鹽化物融雪瀝青混合料路用性能及應(yīng)用研究

(河北省高速公路榮烏管理處，河北 保定 072550)

0 引言

我國北方地區(qū)天氣寒冷，受冰雪危害的影響較為嚴(yán)重，特別是在冬季大部分公路路面基本處于積雪和結(jié)冰狀態(tài)，為保證道路的安全運(yùn)行需及時(shí)對(duì)路面積雪進(jìn)行清除[1]。目前，我國采用的除雪技術(shù)主要為人工加機(jī)械輔助的方式，該方法不僅會(huì)耗費(fèi)大量人力和物力，更會(huì)對(duì)路面結(jié)構(gòu)和環(huán)境造成一定破壞。因此，深入研究融雪瀝青混合料在公路工程中的應(yīng)用具有重要意義[2-5]。

近年來，國內(nèi)學(xué)者關(guān)于融雪瀝青混合料的性能及材料特性等進(jìn)行了大量研究。如張爭(zhēng)奇等[6]關(guān)于儲(chǔ)鹽類融雪抑冰材料對(duì)瀝青混合料性能影響展開研究，分析了融雪抑冰的主要材料類型、作用機(jī)理、評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用效果等，并探討了材料對(duì)瀝青混合料融雪抑冰功能和路用性能的影響；肖勁松等[7]關(guān)于物理-化學(xué)綜合融雪除冰瀝青混合料展開研究，分別就鹽化物融雪劑的選擇、橡膠顆粒的摻入方法、物理-化學(xué)融雪除冰瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)、物理-化學(xué)融雪除冰瀝青混合料的成型工藝等4個(gè)方面進(jìn)行了深入研究，為解決冬季道路冰雪問題提供了新的思路和途徑；劉子銘等[8]關(guān)于超薄鹽化物自融雪瀝青混合料融雪性能展開研究，以溶液電導(dǎo)率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來表征溶液中鹽分濃度大小，間接評(píng)價(jià)自融雪瀝青混合料的融雪化冰效果；采用灰熵法分析不同影響因素對(duì)融雪性能的顯著性，并對(duì)其融雪機(jī)理進(jìn)行探討；李根等[9]關(guān)于融雪瀝青混合料融雪效果長效性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究，選擇了兩類融雪填料，在材料路用性能研究的基礎(chǔ)上，基于相似性原理建立了飽水模型，采用溶液電導(dǎo)分析法研究了融雪瀝青混合料中融雪填料的析出變化規(guī)律，并提出融雪長效性預(yù)估模型。上述研究主要是針對(duì)融雪防冰材料、物理-化學(xué)融雪除冰方法及融雪長期性效果展開分析，而關(guān)于鹽化物融雪瀝青混合料的應(yīng)用研究仍需進(jìn)一步完善?；诖耍疚尼槍?duì)鹽化物融雪瀝青混合料的路用性能及實(shí)際工程應(yīng)用效果展開試驗(yàn)研究，其成果可為公路融雪路面研究提供有益參考。

1 原材料

瀝青混合料中摻入鹽化物主要是為了起到降低冰點(diǎn)及破冰融雪的作用，通過利用鹽化物部分或全部替代混合料中的礦粉來制作鹽化物融雪瀝青混合料，其主要材料如下：

鹽化物：采用由日本生產(chǎn)的Mafilon材料，是一種通過特殊工藝將氯化鈉灌入火成巖多孔結(jié)構(gòu)后所得的新型材料，主要化學(xué)成分包含：MgCI、CaCI、SiO2及NaCI等，其中NaCI作為有效成分占比在55%左右。MFL主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 MFL主要技術(shù)參數(shù)Table 1 MFL main technical parameters材料密度/(g·cm-3)含水量/%含鹽量/%pH值顆粒含量篩選結(jié)果/%<0.6 mm<0.15 mm<0.075 mmMFL2.2860.28578.210091.274.9

瀝青：試驗(yàn)選用SBS改性瀝青，SBS改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

集料：粗集料采用骨料粒徑為10～15、5～10 mm的玄武巖碎石，與瀝青粘附性為5級(jí)，表觀密度為2.76 g/cm3，壓碎值為12.2%，洛杉磯磨耗損失為12.5%，吸水率為1.42%，針片狀含量為7.2。細(xì)集料采用骨料粒徑為0～3 mm的玄武巖機(jī)制砂，表觀密度為2.82 g/cm3，砂當(dāng)量為69%，吸水率為1.28%。

表2 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical indicators of SBS modified asphalt項(xiàng)目15 ℃密度/(g·cm-3)閃點(diǎn)/℃針入度(25 ℃,100g,5s)/0.1mm針入度指數(shù)PI規(guī)范取值實(shí)測(cè)≥23040～60≥0試驗(yàn)結(jié)果1.082342520.11延度(5℃,5 cm/min)/cm軟化點(diǎn)/℃135 ℃動(dòng)力粘度/(Pa·s)薄膜烘箱試驗(yàn)質(zhì)量損失/%針入度比25℃/%延度5℃/cm≥25≥65≤3≤±0.6≥70≥2032752.40.147323

礦粉：采用由石灰?guī)r碎石打磨后所得礦粉，其主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 礦粉主要技術(shù)參數(shù)Table 3 Main technical parameters of mineral powder材料密度/g·cm-3 含水量/%親水系數(shù)塑性指數(shù)顆粒含量篩選結(jié)果/%<0.6mm<0.15mm<0.075mm礦粉2.6620.60.723.110092.179.3

2 配合比設(shè)計(jì)

鹽化物瀝青混合料的設(shè)計(jì)工藝和制備流程等與基質(zhì)瀝青混合料基本一致，唯一區(qū)別是鹽化物瀝青混合料需采用MFL材料部分或全部代替礦粉。根據(jù)對(duì)比鹽化物和礦粉物理參數(shù)發(fā)現(xiàn)，鹽化物的密度要大于礦粉密度，在設(shè)計(jì)配合比時(shí)若采用等質(zhì)量置換法進(jìn)行替代，將會(huì)導(dǎo)致礦粉體積增大，容易造成瀝青混合料流動(dòng)性下降，因此替代過程選用不會(huì)對(duì)礦粉體積造成影響的等體積置換法，同時(shí)對(duì)瀝青混合料配合比的合成級(jí)配及時(shí)進(jìn)行修正。為了研究鹽化物摻量對(duì)瀝青混合料路用性能的影響及確定最佳鹽化物摻量，同時(shí)設(shè)計(jì)鹽化物摻量分別為0%、2%、4%及6%的4種配合比方案進(jìn)行瀝青混合料路用性能對(duì)比試驗(yàn)，確定材料設(shè)計(jì)比例見表4[9-12]。

表4 鹽化物瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)Table 4 Mixing ratio design of salted asphalt mixture設(shè)計(jì)方案鹽化物/%礦粉/%瀝青含量/%粗集料含量/%5～10mm10～15mm細(xì)集料含量/%木質(zhì)纖維含量/%一0962742150.4二2762742150.4三4562742150.4四6362742150.4

3 路用性能分析

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE20-2011)規(guī)范要求，鹽化物融雪瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性分別采用動(dòng)穩(wěn)定度車轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)以及劈裂強(qiáng)度測(cè)試的試驗(yàn)方法，對(duì)凍融循環(huán)作用下不同配合比方案的瀝青混合料路用性能展開綜合比較，試驗(yàn)結(jié)果如下：

3.1 低溫穩(wěn)定性

鹽化物瀝青混合料低溫穩(wěn)定性的好壞主要通過劈拉強(qiáng)度和最大拉應(yīng)變進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過對(duì)4種配合比方案進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn)，并針對(duì)凍融作用下不同設(shè)計(jì)方案的瀝青混合料彎拉強(qiáng)度及最大拉應(yīng)變變化規(guī)律展開對(duì)比分析，結(jié)果如圖1所示。

(a) 彎拉強(qiáng)度

(b) 最大拉應(yīng)變

Figure 1 Low temperature stability performance curve of asphalt mixture under freeze-thaw action

根據(jù)圖1(a)可知，瀝青混合料中摻入鹽化物對(duì)提高劈拉強(qiáng)度效果顯著，隨著鹽化物摻量的增加，瀝青混合料的劈拉強(qiáng)度呈不斷增大趨勢(shì)，其中采用方案二、三的瀝青混合料劈拉強(qiáng)度增強(qiáng)效果要遠(yuǎn)小于方案四，說明鹽化物摻量過少時(shí)，對(duì)瀝青混合料劈拉強(qiáng)度的提升效果較小，而采用方案四時(shí)，對(duì)瀝青混合料劈拉強(qiáng)度的提升效果顯著。不同方案的鹽化物瀝青混合料劈拉強(qiáng)度均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而不斷減小，原因是由于凍融循環(huán)的作用，空氣中介質(zhì)通過瀝青混合料的孔隙結(jié)構(gòu)滲入其中，導(dǎo)致混合料內(nèi)部原材料之間的粘結(jié)強(qiáng)度下降，從而降低了瀝青混合料的劈拉強(qiáng)度。

根據(jù)圖1(b)可知，鹽化物的摻入對(duì)提高瀝青混合料最大拉應(yīng)變效果同樣顯著，隨著鹽化物摻量的增加，瀝青混合料的最大拉應(yīng)變呈不斷增大趨勢(shì)，其中采用方案二、三的瀝青混合料最大拉應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)效果要遠(yuǎn)小于方案四，說明鹽化物摻量過少時(shí)，對(duì)瀝青混合料最大拉應(yīng)變的提升效果較小，而采用方案四時(shí)，對(duì)瀝青混合料最大拉應(yīng)變的提升效果顯著。不同方案的鹽化物瀝青混合料最大拉應(yīng)變均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而不斷減小，原因是由于凍融循環(huán)的作用，空氣中介質(zhì)通過瀝青混合料的孔隙結(jié)構(gòu)滲入其中，導(dǎo)致混合料內(nèi)部原材料之間的粘結(jié)強(qiáng)度下降。瀝青混合料最大拉應(yīng)變?cè)酱蟊砻髟趦鋈谧饔孟驴梢猿惺艿膽?yīng)變?cè)酱?，因此鹽化物摻量采用方案四時(shí)，瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性最強(qiáng)。

3.2 高溫穩(wěn)定性

鹽化物瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的好壞主要通過動(dòng)穩(wěn)定度進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過對(duì)4種配合比方案進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定度車轍試驗(yàn)，并針對(duì)凍融作用下不同設(shè)計(jì)方案的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度變化規(guī)律展開對(duì)比分析，結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，鹽化物的摻入對(duì)提高瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度效果顯著，隨著鹽化物摻量的增加，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度呈不斷增大趨勢(shì)，說明增加鹽化物摻量可以增強(qiáng)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性。當(dāng)鹽化物摻量由方案二增至方案四時(shí)，瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度增長趨勢(shì)逐漸變大，說明隨著鹽化物摻量的增加，對(duì)瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的提升效果越大。不同方案的鹽化物瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而不斷減小，且隨著鹽化物摻量的增大，不同凍融循環(huán)次數(shù)的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度變化趨勢(shì)越來越穩(wěn)定，說明雖然凍融作用會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度下降，但鹽化物的摻入提升了瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，且經(jīng)凍融次數(shù)越多提升效果越明顯。因此，鹽化物摻量采用方案四時(shí)，瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度最高且在凍融作用下最穩(wěn)定，表明此時(shí)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性最強(qiáng)。

圖2 凍融作用下瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度變化曲線Figure 2 Dynamic stability curve of asphalt mixture under freeze-thaw action

3.3 水穩(wěn)定性

鹽化物瀝青混合料水穩(wěn)定性的好壞主要通過劈裂強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過對(duì)4種配合比方案進(jìn)行劈裂強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)，并針對(duì)凍融作用下不同設(shè)計(jì)方案的瀝青混合料劈裂強(qiáng)度變化規(guī)律展開對(duì)比分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 凍融作用下瀝青混合料劈裂強(qiáng)度變化曲線Figure 3 Curve of splitting strength of asphalt mixture under freeze-thaw action

根據(jù)圖3可知，在采用無鹽化物摻入的方案一時(shí)，瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度呈最小值，采用摻入少量鹽化物的方案二后，瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度顯著提升，說明鹽化物的摻入可以有效增強(qiáng)瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度。當(dāng)鹽化物摻量由方案二增至方案四時(shí)，瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度增長趨勢(shì)逐漸變大，說明隨著鹽化物摻量的越大，對(duì)瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度的提升效果越大。不同方案的鹽化物瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而不斷減小，原因是遇水后鹽化物材料中的含鹽顆粒會(huì)產(chǎn)生化學(xué)效應(yīng)，造成瀝青與集料之間的粘聚力下降，最終導(dǎo)致瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度降低。鹽化物摻量采用方案四時(shí)，瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度均呈最大值，表明此時(shí)瀝青混合料的水穩(wěn)定性最強(qiáng)。

4 應(yīng)用效果

根據(jù)比較以上4種設(shè)計(jì)方案的鹽化物融雪瀝青混合料在凍融作用下，低溫穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性的分析結(jié)果，得出采用鹽化物摻量為6%的方案四制備鹽化物瀝青混合料的路用性能最好。為驗(yàn)證方案四在實(shí)際工程的融雪、破冰效果，對(duì)某公路采用方案四制備的鹽化物融雪瀝青混合料進(jìn)行路面鋪裝，施工過程中瀝青混合料流動(dòng)性較好，無凝結(jié)和攤鋪困難等現(xiàn)象。養(yǎng)護(hù)階段完成后對(duì)路面融雪效果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀察，在停雪1 d后，積雪層表面無明顯變化，撥開積雪層路面呈潮濕狀態(tài)且無凍結(jié)現(xiàn)象；停雪3 d后，積雪層呈現(xiàn)明顯融化現(xiàn)象，路面兩側(cè)出現(xiàn)大量融水；停雪5 d后，除路面兩側(cè)還有少量積雪外，路面積雪基本完全融化。由此表明，采用方案四鋪設(shè)的融雪路面在抑制結(jié)冰及加速融雪方面效果顯著，同時(shí)驗(yàn)證了該方案的實(shí)際應(yīng)用效果。

5 結(jié)語

上文介紹了組成鹽化物融雪瀝青混合料的主要成分以及原材料的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了不同鹽化物摻量配合比方案，通過試驗(yàn)對(duì)比分析了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性變化規(guī)律。鹽化物的摻入對(duì)提升凍融作用下瀝青混合料的路用性能有顯著效果，隨著鹽化物摻量的增加，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性均不斷提升，其中采用方案四制備的鹽化物融雪瀝青混合料路用性能最佳。同時(shí)，通過對(duì)方案四在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果觀察發(fā)現(xiàn)，鹽化物瀝青混合料在施工過程中無凝結(jié)、攤鋪困難等現(xiàn)象，流動(dòng)性較好，在抑制路面結(jié)冰及加速融雪方面效果顯著，驗(yàn)證了該方案的實(shí)際應(yīng)用效果。