王洪雨

(保定市交通運(yùn)輸局高碑店市養(yǎng)路工區(qū) 保定市 074000)

※基金項(xiàng)目：保定市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(17ZG005)

0 引言

我國(guó)北方地區(qū)冬季道路冰雪普遍存在，對(duì)道路交通安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。傳統(tǒng)的道路除冰技術(shù)包括融雪劑除雪和外力除雪等，但普通融雪劑會(huì)造成沿線土壤酸化并環(huán)境污染[1]。人工除冰、微波除冰、機(jī)械除冰效率低，各項(xiàng)運(yùn)行費(fèi)用較高，熱除冰能耗高成本高。因此，特別迫切需要設(shè)計(jì)一種具有防滑、降噪、自動(dòng)融雪功能的瀝青路面[2]。近年來(lái)，主動(dòng)抑制冰雪技術(shù)逐漸受到研究者的青睞[3]。目前，主動(dòng)抑制技術(shù)是通過(guò)在瀝青路面上鋪設(shè)氯鹽涂料或混合融雪涂料來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)除冰[4-5]。美國(guó)DOT公司20世紀(jì)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(guò)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(jià)一般較高，很難大范圍推廣。橡膠瀝青混合料技術(shù)在廢舊輪胎回收利用方面效果顯著，對(duì)環(huán)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(jiàn)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以瀝青混合料為集料，摻入橡膠顆粒，設(shè)計(jì)了一種利用汽車(chē)重力荷載的自融雪瀝青路面，并在此基礎(chǔ)上提出了自融雪橡膠顆粒瀝青路面除冰雪評(píng)價(jià)方法。

1 融冰雪原理

汽車(chē)重力荷載的自融雪瀝青路面技術(shù)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(tài)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(qiáng)局部變形能力，利用路面在外荷載作用下的自應(yīng)力使冰雪破碎融化，從而達(dá)到主動(dòng)抑制路面結(jié)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(yùn)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(duì)于瀝青混合料的設(shè)計(jì)方法，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，但是對(duì)自融雪橡膠顆粒瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法的研究相對(duì)較少。鑒于各地復(fù)雜的氣候環(huán)境和交通載荷差異性，直接照搬國(guó)外的設(shè)計(jì)方法是不可行的。因此，探索橡膠顆粒、瀝青和集料的作用機(jī)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(shè)計(jì)采用密實(shí)骨架結(jié)構(gòu)和間斷級(jí)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(jī)制砂，密度為3.009g/cm3；粘結(jié)料采用改性瀝青，密度為1.012g/cm3。對(duì)于兩種不同粒徑的玄武巖粗集料，利用馬歇爾試驗(yàn)測(cè)定不同比例下的緊裝空隙率，共設(shè)置了五種比例3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)5～10mm、10～20mm兩種粒徑的玄武巖質(zhì)量比為7∶3時(shí)，緊裝密度達(dá)到1.88g/cm3，此時(shí)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(xì)集料含量為7%，級(jí)配曲線見(jiàn)圖2。

圖2 改性瀝青混合料級(jí)配曲線

油石比(%)5.96.26.56.87.0毛體積相對(duì)密度2.4272.4382.4412.4552.468最大理論相對(duì)密度2.672.652.632.622.60穩(wěn)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(chǔ)上設(shè)計(jì)了5.9%、6.2%、6.5%、6.8%、7.0%五種不同油石比，分別對(duì)其進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，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(huì)影響橡膠顆粒的表面碳化和瀝青與橡膠顆粒的粘結(jié)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(yīng)為170℃左右，基質(zhì)瀝青的加熱溫度應(yīng)該在160℃左右，石料的加熱溫度應(yīng)不低于185℃。由于橡膠顆粒高自粘性和相互凝聚性，拌和過(guò)程很容易分離和聚集難以均勻混合。拌和過(guò)程材料的放置順序?yàn)椋捍旨?xì)集料、橡膠顆粒、改性瀝青、礦粉。橡膠顆粒和粗細(xì)集料的拌和時(shí)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(cè)試橡膠顆粒瀝青路面的實(shí)際性能，結(jié)合實(shí)際工程對(duì)融冰雪性能進(jìn)行了研究。試驗(yàn)路段位于保定市高碑店G107段，總長(zhǎng)100m。目前，還沒(méi)有國(guó)家或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)融雪效果進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，提出了一種融雪評(píng)價(jià)方法。路表冰雪層在往復(fù)車(chē)輛載荷作用下的表觀特征為開(kāi)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(guò)路表冰雪破碎程度來(lái)評(píng)價(jià)。破碎率計(jì)算式為：

(1)

式中：CA—開(kāi)裂的總面積，cm2；

L—最大裂紋長(zhǎng)度，cm；

λ—折算系數(shù)，取0.3；

A—測(cè)試區(qū)域總面積，cm2。

為了模擬降雪和降雨對(duì)路面融雪除冰性能的影響，在試驗(yàn)路段選取5個(gè)試驗(yàn)區(qū)，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)面積為1m2，為了保證車(chē)輛載荷的一致性，試驗(yàn)區(qū)盡量設(shè)置在同一條直線上，相鄰兩個(gè)區(qū)域間隔5m。在室外-10℃溫度下，測(cè)定加水量為400mL、550mL、700mL、850mL、1000mL時(shí)的破碎率，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 加水量對(duì)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(dāng)加水量小于700mL時(shí)，破碎率受加水量的影響較大。當(dāng)加水量超過(guò)700mL時(shí)，破碎率受加水量影響較小，說(shuō)明降雪量越大，融雪效果越差。為了研究溫度對(duì)橡膠顆粒瀝青混合料融雪性能的影響，在試驗(yàn)路段設(shè)置1個(gè)1m2試驗(yàn)區(qū)，在1～3月份中選取3個(gè)車(chē)流量基本相等的典型日進(jìn)行測(cè)試，每次測(cè)試時(shí)間為6h，每次的加水量均為550mL，三日的環(huán)境溫度分別為-15℃、-10℃與-5℃，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 溫度對(duì)破碎率的影響

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，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(xù)融冰功能。但是當(dāng)溫度較低時(shí)，融雪效果較差，此時(shí)應(yīng)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(jié)論

針對(duì)融雪除冰方法存在的問(wèn)題，結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，提出了一種自融雪橡膠顆粒瀝青路面，并對(duì)其開(kāi)展試驗(yàn)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(xì)集料7%。

(2)橡膠顆粒和粗細(xì)集料的拌和時(shí)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(dāng)溫度低于-10℃時(shí)，應(yīng)積極配合融雪劑和人工除雪，確保交通安全和道路暢通。