橡胶颗粒沥青混合料除冰机理及效果

徐 岩， 张 弼 强， 王 长 棋

( 沈阳建筑大学 土木工程学院， 辽宁 沈阳 110168 )

0 引 言

废旧轮胎处理问题是新世纪各国都面临的重大问题，将废旧轮胎破碎成橡胶颗粒掺入沥青混合料中成为处理轮胎的新途径[1-2]。国外学者对橡胶颗粒沥青混合料的研究开始较早。Michael[3]用6.4～0.85 mm的橡胶颗粒代替部分石料，将混合料用在了磨耗层。Ahmadinia等[4]在连续级配沥青混合料中，用橡胶颗粒置换部分石料，分析了不同掺量下的路用性能指标，但并未考虑除冰性能。日本在刚铺筑的沥青路面铺撒直径2 mm 左右的橡胶颗粒，橡胶颗粒在行车荷载作用下发生变形，变形后会再发生回弹变形使冰层破碎，但并未对除冰效果进行分析，同时行车条件下也会造成部分橡胶颗粒脱落，造成资源浪费。周纯秀[5]从级配组成和路用性能的角度对橡胶颗粒沥青混合料进行研究，但并未对除冰效果进行进一步分析。陈渊召等[6]对橡胶颗粒沥青路面的除冰机理进行了分析及初步试验验证，方法较为复杂。张洪伟[7]研究了橡胶颗粒掺量对混合料抑制结冰的能力以及对混合料路用性能的影响，但并未对除冰效果进行有效分析。本研究利用有限元方法对橡胶颗粒沥青混合料进行除冰机理分析，通过路面冰层的受力变形来研究橡胶颗粒沥青混合料路面的除冰性能，用应变能密度因子准则[8-10]作为路面冰层破裂的判断依据，对不同条件下路面除冰能力进行了试验分析和研究。

1 橡胶颗粒沥青路面除冰有限元分析

采用目前国内比较典型的沥青路面结构形式，分别对普通沥青混合料和橡胶颗粒沥青混合料弹性路面冰层的受力情况和变形特性进行分析计算。路面结构仅在面层材料作出改变，上面层分别采用厚度为4 cm的AC-13橡胶颗粒沥青混合料和AC-13普通沥青混合料，中面层和下面层分别采用厚度为6 cm的AC-16和AC-20的中粒式沥青混合料。AC-13合成级配如图1所示。

图1 AC-13 沥青混合料级配曲线Fig.1 Gradation curves of AC-13 asphalt mixture

由于中面层和下面层的抗压回弹模量相差无几，而且对于除冰路面起主要作用的是上面层，因此在相同温度情况下，将两者的抗压回弹模量取相同的数值。同样，冰层材料由于受温度影响，材料晶格和强度变化较大，进而使得抗压回弹模量也发生改变。路面结构材料设置参数见表1。

表1 路面结构材料的弹性模量和泊松比Tab.1 Modulus of elasticities and poisson’s ratios of pavement structural materials

通过有限元分析法建立模型尺寸宽为3.75 m、高为3 m的二维有限元结构进行分析，模型左右边界有水平约束，底部边界有竖向约束，各层间假设为完全连续接触。模型网格划分由两边到中间、自下而上逐渐密集，采用CPE8R参元进行分析计算(路面结构的自重忽略不计)，模型示意图如图2所示。

(b) 网格划分示意图图2 道路结构模型图Fig.2 Model diagrams of road structure

将路面荷载作用接触面形状假设为矩形，尺寸为19.2 cm×18.6 cm。根据规范规定，等效后双轮中心间距为单轮传压面当量圆直径的1.5倍，即31.4 cm，行车荷载采用标准轴载BBZ-100，轴重100 kN，轮压0.7 MPa。

为了使路面除冰效果有较明显的反馈，选取最有利于除冰的条件进行有限元模拟分析。设定环境温度为0 ℃，冰层厚度2 mm，0 ℃时冰的弹性模量为3 000 MPa，粒径2～4 mm，掺量为4%，橡胶颗粒沥青混合料的弹性模量为1 900 MPa，普通沥青混合料弹性模量为2 800 MPa。进行有限元计算，结果如图3～7所示。图中位移单位为m，应力单位为Pa。

图3表明，橡胶颗粒沥青路面冰层最大位移发生在轮胎荷载作用下的矩形区域内，轮胎荷载矩形区域中心的最大位移量约为0.65 mm；普通沥青混合料路面冰层的最大位移量约为0.62 mm。因此在荷载作用下，橡胶颗粒沥青路面产生的位移变形量要大于普通沥青混合料，为路面冰层破碎提供了可行性证明。

(a) 橡胶颗粒沥青混合料

(b) 普通沥青混合料图3 路面位移图Fig.3 Displacement maps of pavement

(a) 橡胶颗粒沥青混合料

(b) 普通沥青混合料图4 路面冰层压应力与拉应力Fig.4 Lamination stress and tensile stress of pavement ice

(a) 橡胶颗粒沥青混合料

(b) 普通沥青混合料图5 路面冰层剪应力Fig.5 Shear stress of pavement ice

(a) 橡胶颗粒沥青混合料

(b) 普通沥青混合料图6 路面冰层压应变与拉应变Fig.6 Compressive strain and tensile strain of pavement ice

(a) 橡胶颗粒沥青混合料

(b) 普通沥青混合料图7 路面冰层剪应变Fig.7 Shear strain of pavement ice

图4表明，橡胶颗粒沥青混合料路面冰层在轮胎荷载作用位置产生的压应力与普通沥青混合料几乎相等，而在两轮胎之间靠近轮胎内侧的位置所产生的拉应力要大于普通沥青混合料。

图5表明，橡胶颗粒沥青混合料路面与普通沥青混合料路面在轮胎荷载下方矩形区域边缘处的剪应力基本相等，橡胶颗粒对剪应力并没有产生影响。

图6、图7表明，橡胶颗粒沥青混合料路面冰层在轮胎荷载作用下方矩形区域内产生的最大压应变远大于普通沥青混合料，最大拉应变略大于普通沥青混合料路面，最大剪应变远大于普通沥青混合料路面冰层。

2 弹性模量对橡胶颗粒沥青路面除冰性能的影响

橡胶颗粒的加入改变了沥青混合料的内部结构，使得沥青混合料的弹性性能增加，变形增大。对于线弹性体来说，要考虑材料的弹性性能需要考虑材料的弹性模量和泊松比，因此研究橡胶颗粒沥青面层自除冰能力也需要考虑抗压回弹模量。在有限元模拟中的具体做法是对不同弹性模量的路面施加荷载，根据路面受荷载作用计算出轮胎荷载正下方中心位置的最大位移，分析冰层破坏程度。由试验测得低温下橡胶颗粒沥青混合料抗压回弹模量值见表2。不同冰层厚度与温度下的除冰效果计算结果见表3。

表2 低温不同粒径下橡胶颗粒沥青混合料的抗压回弹模量Tab.2 Compressive rebound modulus of rubber-granulated asphalt mixtures with different particle sizes at low temperatures MPa

表3 不同冰层厚度与温度下的除冰效果分析Tab.3 The effect of different ice thickness and temperature on the deicing results

结果表明，当冰层厚度为2 mm、温度为0 ℃、橡胶颗粒掺量超过2%时，粗细橡胶颗粒都具有除冰的能力；当温度为-5 ℃时，橡胶颗粒掺量在4%以内的沥青混合料已不具备除冰能力；当温度下降到-10 ℃时，橡胶颗粒掺量4%的沥青混合料完全丧失除冰能力。当冰层厚度为5 mm、温度为0 ℃、橡胶颗粒掺量超过3%时，沥青混合料路面才开始具有除冰能力；-5 ℃时橡胶颗粒沥青混合料已不具备除冰能力，-10 ℃时早已丧失除冰能力。当冰层厚度为10 mm、温度为0 ℃时，橡胶颗粒沥青混合料路面已不具备除冰能力。

3 室内破冰试验

由于有限元模型无法直观地反映除冰性能的影响因素，因此在室内对沥青混合料的除冰性能进行试验。试验仍以橡胶颗粒掺量、粒径、环境温度以及冰层厚度作为研究变量，采用车辙试验仪对路面除冰的效果进行试验，研究混合料的除冰性能。

3.1 试验原材料基本性能

沥青：采用90#A级道路石油沥青，性能如表4所示。

表4 90#沥青主要技术性能指标Tab.4 Main technical performance indexes of 90# asphalt

橡胶颗粒：选用1～2 mm和2～4 mm的橡胶颗粒，技术指标见表5。

表5 橡胶颗粒技术指标Tab.5 Technical indicators of rubber particles

粗、细集料：采用辽宁本溪石灰岩，表面洁净、干燥，无风化，不含杂质，强度均满足要求。

3.2 破冰试验参数

3.2.1 橡胶颗粒掺量对混合料除冰性能的影响

选取温度为-1 ℃，冰层厚度为2～3 mm，橡胶颗粒粒径为2～4 mm，掺量分别为0、2%、4%的试件，车辙试验仪碾压20 min，试验结果见图8。

(a) 0

(b) 2%

(c) 4%图8 不同橡胶颗粒掺量下冰层破碎图Fig.8 Ice breaking diagrams with different dosage of rubber particles

试验中普通沥青混合料试件碾压过后，表面冰层无任何破坏痕迹；橡胶颗粒掺量为2%的沥青混合料试件表面冰层开始出现受压变形破坏的痕迹，但效果不明显；橡胶颗粒掺量为4%的沥青混合料试件表面冰层随着荷载的持续作用，冰层裂纹增多，出现明显破坏裂缝，除冰效果较明显。

试验结果表明，橡胶颗粒的增加对沥青混合料路面的除冰性能提高明显，橡胶颗粒掺量较少时，分布密度比较小，对混合料的性能影响较小；当掺量超过4%时，橡胶颗粒在试件表面的数量越来越多，使沥青混合料表面的弹性性能提高，除冰效果明显。

3.2.2 橡胶颗粒大小对混合料除冰性能的影响

在选取-1 ℃、冰层厚度2～3 mm、橡胶颗粒粒径2～4 mm、掺量为4%试件的基础上，增加一组粒径为1～2 mm的试件进行对比试验，车辙试验仪碾压20 min，试验结果见图9。

(a) 1～2 mm

(b) 2～4 mm图9 不同粒径橡胶颗粒冰层破碎图Fig.9 Ice breaking diagrams of rubber particles with different particle sizes

试验中橡胶颗粒粒径为1～2 mm的沥青混合料表面冰层在荷载作用下出现受力变形的痕迹，但无明显的破坏裂纹，而橡胶颗粒粒径为2～4 mm的沥青混合料表面冰层出现裂缝，冰层已经破坏。

试验结果表明，粗粒径橡胶颗粒除冰效果优于细粒径橡胶颗粒，因为粗粒径橡胶颗粒在沥青混合料中更容易发挥弹性性能，并且由于颗粒相对较大，弹性性能更好。

3.2.3 冰层厚度对混合料除冰性能的影响

选取-1 ℃、橡胶颗粒粒径2～4 mm、掺量4%的沥青混合料，冰层厚度为2、5、10 mm，车辙碾压20 min，试验结果见图10。

(a) 2 mm

(b) 5 mm

(c) 10 mm图10 不同冰层厚度路面冰层破碎图Fig.10 Ice breaking diagrams with different thickness of ice

试验中2 mm厚度的冰层在较短时间内出现裂缝，随着荷载持续施加，冰层破碎较明显；5 mm厚度的冰层仅出现微小裂纹，破冰效果较差；10 mm 厚度的冰层在车轮荷载作用下始终未出现裂纹，沥青混合料失去除冰能力。

试验结果表明，冰层越厚橡胶颗粒沥青路面的除冰效果越差，当冰层厚度超过一定范围后，橡胶颗粒沥青混合料失去除冰的能力。

3.2.4 试件温度对混合料除冰性能的影响

橡胶颗粒粒径2～4 mm，橡胶颗粒掺量为4%的沥青混合料，冰层厚度2 mm，试件温度分别为-1、-5、-10 ℃，车辙碾压20 min，试验结果见图11。

(a) -1 ℃

(b) -5 ℃

(c) -10 ℃图11 不同温度下冰层破碎图Fig.11 Ice breaking diagrams at different temperatures

在-1 ℃时，试件冰层在较短的时间内就出现了破坏痕迹，随着荷载作用时间的增加，冰层破碎较严重，除冰效果良好；-5 ℃时，冰层出现裂纹的时间较长，随着荷载的持续作用，裂缝并没有实质的扩展，除冰效果一般；-10 ℃时，冰层始终没有出现破坏痕迹，橡胶颗粒沥青混合料失去了除冰效果。试验结果表明，随着温度的降低，冰层变得更加坚固，沥青混合料的弹性模量随之降低，橡胶颗粒沥青混合料的除冰能力降低；当温度达到低温临界值时，橡胶颗粒沥青混合料路面失去除冰能力。

4 结 论

路面冰层的破碎是以混合型断裂破坏为主，主要特征为冰层产生混合型裂纹并扩展失稳，在车辆荷载反复作用后，区域内的裂纹达到一定密度从而饱和，引起冰层局部的破坏。

橡胶颗粒沥青混合料路面冰层在两轮胎之间靠近轮胎内侧位置所产生的拉应力要大于普通沥青混合料路面冰层，在轮胎荷载作用下方矩形区域内产生的最大拉应变略大于普通沥青混合料路面冰层，最大压应变与最大剪应变远大于普通沥青混合料路面冰层。

以弹性模量作为橡胶颗粒变化的指标，通过计算结果判断不同厚度的冰层在不同温度下的破坏情况，得到橡胶颗粒沥青混合料弹性模量与除冰能力之间的关系：当冰层厚度为2 mm、温度为0 ℃时，橡胶颗粒沥青混合料弹性模量小于2 600 MPa，可除冰；温度为-5 ℃时，弹性模量小于2 200 MPa，可除冰；温度为-10 ℃时，橡胶颗粒沥青混合料已不具备除冰能力。当冰层的厚度为5 mm、温度为0 ℃时，橡胶颗粒沥青混合料的弹性模量小于2 200 MPa，可除冰；当环境温度为-5 ℃ 时，橡胶颗粒沥青混合料弹性模量小于1 900 MPa，可除冰；当环境温度为-10 ℃时，橡胶颗粒沥青混合料已不具备除冰能力。当冰层厚度为10 mm时，橡胶颗粒沥青混合料完全丧失了除冰的能力。