氯鹽融雪劑對(duì)瀝青混合料性能影響的研究

賀皓皓，楊 林

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用殼牌A級(jí)70#基質(zhì)瀝青，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1所示，試驗(yàn)采用的粗集料為潔凈、干燥的石灰?guī)r集料，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)

試驗(yàn)成型用混合料類型為AC-16，其級(jí)配組成如表3所示。

表3 混合料級(jí)配組成

市面上常用融雪劑類型為氯鹽融雪劑、非氯鹽融雪劑和混合型融雪劑。本試驗(yàn)采用氯化鈉、氯化鎂、氯化鈉∶氯化鎂=1∶2(摻配比例按兩者體積大小確定)，其主要技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

表4 融雪劑主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

(1)融雪劑試驗(yàn)

根據(jù)GB/T23851-2009《道路除冰融雪劑》規(guī)范要求，本次試驗(yàn)首先對(duì)融雪劑的冰點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定：將三種融雪劑分別配制成不同濃度的鹽溶液，置于-20 ℃的低溫試驗(yàn)箱中，使用精準(zhǔn)溫度儀測(cè)其鹽溶液的冰點(diǎn)。

直徑為150 mm的培養(yǎng)皿中各加入50 ml蒸餾水，置于低溫試驗(yàn)箱中在相對(duì)應(yīng)的溫度下冷凍12 h，制備成形狀大小相同，厚度為3 mm的冰樣。開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)，分別稱取氯鹽融雪劑5g，將融雪劑均勻迅速的撒布在制備的冰樣上，并開(kāi)始計(jì)時(shí)，用膠頭滴管分別抽取第10 min～60 min內(nèi)融化產(chǎn)生的鹽溶液并量取體積。每種融雪劑在相應(yīng)的溫度下進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，取3次試驗(yàn)的平均值作為該融雪劑的融冰體積。

(2)混合料試驗(yàn)

瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)和肯塔堡飛散試驗(yàn)參照J(rèn)TGE20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》制備試驗(yàn)所用成型的馬歇爾試件，標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件尺寸應(yīng)符合直徑101.6±0.2 mm、高63.5±1.3 mm的要求。

將成型的AC-16混合料馬歇爾試件，分別在不同濃度(0，5%，10%，15%，20%)的3種融雪劑溶液中凍融循環(huán)10次，鹽凍融溫度為-20 ℃，恒溫水浴溫度為5 ℃。以鹽溶液浸泡24 h，鹽凍15 h，水浴12 h為一個(gè)循環(huán)，凍融循環(huán)結(jié)束后對(duì)其瀝青混合料試件進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)和肯塔堡飛散試驗(yàn)。

2 融雪除冰效果研究

2.1 冰點(diǎn)測(cè)定

測(cè)定3種融雪劑在不同濃度下的冰點(diǎn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 三種融雪劑冰點(diǎn)與濃度的關(guān)系

由圖1可以看出：隨著融雪劑濃度的不斷增加，其冰點(diǎn)也不斷降低。在-20 ℃以下時(shí)，Mgcl2融雪劑的冰點(diǎn)明顯低于Nacl融雪劑，且濃度增加冰點(diǎn)越低。

2.1 除冰效果研究

根據(jù)上述試驗(yàn)，測(cè)定了這3種融雪劑在不同溫度(-5 ℃，-10 ℃，-15 ℃，-20 ℃)下的融冰體積，結(jié)果如圖2～圖5所示。

圖2 -5 ℃下融雪劑融冰體積 圖3 -10 ℃下融雪劑融冰體積

圖4 -15 ℃下融雪劑融冰體積 圖5 -20 ℃下融雪劑融冰體積

融雪劑的融雪原理是可以通過(guò)降低積雪冰面的凝固點(diǎn)，使路面含有鹽溶液能在較低溫度下保持液態(tài)，在車輪沖擊等作用下，不斷進(jìn)行由固相變?yōu)橐合嗟倪^(guò)程，即冰雪開(kāi)始融化，隨著時(shí)間的增加黑色路面全部露出。融雪劑在不同的溫度下除冰效果各不相同，在冬季道路降雪對(duì)于融雪劑的選擇尤為重要。如圖2～圖5：Nacl融雪劑在初始撒布時(shí)除冰效果較為緩慢，因?yàn)槁塞}顆粒結(jié)晶體大，溶解度小，受周圍環(huán)境影響，由固態(tài)融雪劑變?yōu)橐簯B(tài)融雪劑需要一定的時(shí)間周期。在轉(zhuǎn)變?yōu)辂}溶液后，除冰效果直線上升，相比其余兩種融雪劑而言，撒布后期除冰能力明顯增加；Mgcl2融雪劑前期融雪除冰效果較好，尤其-20 ℃低溫情況下，效果愈加明顯，但后續(xù)除冰能力不足，容易引發(fā)道路二次結(jié)冰等問(wèn)題，適用于高速公路、隧道出入口、上下坡路等道路冰雪的處理；而Nacl、Mgcl2摻配比例為1∶2的融雪劑在不同的低溫下除冰效果居于兩者之間，適用于主干街道冰雪的處理。

3 對(duì)混合料的性能影響

3.1 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

瀝青路面撒布融雪劑后，在一段時(shí)間內(nèi)瀝青材料處于含固態(tài)融雪劑與液態(tài)鹽溶液的交替變化過(guò)程中，對(duì)路面材料造成一定的破壞作用，水損害較為嚴(yán)重。凍融劈裂試驗(yàn)常用來(lái)測(cè)定瀝青混合料試件受到水損害前后劈裂破壞的強(qiáng)度比，用于評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 劈裂強(qiáng)度與濃度的關(guān)系

圖7 劈裂強(qiáng)度比與濃度的關(guān)系

由圖6、圖7可知：瀝青混合料試件的劈裂強(qiáng)度隨著融雪劑濃度的增加呈先增后降的趨勢(shì)。在融雪劑濃度為5%時(shí)，試件劈裂強(qiáng)度達(dá)到最大，是由于鹽溶液濃度較低，在-20 ℃下未能起到融冰效果，部分鹽晶體滲入到瀝青混合料空隙中，在試件凍融過(guò)程中起到提充作用，使試件顆粒間隙更加緊密，一定程度上對(duì)試件的劈裂強(qiáng)度起到有利作用；隨著濃度的逐級(jí)增加，劈裂強(qiáng)度下降，且Mgcl2融雪劑﹥Nacl融雪劑﹥Nacl∶Mgcl2=1∶2﹥清水。

3.2 飛散試驗(yàn)

在凍融循環(huán)作用下融雪劑溶液會(huì)造成瀝青與集料的剝離，引起瀝青內(nèi)部分子間結(jié)構(gòu)的破壞，從而對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性造成極大的影響。瀝青混合料飛散試驗(yàn)常用來(lái)評(píng)價(jià)在外界因素影響下路面表面集料脫落而散失的程度，也可稱之為肯塔堡試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 飛散損失與濃度的關(guān)系

由圖12可知：3種融雪劑對(duì)瀝青混合料造成了不同程度的飛散損失，隨著融雪劑濃度的增加，瀝青混合料的飛散損失減小，當(dāng)鹽溶液濃度為5%左右時(shí)，試件損失最為嚴(yán)重，且Nacl∶Mgcl2=1∶2﹥Nacl﹥Mgcl2；其原因主要是鹽溶液中有極性很強(qiáng)的Na+、Mg2+和Cl-，對(duì)于集料的吸附能力強(qiáng)于瀝青材料，同時(shí)凍融循環(huán)使瀝青與集料的交界處出現(xiàn)缺陷，鹽溶液更易進(jìn)入混合料內(nèi)部，浸蝕并剝離包裹著集料的瀝青，導(dǎo)致瀝青混合料結(jié)構(gòu)的破壞。

4 結(jié) 論

(1)3種融雪劑中，隨著濃度的增加Mgcl2融雪劑的冰點(diǎn)最低，在冬季溫差大的地區(qū)更適于道路清雪除冰工作。

(2)在除冰效果方面，Nacl融雪劑在不同溫度下的表現(xiàn)為：前期融冰乏力，后期持久融冰體積大；Mgcl2融雪劑的表現(xiàn)為：前期融冰效果顯著，溫度越低融冰體積越大，后期融冰效果一般；而氯鹽類混合物融冰效果則介于兩者之間。

(3)隨著融雪劑濃度的增加，AC-16混合料試件的劈裂強(qiáng)度呈先增后降的趨勢(shì)，當(dāng)融雪劑濃度為5%時(shí)，劈裂強(qiáng)度達(dá)到最大，且Mgcl2﹥Nacl﹥Nacl∶Mgcl2=1∶2。

(4)隨著融雪劑濃度的增加，瀝青混合料的飛散損失不斷減小，當(dāng)鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，試件損失最為嚴(yán)重，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的情況下，3種融雪劑損失程度大小為：Nacl∶Mgcl2=1∶2﹥Nacl﹥Mgcl2。