鹽化物自融雪材料對(duì)瀝青混合料性能的影響

張 營(yíng)，田艷霞 ，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(guó)北方地區(qū)，被動(dòng)式除雪仍然是寒冷冬季雨雪天氣時(shí)確保道路交通運(yùn)輸順利進(jìn)行的主要措施之一，即路面積雪甚至凝冰后再進(jìn)行融雪除冰處理，比如利用機(jī)械設(shè)備吹雪、鏟雪和撒布融雪鹽等手段[1]，存在效果差、成本高、效率慢、污染大等諸多缺點(diǎn)[2]。為解決目前傳統(tǒng)除雪方式存在的問題，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者及工程技術(shù)人員積極開展主動(dòng)型防冰技術(shù)研究，取得了一定的研究成果?；瘜W(xué)機(jī)理型自融雪瀝青路面是指在普通瀝青混合料中通過摻入具有抑制雪水凍結(jié)效果的鹽化物作為核心物質(zhì)的改性材料，經(jīng)成熟的攤鋪碾壓成型工藝而形成的具有抑制冰雪凍結(jié)效果的路面[3]。20世紀(jì)70年代末期，日本開始引進(jìn)海外技術(shù)，并在國(guó)內(nèi)進(jìn)行了實(shí)體性鋪筑，逐漸將此類技術(shù)成功地進(jìn)行了本土化研究和應(yīng)用[4]。隨著新型化學(xué)類鹽化物研究的不斷深入和制備工藝的日益更迭，主動(dòng)型防冰融雪瀝青路面取得了較為優(yōu)良的實(shí)施效果，當(dāng)冬季鹽化物融雪路面遭遇冰雪覆蓋時(shí)，可以有效抑制冰雪凝結(jié)，起到防止路面積雪與結(jié)冰作用，進(jìn)而提高除雪效率[5]。

1 融雪抑冰材料及其作用機(jī)理

鹽化物自融雪材料是采用原位聚合法借助物理化學(xué)改性機(jī)理通過特殊精細(xì)工藝在主體氯化物的表層裹覆一層具有疏水和耐高溫特性的材料，使鹽化物能夠均勻混合于瀝青混合料中并在應(yīng)用過程中能夠緩慢釋放并析出到瀝青路面表層[6]。鋪筑有融雪抑冰鹽化物瀝青混合料的路面，在冬季降雪后，行駛在路面表層的車輛荷載造成瀝青路面表層壓縮而產(chǎn)生內(nèi)外壓力梯度，使得均勻分散于混合料中的融雪抑冰材料由里及外由下而上類似于毛細(xì)管作用機(jī)理而極其緩慢的抽吸到微形變的瀝青路面表層，逐漸與表層的積雪堅(jiān)冰接觸并溶解釋放出氯化物，使得積雪堅(jiān)冰中鹽化物離子濃度升高，使路面表層的積雪堅(jiān)冰處于冰水混合的狀態(tài)，從而顯著的延緩了雪水凝結(jié)并降低冰凍程度[7]。

2 原材料

2.1 鹽化物防冰劑

試驗(yàn)研究選用的融雪抑冰材料是瑞士某公司生產(chǎn)的化學(xué)類鹽化物材料。表1為鹽化物的物理指標(biāo)。

表1 融雪抑冰鹽化物技術(shù)指標(biāo)

2.2 瀝青

鹽化物瀝青混合料主要應(yīng)用在低溫地區(qū)，需要具有較好的低溫穩(wěn)定性，SBS改性瀝青低溫性能優(yōu)良[8]，并且與集料的黏附能力較好。表2為SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)。

表2 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

2.3 集料與礦粉

選用的集料表面粗糙潔凈、形狀規(guī)則、無風(fēng)化、無雜質(zhì)，與瀝青的黏附性能達(dá)到5級(jí)、吸水率小于1.0%，且具有足夠的強(qiáng)度和耐磨耗性能，其他性能指標(biāo)均需滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；選用的礦粉中粒徑0.075 mm篩孔的通過率大于80%，干燥無雜質(zhì)，親水系數(shù)< 1，其余技術(shù)指標(biāo)均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 防冰瀝青混合料配合比組成設(shè)計(jì)

1)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

①根據(jù)鹽化物材料技術(shù)指標(biāo)，經(jīng)理論計(jì)算摻量5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鹽化物在混合料中體積約占7.9%，在鹽化物材料的混合過程中，部分鹽化物顆粒容易被擠壓破碎，造成精細(xì)顆粒含量增高。因此對(duì)基礎(chǔ)混合料的細(xì)集料和礦粉用量不進(jìn)行調(diào)整[8]。②優(yōu)化基礎(chǔ)混合料的礦料級(jí)配及油石比，使馬歇爾試件的孔隙率控制在2.0%～2.8%。③由于加入鹽化物材料后混合料的粘度增大，馬歇爾試件的空隙率有所提升，因此試驗(yàn)過程中將混合料成型溫度提高5～10 ℃。④由于鹽化物瀝青路面長(zhǎng)期暴露自然環(huán)境中，隨著時(shí)間的推移混合料中的鹽化物會(huì)逐漸流失，導(dǎo)致路表的構(gòu)造深度會(huì)增加。因此，考慮將瀝青用量比基礎(chǔ)混合料提高0.2%～0.5%。

2)級(jí)配設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出基礎(chǔ)瀝青混合料組成，并在此基礎(chǔ)上添加自融雪鹽化物后進(jìn)行合理優(yōu)化和適當(dāng)調(diào)整。

①基礎(chǔ)級(jí)配選擇 通過這三種試級(jí)配的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果分析：在三種AC-13級(jí)配中，級(jí)配一的空隙率偏大，為了獲得較為滿意的目標(biāo)空隙率需額外增大瀝青使用量，出于經(jīng)濟(jì)性考慮，不宜采用；級(jí)配三的空隙率較小，并在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配范圍內(nèi)上限附近，其高溫動(dòng)穩(wěn)定度相對(duì)較小，也不宜采用；級(jí)配二的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)良好且均滿足相關(guān)技術(shù)要求，并且級(jí)配在2.36 mm 篩孔上的通過量位于級(jí)配曲線的中值附近，有利于現(xiàn)場(chǎng)施工控制，且更符合防結(jié)冰路用材料對(duì)混合料空隙率的要求，經(jīng)綜合分析選擇級(jí)配二作為設(shè)計(jì)級(jí)配。

表3 AC-13級(jí)配 通過百分率/%

表4 3種初試AC-13級(jí)配的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

②確定最佳油石比 當(dāng)采用中級(jí)配作為骨料級(jí)配時(shí)，為了節(jié)約成本，同時(shí)又要滿足融雪抑冰材料的技術(shù)要求，采用逐步提高的方式，優(yōu)選4.5%、5.0%和5.5%三種比例來確定最佳油石比。根據(jù)所選用的基礎(chǔ)級(jí)配，按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》要求進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，并測(cè)定相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 馬歇爾試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

基于以上分析，此次設(shè)計(jì)采用瀝青混合料馬歇爾配合比方法，根據(jù)JTG E20—2011《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)要求及鹽化物材料自身特性進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，確定了瀝青混合料的材料品種及配合比、礦料級(jí)配、最佳油石比以及鹽化物摻量，如表6所示。

表6 融雪抑冰瀝青混合料最佳配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

3.2 融雪抑冰瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)

依據(jù)馬歇爾試驗(yàn)進(jìn)行生產(chǎn)配合比驗(yàn)證，經(jīng)測(cè)試，馬歇爾試件各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)良好且均能滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。表7為馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果。

表7 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

3.3 路用性能試驗(yàn)

主要通過高溫、低溫和水穩(wěn)3項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)來評(píng)價(jià)鹽化物自融雪瀝青混合料的路用性能。

1)依據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了鹽化物自融雪瀝青混合料的水穩(wěn)定性試驗(yàn)，分別采用浸水馬歇爾試驗(yàn)方法，選取殘留穩(wěn)定度比技術(shù)指標(biāo)表征。試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 浸水馬歇爾試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明，加入鹽化物材料后瀝青混合料的抗水損害性能同普通混合料比，殘留穩(wěn)定度下降幅度較大，但均能滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。分析原因是試驗(yàn)選用的鹽化物防冰劑材料具有易碎特性，在混合過程中產(chǎn)生的顆粒碎渣改變了混合料中集料整體的表面化學(xué)性質(zhì)，顯著降低了集料與膠結(jié)料界面間物理附著層和化學(xué)吸附層的穩(wěn)定性，綜合作用導(dǎo)致瀝青混合料的水穩(wěn)定性能顯著降低。

2)采用車轍試驗(yàn)來評(píng)價(jià)融雪防冰瀝青路面的高溫穩(wěn)定性，以動(dòng)穩(wěn)定度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。表9為融雪防冰瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果。

表9 動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果證明，摻加鹽化物后瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度有所衰減，但高溫性能良好，符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》相對(duì)應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)要求。

3)采用低溫彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)鹽化物瀝青混合料的低溫性能。試驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)照組未摻鹽化物的普通瀝青混合料的最大彎拉微應(yīng)變?yōu)? 500，而摻加鹽化物的瀝青混合料最大彎拉微應(yīng)變值為3 855，降低了14.3%，但滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)破壞應(yīng)變的要求(冬冷區(qū)和冬溫區(qū)微應(yīng)變不小于2 500)。

4 結(jié) 論

a.摻有鹽化物防冰劑的AC-13型密級(jí)配瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)和路用性能指標(biāo)均能滿足規(guī)范和使用要求。

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