融雪劑融雪效果及對瀝青混合料性能影響研究

董慶宇

（洛界高速公路管理處，河南洛陽471000 ）

道路是城市內(nèi)部和城市之間相互聯(lián)系的重要通道，目前我國各級公路和城市道路普遍采用平整度好、行車噪音小、開放交通快的瀝青路面結(jié)構(gòu)，瀝青路面已在我國道路工程建設(shè)中發(fā)揮重要作用。但冬季來臨時(shí)，我國北方和南方大部分地區(qū)都會(huì)面臨降雪和結(jié)冰等凝凍天氣，這給道路的正常通行帶來巨大挑戰(zhàn)。我國一般采取機(jī)械設(shè)備和撒融雪劑等方式進(jìn)行道路除冰雪[1-3]。其中機(jī)械除冰雪需要人力與機(jī)械密切配合，且存在容易造成路面刮擦、緊鄰路表部分的冰雪清除效果差等問題，因此一般而言只有道路積雪較厚時(shí)采用機(jī)械除冰雪，其它情況下多采用撒融雪劑方式進(jìn)行處理[4-6]。故研究融雪劑在瀝青路面除冰雪中的應(yīng)用具有重要意義。

李鵬等研究了氯鹽類融雪劑和復(fù)合醋酸鹽類融雪劑的融雪效果，發(fā)現(xiàn)復(fù)合醋酸鹽類融雪劑的融雪效果可達(dá)到氯鹽類的90%，但其對路面材料和路面周邊植物的影響較小，環(huán)保性能較優(yōu)[7]；魏建國等研究了氯鹽融雪劑對瀝青性能的影響，發(fā)現(xiàn)融雪劑浸泡后基質(zhì)瀝青高溫和抗老化性能提高，低溫性能降低[8]；王如先研究了融雪劑對瀝青混合料低溫性能的影響，發(fā)現(xiàn)瀝青混合料空隙率增加，融雪劑濃度提高和凍融循環(huán)次數(shù)增加時(shí)融雪劑對瀝青混合料低溫性能的不利影響程度增大，且NaCl 融雪劑造成的瀝青混合料低溫抗裂性損失較CaCl2融雪劑高[9]；龍穎輝研究了融雪劑對瀝青路面水穩(wěn)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著融雪劑濃度的提高和凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青路面的水穩(wěn)定性逐漸變差[10]。

現(xiàn)有研究主要涉及融雪劑的融雪效果和融雪劑對瀝青路面性能的影響，但融雪效果和對瀝青路面性能的影響程度基本對立，因此有必要將兩者結(jié)合分析，以優(yōu)選適宜的瀝青路面除冰雪方法。本文首先研究了氯鹽和醋酸鹽融雪劑的融雪效果，進(jìn)而分析兩種融雪劑對瀝青混合料路用性能的影響，可對融雪劑在實(shí)踐中的應(yīng)用提供一定參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

（1）瀝青

采用目前我國瀝青路面上面層常用的SBS（I-D）改性瀝青進(jìn)行試驗(yàn)研究，其各項(xiàng)指標(biāo)滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）要求，見表1。

表1 SBS（I-D）改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indexes of SBS (I-D) modified asphalt

（2）融雪劑

選擇目前常用的工業(yè)鹽NaCl 融雪劑和環(huán)保型醋酸鉀融雪劑進(jìn)行試驗(yàn)研究，主要技術(shù)指標(biāo)分別見表2 和表3。

表2 NaCl 融雪劑主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Main technical indexes of NaCl snow melting agent

表3 醋酸鉀融雪劑主要技術(shù)指標(biāo)Table 3 Main technical indexes of potassium acetate snow melting agent

1.2 試驗(yàn)方法

（1）融冰能力試驗(yàn)

配置25g 一定濃度融雪劑水溶液置于燒杯1，并取100g 水倒入直徑10cm 燒杯2，將兩個(gè)燒杯分別移入t℃冰箱中冷凍2h，取出兩個(gè)燒杯，迅速將燒杯1 中的融雪劑溶液倒入燒杯2 中的冰塊表面，將燒杯2 再次移入t℃冰箱中冷凍n分鐘，取出后傾倒燒杯2 將液體部分倒出，根據(jù)公式(1)計(jì)算融冰率用于融雪劑融雪效果評價(jià)。

式(1) 中：W為融冰率（%）；m1為融化后燒杯2中液體部分質(zhì)量（g）；m2為融雪劑質(zhì)量（g），本試驗(yàn)中為25g；m為水凍為冰塊后的質(zhì)量（g），本試驗(yàn)中為100g。

（2）穿透能力試驗(yàn)

配置一定濃度融雪劑水溶液置于燒杯，并加入紅色墨水進(jìn)行染色，同時(shí)取7mL 水倒入規(guī)格10mL（直徑14mm）量筒，將燒杯和量筒分別移入t℃冰箱中冷凍2h，取出燒杯和量筒，迅速用注射器抽取燒杯1 中的融雪劑溶液注入量筒中直至液體至10mL 刻度線位置，將量筒再次移入t℃冰箱中冷凍n分鐘，取出后讀取紅色融雪劑溶液穿透深度。

2 融雪劑融雪效果研究

2.1 融雪劑濃度對融雪效果影響

采用NaCl 和醋酸鉀分別制備濃度為0%、5%、10%、15% 和20% 的融雪劑水溶液進(jìn)行融冰能力和穿透能力試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度t為-5℃，試驗(yàn)時(shí)間n為30min，結(jié)果分別如圖1 和圖2 所示。

圖1 融雪劑濃度對融冰能力的影響Fig.1 Effect of deicing agent concentration on ice melting capacity

圖2 融雪劑濃度對穿透能力的影響Fig.2 Effect of deicing agent concentration on penetration ability

由圖1 和圖2 可知：隨著融雪劑濃度升高，其融冰能力和穿透能力呈先不變后逐漸增強(qiáng)，融雪劑濃度由0%增加至5% 時(shí)，融冰率和穿透深度不變，而融雪劑濃度由5%增加至20%時(shí)，NaCl 和醋酸鉀融雪劑融冰率分別提高68% 和57%，穿透深度分別增加21mm 和16mm，分析原因?yàn)槿谘﹦舛容^低時(shí)其冰點(diǎn)較高，在試驗(yàn)溫度下已凝結(jié)為固體，因而不能發(fā)揮融雪化冰作用，而隨著濃度升高，冰點(diǎn)降低，融雪劑逐漸發(fā)揮作用，故融冰率和穿透深度逐漸增強(qiáng)。

NaCl 融雪劑融冰能力和穿透能力優(yōu)于醋酸鉀融雪劑，且隨著融雪劑濃度升高表現(xiàn)更加明顯。融雪劑濃度為10%、15% 和20% 時(shí)，NaCl 融雪劑對應(yīng)融冰率分別較醋酸鉀融雪劑高4%、6% 和9%，穿透深度則分別高2mm、3mm 和5mm。

2.2 試驗(yàn)溫度對融雪效果影響

采用NaCl 和醋酸鉀分別制備濃度20% 的融雪劑水溶液進(jìn)行融冰能力和穿透能力試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度t分別為-5℃、-10℃、-15℃和-20℃，試驗(yàn)時(shí)間n為30min，結(jié)果分別如圖3 和圖4 所示。

圖3 試驗(yàn)溫度對融冰能力的影響Fig.3 Effect of test temperature on ice melting capacity

圖4 試驗(yàn)溫度對穿透能力的影響Fig.4 Effect of test temperature on penetrability

由圖3 和圖4 可知：隨著試驗(yàn)溫度降低，其融冰能力和穿透能力逐漸減弱，且減弱速率逐漸下降。試驗(yàn)溫度由-5℃分別降低至-10℃、-15℃和-20℃時(shí)，NaCl 融雪劑融冰率分別降低24%、40% 和43%，穿透深度分別降低11mm、18mm 和21mm，醋酸鉀融雪劑融冰率分別降低17%、30% 和32%，穿透深度分別降低8mm、14mm 和16mm，同 時(shí)-5 ℃至-10 ℃、-10 ℃至-15 ℃和-15℃至-20℃三個(gè)溫度區(qū)間NaCl 融雪劑對應(yīng)的融冰率下降速率分別為4.8%/℃、3.2%/℃和0.6%/℃，穿透深度下降速率分別為2.2mm/℃、1.4mm/℃和0.6mm/℃，醋酸鉀融雪劑對應(yīng)的融冰率下降速率分別為2.2%/℃、1.4%/℃和0.6%/℃，穿透深度下降速率分別為1.6mm/℃、1.2mm/℃和0.4mm/℃，分析原因?yàn)樵囼?yàn)溫度下降時(shí)融雪劑溶液逐漸接近冰點(diǎn)，分子間運(yùn)動(dòng)速率減慢的緣故。

NaCl 融雪劑融冰能力和穿透能力優(yōu)于醋酸鉀融雪劑，但試驗(yàn)溫度降低時(shí)兩者差距逐漸縮小。試驗(yàn)溫度為-5℃、-10℃、-15℃和-20℃時(shí)，NaCl 融雪劑對應(yīng)融冰率分別較醋酸鉀融雪劑高9%、4%、1% 和0%，穿透深度則分別高5mm、2mm、1mm 和0mm。

2.3 試驗(yàn)時(shí)間對融雪效果影響

采用NaCl 和醋酸鉀分別制備濃度為20% 的融雪劑水溶液進(jìn)行融冰能力試驗(yàn)和穿透能力試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度t為-10℃，試驗(yàn)時(shí)間n分別為30min、60min、90min 和120min，結(jié)果分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 試驗(yàn)時(shí)間對融冰能力的影響Fig.5 Effect of test time on ice melting capacity

圖6 試驗(yàn)時(shí)間對穿透能力的影響Fig.6 Effect of test time on penetration ability

由圖5 和圖6 可知：隨著試驗(yàn)時(shí)間延長，其融冰能力和穿透能力逐漸增強(qiáng)，但增強(qiáng)速率逐漸減慢，并最終趨近于0。試驗(yàn)時(shí)間由0min 分別延長至30min、60min、90min 和120min 時(shí)，NaCl 融雪劑融冰率分別增加至43%、65%、70% 和73%，穿透深度分別增加21mm、28mm、33mm 和35mm，醋酸鉀融雪劑融冰率分別增加32%、50%、60% 和62%，穿透深度分別增加16mm、22mm、26mm 和28mm，同時(shí)0min 至30min、30min 至60min、60min 至90min 和90min 至120min四個(gè)時(shí)間區(qū)間NaCl 融雪劑對應(yīng)的融冰率上升速率分別為8.6%/min、4.4%/min、1.4%/min 和0.6%/min，穿 透 深度上升速率分別為4.4mm/min、1.2mm/min、1mm/min和0.4mm/min，醋酸鉀融雪劑對應(yīng)的融冰率上升速率分別為6.4%/min、3.6%/min、2%/min 和0.6%/min，穿透深度上升速率分別為3.2mm/min、1.2mm/min、0.8mm/min 和0.4mm/min，分析原因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)間延長時(shí)融化冰樣增加，融雪劑濃度逐漸被稀釋，因而增強(qiáng)速率逐漸減慢，同時(shí)隨著融雪劑濃度稀釋其冰點(diǎn)隨之下降，當(dāng)下降至試驗(yàn)溫度時(shí)融雪作用停止，繼續(xù)延長試驗(yàn)時(shí)間對融雪無效，因而實(shí)踐中應(yīng)根據(jù)氣溫等環(huán)境狀況間歇噴灑融雪劑方可保證融雪效果及行車安全。

各個(gè)試驗(yàn)時(shí)間下NaCl 融雪劑融冰能力和穿透能力優(yōu)于醋酸鉀融雪劑。試驗(yàn)時(shí)間為30min、60min、90min和120min 時(shí)，NaCl 融雪劑對應(yīng)融冰率分別較醋酸鉀融雪劑高9%、15%、12% 和12%，穿透深度則分別高5mm、6mm、7mm 和7mm。

3 融雪劑對瀝青混合料性能影響研究

為分析融雪劑對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性的影響，制備瀝青混合料試件置于25℃恒溫融雪劑溶液（濃度分別為0%、5%、10%、15% 和20% 時(shí)）中浸泡24h，取出采用保鮮膜密封后移入-10℃冰箱中冷凍24h，再移入60℃水浴中保溫24h，如此完成1 次凍融循環(huán)，進(jìn)行5 次凍融循環(huán)后進(jìn)行試驗(yàn)分析。

3.1 高溫穩(wěn)定性

圖7 融雪劑對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響Fig.7 Influence of snow melting agent on high temperature stability of asphalt mixture

采用輪碾法制備300mm×300mm×50mm 瀝青混合料試件，進(jìn)行5 次凍融循環(huán)后將試件風(fēng)干進(jìn)行車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度60℃，輪壓0.7MPa，結(jié)果如圖7 所示。

由圖7 可知，融雪劑溶液凍融循環(huán)會(huì)造成瀝青混合料高溫穩(wěn)定性降低，且濃度越高，降低作用越明顯。融雪劑濃度由0%分別增加至5%、10%、15%和20%時(shí)，NaCl 融雪劑處理的瀝青混合料試件動(dòng)穩(wěn)定度分別下降3.8%、7.7%、10.3% 和13.1%，醋酸鉀融雪劑則分別下降2.6%、5.4%、7.8% 和9.9%。分析原因?yàn)槿谘﹦┲宣}分破壞了SBS 在瀝青中形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，瀝青整體抗變形性能下降所致。此外，各個(gè)濃度下NaCl 融雪劑對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性造成的不利影響程度均高于醋酸鉀，其中濃度為5%、10%、15% 和20% 時(shí)，NaCl 融雪劑處理的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度分別較醋酸鉀處理的降低1.2%、2.4%、2.7%和3.6%。

3.2 低溫抗裂性

將輪碾法成型的瀝青混合料車轍試件切割為250mm×30mm×35mm 小梁，進(jìn)行5 次凍融循環(huán)后進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，溫度-10℃，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 融雪劑對瀝青混合料低溫抗裂性的影響Fig.8 Effect of snow melting agent on low temperature crack resistance of asphalt mixture

由圖8 可知，融雪劑溶液凍融循環(huán)會(huì)造成瀝青混合料低溫抗裂性降低，且濃度越高，降低作用越明顯。融雪劑濃度由0%分別增加至5%、10%、15%和20%時(shí)，NaCl 融雪劑處理的瀝青混合料試件最大彎拉破壞應(yīng)變分別下降2.3%、5.3%、7.1% 和9.8%，醋酸鉀融雪劑則分別下降1.6%、4.5%、6.1% 和7.9%。分析原因?yàn)槿谘﹦┲宣}分一方面會(huì)破壞SBS 在瀝青中形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，另一方面會(huì)使瀝青乳化溶于水，粘性下降，因而低溫變形能力變差，容易開裂。此外，各個(gè)濃度下NaCl 融雪劑對瀝青混合料低溫抗裂性造成的不利影響程度均高于醋酸鉀，其中濃度為5%、10%、15% 和20% 時(shí)，NaCl 融雪劑處理的瀝青混合料最大彎拉破壞應(yīng)變分別較醋酸鉀處理的降低0.8%、0.8%、1.1% 和2.0%。

3.3 水穩(wěn)定性

制備標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件進(jìn)行5 次凍融循環(huán)后進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，結(jié)果如圖9 所示。

圖9 融雪劑對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響Fig.9 Influence of snow melting agent on water stability of asphalt mixture

由圖9 可知，融雪劑溶液凍融循環(huán)會(huì)造成瀝青混合料水穩(wěn)定性降低，且濃度越高，降低作用越明顯。融雪劑濃度由0% 分別增加至5%、10%、15% 和20% 時(shí)，NaCl 融雪劑處理的瀝青混合料試件凍融劈裂強(qiáng)度比分別下降1%、4%、6%和9%，醋酸鉀融雪劑則分別下降1%、3%、4% 和7%。分析原因?yàn)槿谘﹦┲宣}分會(huì)侵入瀝青-集料界面，造成集料表面瀝青膜剝離所致。此外，整體上NaCl 融雪劑對瀝青混合料水穩(wěn)定性造成的不利影響程度高于醋酸鉀，其中濃度為5%、10%、15%和20%時(shí)，NaCl 融雪劑處理的瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比分別較醋酸鉀處理的降低0%、1%、2%和2%。

4 結(jié)語

（1）NaCl 融雪劑融雪效果優(yōu)于醋酸鉀，且隨著融雪劑濃度和試驗(yàn)溫度升高，兩種融雪劑的融雪效果逐漸變好；隨著試驗(yàn)時(shí)間延長，融雪效果呈先增強(qiáng)后不變趨勢。

（2）NaCl 融雪劑和醋酸鉀融雪劑均對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性有不利影響，且Nacl 融雪劑的不利影響程度更高。

（3）各個(gè)試驗(yàn)條件下醋酸鉀的融雪效果為NaCl 融雪劑的66.7%～83.3%，而其對瀝青混合料路用性能造成的降低幅度為NaCl 融雪劑的66.7%～86.1%，因此為盡量保證瀝青混合料路用性能，條件允許時(shí)推薦在實(shí)踐中優(yōu)先使用醋酸鉀融雪劑。