緩釋型抗冰凍SMA混合料的優(yōu)化設計及路用性能研究

王文峰，吳冬生，吳春穎，章榮福，牛曉偉，朱浩然

（1.蘇交科集團股份有限公司，江蘇南京 210000；2.鎮(zhèn)江市五鳳口高架工程現(xiàn)場指揮部，江蘇鎮(zhèn)江 212000）

緩釋型抗冰凍SMA混合料的優(yōu)化設計及路用性能研究

王文峰1，吳冬生1，吳春穎1，章榮福2，牛曉偉1，朱浩然1

（1.蘇交科集團股份有限公司，江蘇南京 210000；2.鎮(zhèn)江市五鳳口高架工程現(xiàn)場指揮部，江蘇鎮(zhèn)江 212000）

通過對級配組成、添加方式及制備工藝進行調整，確定了緩釋型抗冰凍SMA混合料的設計方法，通過高溫車轍、浸水馬歇爾、低溫小梁彎曲、析漏試驗、肯塔堡飛散等試驗并對抗冰凍混合料的路用性能進行驗證。并研究了抗凍劑摻量和水泥對混合料水穩(wěn)定性能的影響。結果表明：添加抗冰劑，普通SMA混合料的空隙率明顯增加，水穩(wěn)定性能降低。當添加1.5%水泥，基礎目標空隙率控制為3%，油石比6.2%時，SMA混合料的抗水損害能力改善，高溫性能顯著提高，析漏飛散等其它路用性能皆符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》要求，同時具有良好的主動除冰雪性能。

道路工程；瀝青混合料；抗冰凍技術；優(yōu)化設計；路用性能

0 引言

緩釋型抗冰凍鋪裝技術，也稱鹽化物自融雪技術，是在路面鋪裝材料中添加一定量的化學類抑制凍結的添加劑（鹽化物等），路面遇到降雪同時受到壓縮、振動、磨損等因素時，鹽化物緩慢的向路表進行釋放，從而破壞冰雪與路表的粘結，達到融冰化雪的目的。瑞士、歐洲等國家早在20世紀60年代開始研究應用緩釋型抗冰凍路面[1]，日本于20世紀70年代引入該種路面形式，并于20世紀90年代初期成功地進行了創(chuàng)新性研究[2]。目前國際上主要的抗凍結材料有瑞士的Verglimit（以下簡稱LLM）和日本的Mafilon。我國直到2008年才開始引入此項技術。孫玉齊[3]對添加Mafilon的抗冰凍瀝青路面進行了研究，結果表明，Mafilon采用填料體積等效置換法修正配合比設計，制備的緩釋型抗冰凍瀝青混合料常規(guī)路用性能均能滿足要求；崔龍錫[4]對緩釋型抗冰凍AC混合料進行了研究，采用LLM材料作為抗凍劑，結果表明，抗凍劑的緩釋并沒有對密級配瀝青混合料路用性能產生顯著影響。

而目前針對SMA結構的抗冰凍混合料相關研究較少，本文選用SMA結構的瀝青混合料和LLM，通過對級配組成、添加方式及制備工藝進行調整，確定了緩釋型抗冰凍SMA混合料的設計方法，通過高溫車轍、浸水馬歇爾、低溫小梁彎曲、析漏試驗、肯塔堡飛散等試驗，對抗冰凍混合料的路用性能進行驗證，并研究了抗凍劑摻量和水泥對混合料水穩(wěn)定性的影響。

1 原材料

采用自制的SBS改性瀝青，技術指標如表1所示；粗集料來自興源采石廠，細集料來自茅迪采石廠，礦粉填料出產自泉水采石廠，集料的各項技術性能如表2所示，均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》要求；木質素纖維，JLS-SMA-1，長度均值0.8 mm，灰分含量15.3%，pH值7.1，含水率3.5%，吸油率5.46倍，耐熱溫度230℃。

表1 瀝青的技術指標

表2 集料的技術性能

試驗所用抗凍結材料為瑞士生產的LLM，毛體積密度1.8 g/cm3，粒徑0.1～5.0 mm，融點260℃，溶液pH值11～12。LLM具有良好的溫度穩(wěn)定性，根據廠商使用要求，LLM可直接以外摻的方式加入路面混合料拌和過程。

2 初試配合比設計及性能驗證

2.1 配合比設計

試驗選用的LLM可采用外摻法直接添加到瀝青混合料中，其余設計與普通SMA混合料設計方法相同，其中木質素纖維摻量為SMA混合料的0.3%。依據JTG F40—2004中對SMA-13混合料的級配范圍要求選取礦料級配，具體見表3。通過馬歇爾試驗方法確定最佳瀝青用量為6.0%。

表3 瀝青馬蹄脂混合料SMA-13的礦料級配

2.2 馬歇爾試驗及水穩(wěn)定性能驗證

2.2.1 馬歇爾試驗

根據國內外調研[5]，確定LLM摻量5.5%，直接外摻加入到普通SMA混合料中制備緩釋型抗冰凍SMA混合料。依據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》制備2種混合料的馬歇爾試件，通過試驗計算試件的空隙率及其體積指標，具體如表4所示。

表42 種混合料的體積指標

由表4可知，摻入5.5%LLM后，SMA混合料的體積指標明顯發(fā)生變化。普通SMA混合料的空隙率為3.9%，符合JTG F40—2004的要求，而添加LLM后，混合料空隙率增至5.7%，增加46%；礦料間隙率增加7%。由此看出，LLM的加入影響瀝青混合料的體積指標，尤其是大大增加了混合料的空隙率。

2.2.2 水穩(wěn)定性能試驗

張玉福等[6]的研究指出，隨著空隙率的增大，SMA混合料的水穩(wěn)定性逐漸降低，空隙率與水穩(wěn)定性指標存在顯著的線性相關性，相關系數(shù)高達0.98以上。故本文首先對添加LLM的抗冰凍混合料進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，以驗證混合料的水穩(wěn)定性能，試驗結果見表5。

表5 抗冰凍混合料水穩(wěn)定性能試驗結果

表5結果表明，加入LLM后，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和劈裂強度比均大幅度下降，劈裂強度比下降為75.6%，而殘留穩(wěn)定度下降為67.8%，均不符合JTG F40—2004要求。

綜上可知，LLM對SMA混合料的體積指標有很大的影響，其中空隙率明顯增大，導致其水穩(wěn)定性能快速下降，嚴重影響了混合料的抗水損害能力[7-8]。所以在制備抗冰凍混合料時直接外摻LLM的方法需進行調整，本文通過對空隙率以及油石比的控制，同時對添加制備工藝調整，進行抗冰凍SMA混合料的優(yōu)化設計。

3 抗冰凍SMA混合料優(yōu)化設計

3.1 級配優(yōu)化思路

LLM的粒徑為0.1～5.0 mm，試驗表明，抗凍結材料質地較軟且具有緩釋性、吸濕性，不滿足JTG F40—2004對集料的要求，所以仍采用外摻的方式添加，其混合料設計在普通瀝青混合料基礎上進行。根據上述實驗，本研究考慮降低SMA混合料的設計空隙率，首先依照規(guī)范以4.75 mm篩孔為控制篩孔，選擇未添加LLM的SMA混合料的2種級配組成，級配組成如表6所示。并測試2種試驗級配在干燥狀態(tài)下的堆積密度，結果如表7所示。

表6 SMA混合料的礦料級配組成

表72 種試驗級配在干燥狀態(tài)下的堆積密度

根據2種級配組成成型馬歇爾試件，按表干法（T0705—2000）測試瀝青混合料密度，計算瀝青混合料各項體積指標，結果如表8所示。

表8 設計級配的馬歇爾試驗結果

JTG F40—2004對SMA混合料的空隙率要求為3%～4%，由表8可知，級配A的空隙率為4.8%，不符合優(yōu)化初衷。同時根據2.2試驗結果可知，LLM的添加會顯著增加混合料的空隙率，級配B空隙率為3.0%，滿足基礎配合比設計降低空隙率和VMA的最低要求。所以試驗確定級配B為抗冰凍混合料的級配設計值。

3.2 最佳油石比的確定

國內設計SMA混合料一般以設計空隙率為確定瀝青混合料最佳瀝青用量的控制指標[9]。由于SMA混合料透水性強，空隙率不宜超過4.5%，同時為避免發(fā)生泛油或車轍嚴重的現(xiàn)象，空隙率不宜太低。本文以設計空隙率為關鍵控制因素，在我國交通氣候條件下，綜合考慮高溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性能將設計空隙率定為4%。根據3.3的制備要求，分別采用5.9%、6.2%、6.5%的油石比進行馬歇爾試驗，計算其體積指標，結果見表9。

表9 不同油石比下的2種混合料的體積指標

由表9可以看出，按照設計空隙率為4%的要求，普通SMA混合料的瀝青用量為5.9%時，空隙率為4.1%，而摻加5.5%LLM后抗冰凍SMA混合料的最佳瀝青用量為6.2%，摻加LLM后混合料的油石比需增加約0.3個百分點。

3.3 抗冰凍材料的添加要求

經過多次試驗研究發(fā)現(xiàn)，制備緩釋型抗冰凍混合料可以外摻的方法將LLM加入到瀝青混合料中，但在混合料設計和制備過程中應該進一步調整設計方法及摻加工藝，以滿足制備要求。

（1）LLM的質地不堅硬，在拌和過程中需注意拌和時間，一般實驗室拌和時間為30～40 s，同時要保證充分裹覆；

（2）添加LLM的過程中需要考慮其對拌和及制備工藝的影響，嚴格控制烘料、拌和及壓實溫度，LLM以冷料添加時可適當提高拌和溫度5～10℃。

3.4 路用性能驗證及影響因素分析

3.4.1 路用性能驗證

依照JTG E20—2011的規(guī)定對抗冰凍混合料的水穩(wěn)定性能及高溫穩(wěn)定性能進行驗證，由于LLM的吸水性及緩釋性對低溫性能試驗有較大影響，故低溫抗裂試驗選擇將試件進行空氣浴保溫至-10℃，然后進行測試，結果見表10。

從表10可以看出，通過設計方法的調整，摻加5.5%LLM后，抗冰凍SMA混合料的路用性能基本符合JTG F40—2004要求，但水穩(wěn)定性能有所降低，其中劈裂強度比下降為80.2%。3.4.2影響因素分析

基于LLM添加降低了SMA混合料的水穩(wěn)定性能，考慮調整LLM的用量以及添加適當?shù)乃嘧鳛榭箘兟鋭?，研究抗冰凍SMA混合料水穩(wěn)定性能的變化，測試結果見表11。

表11 不同抗冰凍SMA混合料的水穩(wěn)定性能試驗結果

由表11可知，與摻5.5%LLM相比，摻4.5%LLM的抗冰凍SMA混合料水穩(wěn)定性能變化不大。說明在4.5%～5.5%的摻量范圍內，改變LLM摻量對SMA混合料的水穩(wěn)定性能影響不大。而用1.5%的水泥替換部分礦粉填料后，抗冰凍SMA混合料的水穩(wěn)定性能有了較大幅度的提高。說明添加一定量的水泥作為抗剝落劑能明顯提高SMA混合料的抗水損害能力。

4 除冰雪性能驗證

本文設計冰層與路面粘結試驗以模擬冬季寒冷氣候下路面凝冰情況，通過定性的測試路面與冰雪的凝固力。為了方便直觀地觀察抗冰凍路面的除冰雪效果，采用普通SMA混合料和抗冰凍SMA混合料配合，用輪碾法各成型1塊車轍板養(yǎng)護24 h后，表面灑水，在-5℃的條件下冰凍16 h，觀察車轍板的冰凍情況，結果如圖1、圖2所示。

圖1 抗冰凍SMA混合料的冰凍情況

圖2 普通SMA混合料的冰凍情況

從圖1、圖2看出，經過在-5℃冰凍保溫16 h后，普通混合料車轍板表面已結冰，添加LLM后，瀝青混合料車轍板表面沒有明顯的結冰情況，除冰雪效果良好，能延遲并持續(xù)融化路表面冰雪，并能夠減少積雪冰層與路面的粘結強度，提高人工機械除雪效率。

5 結論

（1）添加LLM可以改變普通SMA混合料的體積指標，混合料的空隙率明顯增加，從而導致SMA混合料的水穩(wěn)定性能大幅度降低。

（2）抗冰凍SMA混合料的設計可以在普通SMA混合料的基礎配合比上進行設計，其目標空隙率比最終抗冰凍SMA的設計空隙率降低1%～2%，最佳油石比增加0.1～0.3個百分點。LLM的添加過程中需控制拌和時間和溫度，為保證充分裹覆拌和時間在30～40 s，而因LLM以冷料添加可適當提高拌和溫度5～10℃。

（3）緩釋型抗冰凍SMA混合料的路用性能基本符合JTG F40—2004要求，但添加LLM后，SMA混合料的水穩(wěn)定性能有所下降。LLM的摻量在4.5%～5.5%時，改變其摻量對SMA混合料的水穩(wěn)定性能變化不大。而添加一定量的水泥作為抗剝落劑時，可以明顯提高抗冰凍SMA混合料的水穩(wěn)定性能。

（4）優(yōu)化后的混合料抗冰凍性能亦較為理想?？贡鶅龌旌狭显?5℃條件下結冰較少，具有一定的除冰雪性能。

[1]王聯(lián)果，張建華，劉洋.冰雪路面凍滑抑制的技術對策[J].公路交通技術，2008（3）：28-32.

[2]張傳良，張麗娟，吳喜榮，等.化學類凍結抑制路面在國外公路中的應用[J].交通標準化，2010（15）：49-52.

[3]孫玉齊.鹽化物自融雪瀝青路面性能研究[D].西安：長安大學，2011.

[4]崔龍錫.蓄鹽類瀝青混合料研究[D].重慶：慶交通大學，2010.

[5]Dan Han-Cheng，He Lin-Hua，Zou Jin-Feng，et al.Laboratory study on the adhesive properties of ice to the asphalt pavement of highway[J].Cold Regions Science and Technolo gy，2014，7（13）：104-105.

[6]張玉福，張玉娥，吳玉卓，等.不同空隙率對SMA混合料水穩(wěn)定性的影響[J].交通標準化，2011（Z1）：176-178.

[7]Giuliani F，Merusi F，Polacco G，et al.Effectiveness of sodium chloride-based anti-icing filler in asphalt mixtures[J].Construction and Building Materials，2012，30：174-179.

[8]譚憶秋，孫嶸蓉，郭猛，等.蓄鹽瀝青混合料除冰雪性能研究[J].中國公路學報，2013（1）：23-29.

[9]王俏，孟勇軍，時建剛，等.抗凝冰集料瀝青混合料性能研究[J].新型建筑材料，2012（6）：62-64.

Research on road performance and optimal design of sustained-release anti-freeze SMA

WANG Wenfeng1，WU Dongsheng1，WU Chunying1，ZHANG Rongfu2，NIU Xiaowei1，ZHU Haoran1
（1.JSTI GROUP，Nanjing 210000，China；2.Zhenjiang Wufengkou Elevated Project Headquarters，Zhenjiang 212000，China）

Design method of sustained-release anti-freeze SMA is determined by adjusting its graduation，adding mode and preparation process.Road performance of freezing-proof mixture is evaluated through rutting test，immersed Marshall test，beam bending test，leakage test and Cantabro test etc.And impact of the amount of freezing-proof agent and addition of cement on water stability is researched.The results show that with the addition of anti-icing agent，the void fraction of the common SMA mixture was significantly increased，and water stability was decreased.When adding 1.5%cement，3%basic target porosity and 6.2% asphalt-aggregate ratio respectively，water stability and high temperature performance are improved and other road performance of sustained-release anti-freeze SMA basically meet the requirements of JTG F40—2004"Technical code for road asphalt pavement construction".Sustained-release anti-freeze SMA has a certain anti-ice-snow ability.

road engineering，asphalt mixture，freezing-proof technology，optimal design，road performance

TU528.37；U414.7+5

A

1001-702X（2016）07-0042-04

交通運輸部應用基礎研究項目（2014319775130）；

江蘇省自然科學基金（青年基金）項目（BK20150074）

2015-10-26；

2015-12-10

王文峰，男，1981年生，黑龍江佳木斯人，碩士，主要從事新型道路材料研究。