来实现主动除冰[4-5]。美国DOT公司20世纪80年代提出了一种氯盐涂料，其主要成分是醋酸钙镁[3]。罗伯特等人通过向氯化物中添加碳水化合物和磷酸盐，制备了一种混合融雪涂料[3]。但是这些路面自融雪涂层的造价一般较高，很难大范围推广。橡胶沥青混合料技术在废旧轮胎回收利用方面效果显著，对环境的再污染小[6]。但是，利用橡胶颗粒替代部分沥青混合料集料，用于路面除雪融冰的研究还不多见。根据国内外研究现状，以沥青混合料为集料，掺入橡胶颗粒，设计了一种利用汽车重力荷载的自融雪沥青路面，并在此基础上提出了自融雪橡胶颗粒沥青路面除冰雪评价方法。

1 融冰雪原理

汽车重力荷载的自融雪沥青路面技术是在路面材料中加入一定量的弹性颗粒材料，从而改变路面与轮胎的接触状态和路面的变形特性。图1为路用废旧轮胎橡胶颗粒。利用弹性材料的强局部变形能力，利用路面在外荷载作用下的自应力使冰雪破碎融化，从而达到主动抑制路面结冰的效果。本文中的弹性材料选用废轮胎加工的橡胶颗粒，能有效地提高路面的安全性、运行效率和除雪能力。

图1 路用废旧轮胎橡胶颗粒

2 自融雪橡胶颗粒沥青混合料制备

对于沥青混合料的设计方法，国内外已经进行了大量研究，但是对自融雪橡胶颗粒沥青混合料配合比设计方法的研究相对较少。鉴于各地复杂的气候环境和交通载荷差异性，直接照搬国外的设计方法是不可行的。因此，探索橡胶颗粒、沥青和集料的作用机理，提高混合料的粘附力具有重要意义。为了提高耐久性，本设计采用密实骨架结构和间断级配。选用的粗集料为5～10mm、10～20mm两种粒径的玄武岩，密度为2.995g/cm3；橡胶颗粒的粒径为0.4～2.4mm，密度为1.125g/cm3；采用0～3mm机制砂，密度为3.009g/cm3；粘结料采用改性沥青，密度为1.012g/cm3。对于两种不同粒径的玄武岩粗集料，利用马歇尔试验测定不同比例下的紧装空隙率，共设置了五种比例3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3。试验结果表明，当5～10mm、10～20mm两种粒径的玄武岩质量比为7∶3时，紧装密度达到1.88g/cm3，此时主骨料空隙率最小，紧装空隙率为38.2%。自融雪橡胶颗粒沥青混合料配合比为：矿粉10%，橡胶颗粒含量4%，粗集料的最佳含量为79%，细集料含量为7%，级配曲线见图2。

图2 改性沥青混合料级配曲线

油石比(%)5.96.26.56.87.0毛体积相对密度2.4272.4382.4412.4552.468最大理论相对密度2.672.652.632.622.60稳定度(kN)6.457.547.596.876.78流值(0.1mm)3633272725空隙率(%)6.515.594.684.433.62沥青饱和度(%)60.663.466.169.472.1飞散损失(%)12.1510.218.276.813.90析漏损失(%)0.140.200.270.350.49

在此基础上设计了5.9%、6.2%、6.5%、6.8%、7.0%五种不同油石比，分别对其进行马歇尔试验，试验结果见表1。根据马歇尔试验结果及相关设计参数，确定自融雪橡胶颗粒沥青混合料最佳油石比为6.5%。拌和温度会影响橡胶颗粒的表面碳化和沥青与橡胶颗粒的粘结性能。因此，为了提高混合料的混合效果，改性沥青的拌和温度应为170℃左右，基质沥青的加热温度应该在160℃左右，石料的加热温度应不低于185℃。由于橡胶颗粒高自粘性和相互凝聚性，拌和过程很容易分离和聚集难以均匀混合。拌和过程材料的放置顺序为：粗细集料、橡胶颗粒、改性沥青、矿粉。橡胶颗粒和粗细集料的拌和时间控制在32～40s。混合料出厂温度控制在170～185℃，摊铺温度为160℃左右，碾压温度控制在90～150℃。

3 沥青路面融冰雪性能分析

为了测试橡胶颗粒沥青路面的实际性能，结合实际工程对融冰雪性能进行了研究。试验路段位于保定市高碑店G107段，总长100m。目前，还没有国家或者行业标准对融雪效果进行评估。根据当地实际情况，提出了一种融雪评价方法。路表冰雪层在往复车辆载荷作用下的表观特征为开裂、破碎和剥离。因此，橡胶颗粒沥青混合料的除冰效果可以通过路表冰雪破碎程度来评价。破碎率计算式为：

(1)

式中：CA—开裂的总面积，cm2；

L—最大裂纹长度，cm；

λ—折算系数，取0.3；

A—测试区域总面积，cm2。

为了模拟降雪和降雨对路面融雪除冰性能的影响，在试验路段选取5个试验区，每个试验区面积为1m2，为了保证车辆载荷的一致性，试验区尽量设置在同一条直线上，相邻两个区域间隔5m。在室外-10℃温度下，测定加水量为400mL、550mL、700mL、850mL、1000mL时的破碎率，结果见图3。

图3 加水量对破碎率的影响

从图3可以看出，破碎率随加水量的增加而降低。当加水量小于700mL时，破碎率受加水量的影响较大。当加水量超过700mL时，破碎率受加水量影响较小，说明降雪量越大，融雪效果越差。为了研究温度对橡胶颗粒沥青混合料融雪性能的影响，在试验路段设置1个1m2试验区，在1～3月份中选取3个车流量基本相等的典型日进行测试，每次测试时间为6h，每次的加水量均为550mL，三日的环境温度分别为-15℃、-10℃与-5℃，试验结果见图4。

图4 温度对破碎率的影响

从图4可以发现，其他条件保持不变，破碎率随着温度的升高而增加。温度升高，可加大水的析出速率。橡胶颗粒沥青路面具有持续融冰功能。但是当温度较低时，融雪效果较差，此时应积极配合融雪剂和人工除雪，确保交通安全和道路畅通。

4 结论

针对融雪除冰方法存在的问题，结合国内外的研究现状，提出了一种自融雪橡胶颗粒沥青路面，并对其开展试验研究。研究表明：

(1)自融雪橡胶颗粒沥青混合料配合比为：矿粉10%，橡胶颗粒4%，油石比6.5%，粗集料79%，细集料7%。

(2)橡胶颗粒和粗细集料的拌和时间控制在32～40s。混合料出厂温度控制在170～185℃，摊铺温度为160℃左右，碾压温度控制在90～150℃。

(3)融冰雪效果受降水量和温度的影响较大，当温度低于-10℃时，应积极配合融雪剂和人工除雪，确保交通安全和道路畅通。