劉 俊，匡希龍，肖林哲，吳 剛，王 丹

(1.瀟湘職業(yè)學(xué)院城建學(xué)院，湖南 婁底 417000; 2.長沙學(xué)院土木建筑工程系，湖南 長沙 410003)

目前最常用的除冰雪方法有被動型的撒布氯鹽類融雪劑及機械除冰雪法、主動的發(fā)熱電纜法、電熱管法和電熱絲法、橡膠顆粒填充料法、噴灑防凍劑法等。撒布融雪劑的除雪化冰方法操作簡單，短時間內(nèi)效果明顯，但大量融雪劑的使用會對沿途結(jié)構(gòu)物特別是混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)造成嚴重腐蝕破壞，并且造成土壤、水源等污染［1～4］，氯鹽融雪劑對混凝土和鋼筋最具腐蝕性［5，6］，而機械除冰雪方法每年都需要投入大量人力、物力，且效率低、除冰不徹底。發(fā)熱電纜加熱法、地?zé)峁芊ā㈦姛峤z法這3 種方法均屬于路面內(nèi)部除冰雪技術(shù)［7～9］，其共性是融冰雪速度快、安全環(huán)保，但其能耗大、費用高、工藝復(fù)雜，而且此項技術(shù)的應(yīng)用對路面材料、結(jié)構(gòu)和施工都有特殊要求，其后期維修養(yǎng)護需要開挖路面，因此適用范圍相對較窄。可見，到目前為止，路面除冰雪技術(shù)仍然處于探索、完善、研發(fā)階段。本文將橡膠顆粒以骨料的形式直接添加于瀝青混合料中而形成新型的瀝青混合料，并摻入少量碳纖維起加筋效應(yīng)，研究路面撓曲變形性能及橡膠瀝青混合料產(chǎn)生的彎拉和回彈應(yīng)力特性，進而考察路面擁有自主破碎冰層的潛能。

1 實驗過程及實驗數(shù)據(jù)

1.1 實驗方案

為了確定試驗方案的主要影響因素，有效指導(dǎo)室內(nèi)試驗的進行，將通過單因素變化的方式對設(shè)計方案的各影響因素進行比較分析。本文主要對比分析試塊的靜彈性模量、動彈性模量、變形量及破冰效果。試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，冰層厚度為5 mm。實驗編組如表1所示。

表1 實驗方案及摻入料組成成分

1.2 實驗過程

1.2.1 原材料特性

本論文使用的70 號瀝青及礦粉的技術(shù)指標(biāo)按相關(guān)實驗規(guī)程進行，本文重點介紹在實驗過程中需摻入的碳纖維、橡膠顆粒等原材料的技術(shù)特性。

1)碳纖維。

碳纖維對瀝青混凝土具有良好的加筋、增強作用，本文所用碳纖維為其單絲，主要性能如表2。

表2 碳纖維單絲主要性能

2)橡膠顆粒。

本文使用的破冰材料主要是橡膠顆粒，分大橡膠顆粒和小橡膠顆粒。其中，大橡膠直徑主要在2.3 mm 左右，小橡膠顆粒直徑主要在1 mm 左右。篩分結(jié)果如表3。

表3 橡膠顆粒篩分結(jié)果

1.2.2 實驗過程

采用HB－10 型全自動混合料攪拌機拌和瀝青混合料。170 ℃集料與160 ℃液態(tài)瀝青先在170 ℃攪拌鍋內(nèi)攪拌90 s，再摻入礦粉攪拌90 s。當(dāng)摻加纖維加筋材料后，需先與石料拌合90 s 使之充分分散，當(dāng)加入橡膠顆粒時因為橡膠顆粒極易受熱融化變形，橡膠顆粒在最后加入并一起攪拌90 s。成型后的試件如圖1所示。試件尺寸:300 mm×300 mm×50 mm。

圖1 試件成型

將每一種試驗工況制作的6 個試塊分成3 組，第1 組進行靜態(tài)彈性模量實驗(圖2)，第2 組進行動態(tài)彈性模量實驗(圖3)，第3 組先冰凍并在其表面產(chǎn)生5 mm 厚的冰層，然后進行破冰實驗(圖4)。破冰試驗溫度－10 ℃，試驗荷載面積2 mm ×15 mm，均布荷載為0.2 kN/s，加載到30 kN。

圖2 靜彈性模量實驗

圖3 動彈性模量實驗

圖4 試件破冰實驗

1.3 實驗數(shù)據(jù)

整個實驗從2013年6月開始直至2014年6月結(jié)束，獲得了大量的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)將實驗數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?及曲線圖5、圖6所示。

表4 實驗數(shù)據(jù)

圖5 幾種組合的靜、動彈性模量結(jié)果比較

圖6 幾種組合最大變形量結(jié)果比較

2 實驗結(jié)果分析

1)從上述實驗數(shù)據(jù)可知，普通瀝青混凝土及橡膠碳纖維改性瀝青混凝土的動彈性模量均比靜彈性模量略大，且變化規(guī)律呈現(xiàn)出非線性，這與荷載作用的狀態(tài)及持續(xù)時間有關(guān)。

2)從 2#、3#、4#組及 5#、6#、7#組試塊對比分析發(fā)現(xiàn)，橡膠顆粒對瀝青混凝土的彈性模量影響很大。同普通瀝青混凝土相比，后者的彈性模量最大遞減量超過300 MPa，導(dǎo)致最大變形量超過7 倍。而且，隨橡膠顆粒含量及尺寸的遞增，彈性模量隨著降低，破冰效果越好。但是，試件壓后的恢復(fù)效果比較差，即塑性破壞明顯;而且，大顆粒橡膠的影響比小顆粒橡膠影響更大。進一步對比8#、9#、10#組及11#、12#、13#組試塊，與上述規(guī)律基本一致。說明小顆粒橡膠易于壓實，整體性好。

3)從曲線圖5、圖6分析可知，橡膠顆粒含量從15%增加到30%，曲線變化平穩(wěn)，而從30%增加到50%時，曲線變化明顯，即試塊的彈性模量明顯減小，彈性變形及塑性變形明顯增加，尤其是未添加碳纖維的試塊表現(xiàn)得更加顯著。說明橡膠顆粒的最佳含量在30%以內(nèi)，且小顆粒優(yōu)于大顆粒，添加碳纖維能有效抑制塑性變形。

4)從實驗現(xiàn)象分析可知，加入碳纖維和橡膠材料的混凝土比單純加入橡膠的破冰效果略差，但是反彈恢復(fù)要好;而且，碳纖維與小橡膠組合比碳纖維與大橡膠組合恢復(fù)效果更好。試件在受壓后，石子會發(fā)生位移，而橡膠顆粒發(fā)生位移和壓縮形變。在沒有加入碳纖維的狀態(tài)下，橡膠顆粒與石子可視為散體，壓縮變形較大，反彈效果較差;而加入碳纖維后，碳纖維將橡膠顆粒與石子包裹在一起并連成一個整體(如圖7所示)，改變了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了碳纖維的“加筋”作用及高彈性模量的特點，從而抑制瀝青混凝土的側(cè)向變形。

圖7 橡膠－碳纖維高彈改性瀝青混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)

5)從破冰效果實驗的過程中可以看出，在荷載的外側(cè)邊緣出現(xiàn)碎裂，裂縫擴展后，冰層易于從鋪裝層上脫離，并產(chǎn)生了一定的相對位移，表面出現(xiàn)微小的凹凸不平現(xiàn)象，如圖8。試驗結(jié)果初步證明，橡膠－碳纖維高彈改性瀝青混凝土自破冰路面設(shè)計方案可行;而且彈性層采用廢舊輪胎生產(chǎn)的橡膠顆粒也適應(yīng)綠色環(huán)保、節(jié)能的社會趨勢與要求。

圖8 試件破冰效果

3 結(jié)論

本文提出了一種橡膠－碳纖維高彈改性瀝青混凝土自破冰路面的新技術(shù)，且方案可行。運用多組對比實驗分析的方法得出:①橡膠－碳纖維高彈改性瀝青混凝土的彈性模量比普通瀝青混凝土小，其彈性變形大。②添加碳纖維能更好的抑制瀝青混凝土的塑性變形。③使用小橡膠顆粒，且含量控制在30%以內(nèi)，破冰效果更好。

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