自融雪瀝青混合料融雪化冰性能試驗(yàn)研究

張 營，劉建飛

(1.河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，鄭州 450006；2.道橋新材料與結(jié)構(gòu)耐久性河南省工程實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450006)

在我國北方地區(qū)的冬季，降雪過程時(shí)有發(fā)生，給人民生產(chǎn)生活和交通運(yùn)輸帶來了很大影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，冰雪路面使交通事故發(fā)生率大大增加，每年因此造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大[1]。市政道路的除冰雪問題已經(jīng)越來越引起關(guān)注和重視。為處理路面積雪結(jié)冰的問題，多年來，市政道路管理部門做了大量的研究工作，探索出了多種清除道路積雪結(jié)冰的方法[2]。而化學(xué)類融雪抑冰瀝青混合料作為一種新型路面材料，即通過在瀝青混合料中摻加具有降低冰點(diǎn)作用的材料[3]，通過獨(dú)特的作用機(jī)理，實(shí)現(xiàn)瀝青混凝土路面融雪抑冰的功能，研究表明，鹽化物融雪路面在冬季可以起到融冰雪的作用，在路面遭遇大雪時(shí)，還可以有效防止路面積雪與結(jié)冰，降低機(jī)械除雪的難度，提高除雪效率[4]。

鄭州市農(nóng)業(yè)路快速通道在鄭州市“井字+環(huán)形”快速路系統(tǒng)中是重要“一橫”，對緩解鄭州城區(qū)交通擁堵狀況起著突出作用。由于全程高架，遇到降雪天氣時(shí)就會出現(xiàn)路面積雪和結(jié)冰，使路面濕滑堅(jiān)硬，大大增加了道路交通堵塞和發(fā)生交通事故的概率。為防止路面結(jié)冰，解決破冰融雪難題，提高路面抗滑能力，保證行車安全，在該項(xiàng)目的部分匝道處采用了主動(dòng)型防冰瀝青路面，為主動(dòng)型防冰瀝青混合料在工程中的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 融雪抑冰材料及其作用機(jī)理

融雪抑冰材料是采用原位聚合法對氯化物進(jìn)行改性，通過一定的工藝在氯化物的表層包裹一層具有疏水性、耐高溫特性的包覆材料，使融雪抑冰材料緩慢釋放析出到瀝青路面表層，作為融雪抑冰瀝青混合料的重要組成部分。鋪筑有融雪抑冰材料的瀝青路面，在冬季降雪發(fā)生溫度降低和濕度增大后，車輛行駛在路面表層造成瀝青路面表層壓縮而產(chǎn)生微變形，此時(shí)瀝青路面內(nèi)外壓力不同使得均勻分散于路面中的融雪抑冰材料由下而上極緩慢地抽吸到遭受壓力的瀝青路面表層[5]，溶解于表層積雪堅(jiān)冰中，并隨著表層積雪堅(jiān)冰中氯化物的分解，使得積雪堅(jiān)冰中鹽化物離子濃度升高，降低了水的液化蒸汽壓，使路面表層的積雪堅(jiān)冰處于冰水混合的狀態(tài)，抑制瀝青路面表層結(jié)冰[6]。

2 試驗(yàn)方法

2.1 馬歇爾試件表面結(jié)冰試驗(yàn)

根據(jù)冬季氣溫，將試驗(yàn)低溫環(huán)境設(shè)定為-15 ℃。按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，制作AC-13馬歇爾試件。分別在馬歇爾試件表面均勻噴灑30 g水，使試件表面形成一層水膜，將試件全部放入冰箱內(nèi)，于-15 ℃環(huán)境下冷凍2 h。觀察各組試件表面結(jié)冰情況。

2.2 融雪抑冰鹽化物冰點(diǎn)試驗(yàn)

將20 g水，20 g鹽化物，20 g氯化納，三種物質(zhì)分別放入溶解液為蒸餾水的1號、2號、3號燒杯中，再將燒杯放入零下10 ℃冰柜中，并觀察試驗(yàn)過程中溶液狀態(tài)變化情況。通過一定體積水和鹽化物溶液在低溫環(huán)境下的結(jié)冰情況來評價(jià)融雪抑冰材料的抑冰效果。

2.3 融雪抑冰鹽化物混合料融冰試驗(yàn)

1)鹽化物混合料的短期活性。分別用瀝青混合料制作了二個(gè)車轍板，一個(gè)摻入鹽化物防冰劑，另一個(gè)不摻鹽化物防冰劑。車轍模成型后在其上數(shù)次撒水，放入冰柜冰凍，冰凍厚約2 mm，放置在室外，立刻在冰層表面刻劃以及做融冰試驗(yàn)。

2)鹽化物吸水特性及存在持續(xù)性。將成型的馬歇爾試件放置于水泥標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)，靜置24 h，觀測試件表層現(xiàn)象；將馬歇爾試件浸泡在20 ℃的自來水中，放置72 h后，將試件劈裂，觀察內(nèi)部表層狀態(tài)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 馬歇爾試件表面結(jié)冰試驗(yàn)

由圖1可知：冷凍2 h后，未摻鹽化物的馬歇爾試件表層凝結(jié)一層白霜，上部面層結(jié)冰層較厚；而摻鹽化物試件表面有少許裸露且冰層較薄，凝冰量相對較小，這一結(jié)果說明瀝青混合料中摻加融雪抑冰材料可以有效地抑制冰層的形成，可以起到良好的抑冰效果。

3.2 融雪抑冰鹽化物冰點(diǎn)試驗(yàn)

通過3種溶液在低溫環(huán)境下隨時(shí)間變化的現(xiàn)象可以看出(表1)，短時(shí)間內(nèi)鹽化物能顯著抑制冰晶的形成，宏觀上表現(xiàn)出可以有效緩解甚至防止大體量冰層形成的特性。燒杯中溶液結(jié)冰現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)，水結(jié)冰體堅(jiān)硬致密，而摻融雪抑冰鹽化物的溶液結(jié)冰松散，呈現(xiàn)冰渣狀，見圖2。

表1 3種溶液冰點(diǎn)試驗(yàn)現(xiàn)象

3.3 融雪抑冰鹽化物混合料融冰試驗(yàn)

1)鹽化物混合料的短期活性

(1)劃擦試驗(yàn)是用鈍刀具在冰凍的試件表面劃擦，通過劃擦試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，摻鹽化物防冰劑車轍板表面可劃出冰渣，說明摻加鹽化物的瀝青混合料凍冰表面較為松軟，而未加鹽化物的瀝青混合料表面僅有幾條白印痕，表面較為堅(jiān)硬。

(2)室外融化時(shí)間。當(dāng)天氣溫為15～20 ℃，自然融冰約1 h，記錄顯示摻鹽化物防冰劑的融冰時(shí)間比不摻鹽化物的融冰時(shí)間快約30 min。在瀝青混合料中摻加鹽化物，自然溶冰時(shí)間短于不摻鹽化物的時(shí)間，即融冰時(shí)間要快。瀝青混合料摻鹽化物后，鋪筑的路面較不摻鹽化物的路面鏟雪化冰要省力。

2)融雪抑冰鹽化物中化學(xué)成分的吸水特性

融雪抑冰鹽化物是以氯化鈣為主，少量氯化納及苛性堿為輔，主輔成分與斥水性油脂混合反應(yīng)，經(jīng)化學(xué)工藝處理而得到固體的復(fù)合型路面防結(jié)冰材料。由于它含有氯離子，因而具有溶水及吸水特性，在做瀝青混合料馬歇爾試模的第二天發(fā)現(xiàn)試模表面結(jié)露有大量的水珠，證實(shí)了其吸水性，如圖3所示。

3)鹽化物在瀝青混合料中存在的持續(xù)性

在冬季，氣溫較低的條件下，鹽化物具有迅速被激活的特性，通過浸透壓和毛細(xì)管現(xiàn)象及行駛車輛的摩擦效果使鹽化物防冰劑逐漸析出，降低路面的冰點(diǎn)來有效地阻止路面結(jié)冰。在夏季，氣溫較高，瀝青變軟，會封住瀝青混凝土路面的空隙，阻止了鹽化物的釋放，更深層次的鹽化物以固體形式懸浮著，不會向下移動(dòng)，因此，鹽化物會長期存在于瀝青混合料中。將做過浸水試驗(yàn)的馬歇爾試模劈開，仍可看到白色固體鹽化物的存在，如圖4所示。

4 主動(dòng)型防冰瀝青路面使用效果觀察

2016年11月22日鄭州市迎來了自入冬以來的第一場降雪，雪厚度達(dá)到15～20 cm，大氣溫度的降低，大雪的覆蓋使道路處于結(jié)冰狀態(tài)，具備了主動(dòng)型防冰瀝青路面雪后觀測條件。因農(nóng)業(yè)路高架橋還沒有正式通車，路面未做任何除雪措施。

2016年11月23日早上11點(diǎn)，天氣陰，氣溫是-6～4 ℃。對主動(dòng)型防冰瀝青路面進(jìn)行了觀測，現(xiàn)場情況如圖5、圖6所示。從圖可以看出，經(jīng)過1 d的大雪，上下匝道離地面第一個(gè)伸縮縫的距離主動(dòng)型防冰瀝青路面無明顯積雪，路面潮濕，雪與路面未發(fā)生任何粘結(jié)。

從圖7可以看出未使用鹽化物防冰劑的普通路面上仍有很多積雪且已經(jīng)結(jié)冰，借助工具也較難鏟除冰雪，說明冰與路面結(jié)合緊密。

通過雪后路面狀況可以得到，普通路面積雪明顯，無路面裸露，因氣溫較低，積雪很容易經(jīng)過車輛碾壓后形成壓實(shí)雪。試驗(yàn)段路面無積雪、無結(jié)冰，有水浸痕跡，無積水，行車條件類似雨天環(huán)境。兩次降雪融雪觀察結(jié)果無明顯差別，說明防冰路面實(shí)際融雪效果較好。

5 結(jié) 論

a.鹽化物防冰劑可以降低瀝青混合料的冰點(diǎn)，具有顯著的融冰防結(jié)冰特點(diǎn)。

b.在瀝青混合料中添加鹽化物防冰劑作為一種主動(dòng)融雪防冰技術(shù)，對抑制瀝青路面結(jié)冰具有較為顯著的效果，適用于城市道路路面。

[1] 吳書琴，邵東偉，姜東華，等.城市道路除雪現(xiàn)狀及未來發(fā)展方向[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006,24(4)：556-557.

[2] 姜紹升，孫青松.化學(xué)類凍結(jié)抑制瀝青路面融雪效果評價(jià)[J].中外公路，2012,32(1)：243-247.

[3] 王 峰，韓 森，張麗娟，等．融冰雪瀝青混合料鹽分溶析試驗(yàn)[J]．長安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010,30(6):16-19.

[4] 陳拴發(fā)，劉壯壯，邢明亮，等．融雪抑冰材料性能影響因素研究[J]．建筑材料學(xué)報(bào)，2013，16(6)：1054-1057.

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

[6] 夏慧蕓，李芳芳，宋莉芳，等.自融雪材料制備及其融雪效果評價(jià)[J].公路，2015(7)：269-273.