耐久型自融冰雪瀝青路面的制備及其路用性能研究

段掌璽 張明虎

(貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

在低溫環(huán)境下，冰雪黏附于路表面，引起車輪與路面的附著力急劇下降，特別是在橋面、隧道出入口、山坡背陰處等特殊路段，常常引發(fā)連環(huán)交通事故。若深夜突發(fā)雨雪狀況，養(yǎng)護人員無法及時對路面上的冰雪進行清理，交通事故的發(fā)生率則大幅度提升。

目前路面的除冰雪技術多為被動式清除冰雪，其代表方式有撒布融冰雪鹽、人工除冰雪和機械除冰雪技術等[1-6]。采用撒布融冰雪鹽的方式進行路面除冰雪，會腐蝕道路基礎設施的結構，降低其使用壽命，而且嚴重污染環(huán)境。人工除冰雪技術效率低，無法及時對偏遠地區(qū)的路面進行清理；機械除冰雪技術是一種強行清理方式，清理過程中可能會對路面造成損壞，而且能耗較大不經濟，因此，業(yè)內人士亟待尋求一種主動式路面除冰雪技術。

隨著研究的不斷深入，在1960年初瑞士研究出了一種融雪抑冰材料V-260，其融雪抑冰能力及路用性能均相對較優(yōu)[7-8]，因此，在國內也得到了部分推廣運用。1970年末日本開發(fā)出了一種自融冰雪材料MFL，并鋪筑了試驗段，試驗段的融冰雪效果較明顯。我國對于自融冰雪路面的研究相對較晚，但是在借鑒國外先進技術的基礎上，同時也開發(fā)出了多種融雪抗凝冰材料，其中較有代表性的產品有ICB、IGD和中交抗暗冰填料。

通過對國內外路面自融冰雪產品的調研，發(fā)現其成分大多為氯化物，主要原因是氯化物來源廣、價格低和穩(wěn)定性好。自融冰雪路面通常為析出式，路面在水和車輛的綜合作用下，融雪劑中的鹽分逐漸析出到路表面，降低了路表水冰點及冰雪與路面之間的黏附力，從而達到自融冰雪的效果。由于在瀝青混合料摻加融雪劑的量及融雪劑的組分對路面的融雪效果有著關鍵性的影響，國內研制的融雪抑冰材料大多處于室內研究驗證階段。而目前較為成熟的MFL和V-260存在著造價高和路用性能差等劣勢，因此，本文研發(fā)出一種新型融雪劑A，研究思路為利用鋼渣將鹽分包裹，然后對包裹有鹽分的鋼渣進行疏水處理，以提高融雪劑的耐久性。實驗證明，該方法可以實現固體廢棄物再生利用、鹽分緩釋的效果，同時具有較好的路用性能。

1 融雪劑研發(fā)

1.1 材料選擇

鋼渣是一種多孔結構，可以充分吸附融雪劑，本文選擇山東日照鋼鐵廠的鋼渣為融雪劑載體。目前市場上融雪劑主要分為氯鹽和非氯鹽2類。氯鹽類包括氯化鈣、氯化鈉、氯化鎂等；非氯鹽類包括乙酸鹽、醋酸鹽等。通過調研對比不同鹽分的融冰雪能力，優(yōu)選出天津某公司生產的氯化鈉為融雪劑的主要成分。在雨季時，鹽分的的加速析出，造成水中鹽分質量濃度增大，污染環(huán)境，為了延緩融雪劑的析出速率和降低產品對環(huán)境的危害，選用聚甲基硅氧烷為疏水劑對包裹有融雪劑的鋼渣進行處理。另外為解決經疏水劑處理后的鋼渣與瀝青黏附力差的問題，本文采用硅烷偶聯(lián)劑對鋼渣的表面進行二次裹附，以增強有機物與無機物之間的黏結強度。

1.2 融雪劑制備

融雪劑制備工藝如下：①將鋼渣和氯化鈉在160 ℃環(huán)境下加熱烘干4～6 h；②將偶聯(lián)劑溶于乙醇與水混合液中，使偶聯(lián)劑發(fā)生水解縮合反應，進一步生成網狀聚合物結構；③將干燥的鋼渣與氯化鈉充分攪拌，使鹽分充分進入鋼渣的孔隙中；④在鋼渣與氯化鈉的混合物中加入疏水劑充分攪拌，使疏水劑裹覆在混合物的表面；⑤再加入水解之后的偶聯(lián)劑溶液，使得偶聯(lián)劑充分包裹混合物的表面；⑥將制備的混合料放入保溫箱中進行陳化30 min；⑦將混合物加入球磨機進行研磨，制備不同粒度的成品融雪劑。

采用上述制備工藝，制備出4種不同成分比例的融雪劑A(包括A(1)、A(2)、A(3)、A(4))，其中鋼渣的質量分數為55%～72%，氯化鈉質量分數為20%～30%，偶聯(lián)劑溶液質量分數為3%～6%，疏水劑質量分數為5%～10%。融雪劑成分見表1。

表1 不同含量融雪劑成分 %

2 自融冰雪路面混合料配合比設計

利用球磨機將融雪劑制成粒徑約為0.075 mm的顆粒，雖然自制融雪劑與0.075 mm石料的粒徑很接近，但因密度存在差異性，采用等質量置換易造成混合料拌和功率增大、施工和易性變差、空隙率降低，進而影響鹽分析出，增加施工難度。因此，在配合比設計過程中采用等體積完全置換的方法替換礦粉，制備出混合料類型為AC-13的馬歇爾試件，以計算添加融雪劑A的瀝青混合料最佳瀝青用量,試驗結果見圖1。

圖1 油石比試驗

由圖1馬歇爾試驗結果可知，空隙率中值的油石比為4.75%，密度最大值的油石比為5.1%，穩(wěn)定度最大值的油石比為5.0%，瀝青飽和度中值的油石比為4.73%，由此可得，OAC1(最佳油石比1)為4.90%；所有指標均滿足要求時OACmin(最小最佳油石比)為4.05%，OACmax(最大最佳油石比)為4.99%，由此可得，OAC(最佳油石比2)2為4.52%；綜上可得，最佳油石比為4.71%。

3 融冰雪效果評價

3.1 融冰效果評價

在-5 ℃的環(huán)境條件下，以多組對照為原則進行室內融冰實驗，進而評價自融冰雪路面的融冰效果，首先將一定質量的冰塊同時置于添加和未添加有融雪劑A的馬歇爾試件表面，測試1 h后試件表面冰塊的質量變化，結果見表2。

由表2可知，未添加融雪劑的試件融冰百分率為6.5%，添加融雪劑A的試件，融冰百分率分別為16.0%、19.7%、22.2%和17.2%，從數據上可知，融雪劑A具有超強的融冰能力，其融冰效果大約是正常試件的2.4～3.4倍。

3.2 融雪效果評價

結合2018年貴陽降雪狀況，進行室內融雪實驗。以降雪4 h之后車轍板表面的裸露面積為評價指標，對比分析添加融雪劑A的路面融雪效果。

在小雪環(huán)境下，4 h之后未添加和添加融雪劑A的車轍板表面裸露狀況見圖2。

圖2 小雪4小時之后板式試件表面積雪狀況

由圖2可知，在小雪4 h之后，以試件表面的裸露面積為評價指標，對比分析未添加和添加融雪劑A的板式試件表面積雪狀況可知，未添加融雪劑的板式試件被一層薄薄的積雪完全覆蓋，而添加了融雪劑的板式試件表面幾乎全部處于裸露狀態(tài)，說明研發(fā)出的融雪劑在小雪環(huán)境下具有較好的融雪效果。

在中雪環(huán)境下，4 h之后未添加和添加融雪劑A的車轍板表面裸露狀況見圖3。

圖3 中雪4 h之后板式試件表面積雪狀況

由圖3可知，在中雪環(huán)境下4 h之后，以試件表面的裸露面積為評價指標，對比分析未添加和添加融雪劑A的板式試件表面積雪狀況可知，未添加融雪劑的車轍板式試件被一層厚的積雪完全覆蓋，而添加了融雪劑的板式試件表面可以明顯看出試件的顏色，特別是A(2)和A(4)2種比例的融雪劑，在中雪的環(huán)境下仍能裸露出路面，說明其具有極好的融雪效果。

4 路用性能研究

一種新材料和新技術的推廣和應用，都不能破壞原有材料的使用性能，因此本文研發(fā)出的自融冰雪混合料不但要具備融冰雪的功能，而且還必須滿足路用性能的各項指標。本研究采用等體積替換法，將融雪劑等體積替換0.075 mm的集料，從而制備出一種具有融冰雪功能的瀝青混合料。由于加入融雪劑之后的瀝青混合料高低溫穩(wěn)定性沒有太大的變化，本文就不做贅述。但是在冬季或雨季，由于鹽分的不斷析出，而引起混合料內部空隙率不斷增大，在冬季凍融循環(huán)作用下會引起瀝青混合料的內部結構加速破壞；同時由于空隙率的增大，水與瀝青的接觸面積變大，造成瀝青的黏附力下降，從而加速促使集料剝落，繼而產生松散、剝落和坑槽等一系列病害水損害，降低了路面的使用壽命。

由于在瀝青混合料中加入融雪劑之后，對瀝青混合料的水穩(wěn)定性和耐久性影響較大，因此需要采用一定措施提高瀝青與集料之間的黏附性，從而保證瀝青混合料的水穩(wěn)定性和耐久性。本研究選擇消石灰改善自融冰雪瀝青路面的水穩(wěn)性能，利用消石灰代替部分礦粉，用于增強自融冰雪瀝青混合料的水穩(wěn)性，主要是因為：①消石灰可改善集料的表面性質；②石灰粉的比表面積比礦粉的大，還可提高瀝青與集料之間的分子力；③消石灰具有活性，通過消石灰與瀝青成分發(fā)生反應生成表面活性劑，提高與集料表面之間的黏附力，從而使瀝青不易剝落[9-10]。

采用多組對照實驗，將配置的4種融雪劑依次添加比例為1%，1.5%和2%的消石灰，制成試件后進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，對比分析在加入不同比例的消石灰條件下自融冰雪路面試件的水穩(wěn)性能，試驗結果見圖4。

圖4 添加消石灰后水穩(wěn)定性實驗結果

由圖4可知，消石灰可以提高自融雪瀝青混合料水穩(wěn)性能。研究結果發(fā)現，加入消石灰之后，4種自融冰雪路面初始階段殘留馬歇爾穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強度比均有明顯的改善，其殘留馬歇爾穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強度比值均提高4～5個百分點。對比添加1.5%和2.0%消石灰的4種自融冰雪路面，其殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度變化不大，因此，推薦消石灰摻量為1.5%。

5 結論

1) 本試驗以鋼渣、氯化鈉、聚甲基硅氧烷和硅烷偶聯(lián)劑為主要原材料，研發(fā)出了一種新型融雪劑，并推薦4種配合比例。

2) 通過對自融冰雪瀝青路面的融雪和抗凝冰效果進行室內評價，本文研發(fā)的自融冰雪材料其融冰能力是正常路面的2.4～3.4倍，在小雪和中雪環(huán)境下可以快速融化冰雪，具有較大的使用價值。

3) 針對自融冰雪混合料的水穩(wěn)定性和耐久性差的缺點，提出添加質量分數為1.5%的消石灰，實驗證明，其殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強度比值均提高4～5個百分點。