氯鹽類(lèi)融雪劑對(duì)瀝青混凝土性能的影響

孟令波，張 維，王 迅

(1.青島理正建設(shè)科技有限公司，青島 266033；2.青島理工建業(yè)檢測(cè)科技有限公司，青島 266043)

冰雪天氣是阻礙交通暢通的“大敵”，發(fā)展道路除冰雪技術(shù)勢(shì)在必行.其中，采用融雪劑是應(yīng)用最為廣泛的方法.融雪劑種類(lèi)繁多，其中氯鹽型融雪劑和非氯鹽型融雪劑較為常見(jiàn)，而氯鹽類(lèi)融雪劑因其價(jià)格低、融雪效果好，被多數(shù)國(guó)家采用，據(jù)悉，美國(guó)每年所用的融雪劑中氯鹽類(lèi)占4/5.早期大都使用NaCl，后來(lái)也使用CaCl2，MgCl2，KCl等，在國(guó)際上通稱(chēng)氯鹽類(lèi)融雪劑作“化冰鹽”.

氯鹽之所以具有良好的融雪融冰效果，是因?yàn)樗陨砭哂锌梢越档退谋c(diǎn)的特性.氯鹽類(lèi)融雪劑撒在冰雪表面上，積雪會(huì)因?yàn)槁塞}溶解放熱而融化.融化后鹽水的冰點(diǎn)比水低，因此不容易再凝固結(jié)成冰，從而達(dá)到融雪的效果.

實(shí)踐證明，氯鹽類(lèi)融雪劑的使用對(duì)于及時(shí)融化冰雪的確有效并且經(jīng)濟(jì)適用，但也存在嚴(yán)重的負(fù)面影響[1-2].氯鹽類(lèi)融雪劑的使用，一方面能快速融化冰雪，經(jīng)濟(jì)實(shí)用；另一方面氯鹽具有較強(qiáng)的腐蝕性和加快凍融破壞性，對(duì)道路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施以及汽車(chē)、地下管線(xiàn)等金屬物品均能造成嚴(yán)重的腐蝕破壞，引起巨大的經(jīng)濟(jì)損失.不少學(xué)者對(duì)融雪劑的破壞機(jī)理、預(yù)防措施等做了研究[3-5].國(guó)外學(xué)者對(duì)氯鹽類(lèi)融雪劑對(duì)瀝青混凝土性能的影響已經(jīng)有一定的研究，1996年美國(guó)聯(lián)邦公路局研究顯示，氯鹽類(lèi)融雪劑的使用會(huì)明顯降低瀝青混凝土路面的抗滑性能[6].LIU等采用改進(jìn)沸水試驗(yàn)方法(ASTM D3625)研究了醋酸鹽對(duì)瀝青混凝土性能的影響，結(jié)果表明醋酸鹽會(huì)加速瀝青混凝土中瀝青的乳化，從而對(duì)瀝青混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生影響[7].代琳琳等[8]的研究表明，氯離子可以加快瀝青的氧化過(guò)程，從而降低瀝青與砂石骨料的握裹能力.傅廣文[9]研究了融雪劑對(duì)瀝青混合料路用性能的影響，研究表明融雪劑的使用降低了瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度、動(dòng)穩(wěn)定度等性能指標(biāo).

本文在國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)瀝青與集料的黏附性試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)和凍融-彎曲試驗(yàn)，研究了不同濃度的固體及液體氯鹽融雪劑對(duì)瀝青混凝土性能的影響.

1 試驗(yàn)原材料

1.1 瀝青混合料

本試驗(yàn)所用原材料為青島地區(qū)常用的瀝青AC-13面層材料類(lèi)型，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)的相關(guān)規(guī)定取樣、制作試件.所做試件考慮不同環(huán)境條件，包括水、固體和液體兩種融雪劑兩種不同濃度(5%和10%)，分別進(jìn)行瀝青與集料的黏附性試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)和凍融-彎曲試驗(yàn).

表1 原樣瀝青的主要技術(shù)性質(zhì)

1.1.1 瀝青的技術(shù)性質(zhì)

本試驗(yàn)采用高富牌A級(jí)50號(hào)瀝青，采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中規(guī)定的試驗(yàn)方法對(duì)瀝青各項(xiàng)技術(shù)性能進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表1，試驗(yàn)結(jié)果表明，該瀝青各項(xiàng)技術(shù)性能滿(mǎn)足規(guī)范的要求.

1.1.2 瀝青混合料配合比

本試驗(yàn)采用AC-13玄武巖瀝青混合料，級(jí)配如表2所示，最佳油石比為4.6%.

表2 AC-13玄武巖瀝青混合料級(jí)配

1.2 融雪劑

所用融雪劑均為青島地區(qū)常用的氯鹽類(lèi)融雪劑，No.1為白色粉末狀的固體融雪劑，No.2為無(wú)色的液體融雪劑.采用離子色譜儀對(duì)主要可溶性離子進(jìn)行了測(cè)定，離子色譜儀試驗(yàn)結(jié)果如表3所示.

表3 離子色譜儀試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，No.1的白色粉末狀融雪劑主要成分為CaCl2，No.2的無(wú)色透明液體狀融雪劑的主要成分為NaCl，均含有較多的氯離子，對(duì)瀝青混凝土橋面鋪裝存在耐久性損傷的風(fēng)險(xiǎn).

2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)分別采用了清水、濃度為5%和10%的液體融雪劑溶液以及濃度為5%和10%的固體融雪劑溶液，對(duì)5種不同情況下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析.彎曲試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)和凍融-彎曲試驗(yàn)需要先將相同的試件分別放在5種溶液中浸泡，浸泡齡期為1個(gè)月.每種條件下的試件(試樣)都有4個(gè)，測(cè)得的相應(yīng)的4個(gè)結(jié)果為1組，試驗(yàn)結(jié)果為4個(gè)數(shù)值的平均值.當(dāng)1組測(cè)定值中某個(gè)數(shù)據(jù)與平均值之差大于標(biāo)準(zhǔn)差的1.46倍時(shí)，該測(cè)定值應(yīng)予以舍棄，并以其余測(cè)定值的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果.

2.1 融雪劑對(duì)瀝青與集料的黏附性的影響

瀝青與集料的黏附性大小直接影響到瀝青混合料承載能力的大小，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)采用水浸法進(jìn)行了試驗(yàn)，研究氯鹽融雪劑對(duì)瀝青混合料黏聚力的影響，將觀察的在石料顆粒表面裹覆瀝青膜的面積作為試驗(yàn)結(jié)果.

圖1 彎曲試驗(yàn)裝置

2.2 融雪劑對(duì)瀝青混合料路用性能的影響

2.2.1 彎曲試驗(yàn)方法

按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中T0703—2011瀝青混合料試件制作方法，在輪碾成型的板塊狀試件上用切割法制作棱柱體試件，試件尺寸應(yīng)該符合長(zhǎng)(250±2)mm、寬(30±2)mm、高(35±2)mm的要求.按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中瀝青混合料彎曲試驗(yàn)(T0715—2011)步驟進(jìn)行試驗(yàn).

壓力機(jī)以規(guī)定的速率在跨徑中央施以集中荷載，直至試件破壞.記錄儀同時(shí)記錄荷載-跨中撓度曲線(xiàn).試驗(yàn)裝置如圖1所示.跨徑為200 mm.

2.2.2 劈裂試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中的瀝青混合料劈裂試驗(yàn)(T0716—2011)方法進(jìn)行.采用擊實(shí)法制作圓柱體試件，雙面擊實(shí)各50次.試件制作完成后，分別放置在清水、濃度為5%和10%的液體融雪劑溶液以及濃度為5%和10%的固體融雪劑溶液中浸泡，浸泡齡期為1個(gè)月.待達(dá)到試驗(yàn)預(yù)期的浸泡時(shí)間后，取出試件，進(jìn)行劈裂試驗(yàn).試驗(yàn)裝置如圖2所示.

2.2.3 凍融-彎曲試驗(yàn)方法

通過(guò)凍融-彎曲試驗(yàn)研究和分析融雪劑對(duì)瀝青混合料經(jīng)受低溫后的性能影響.該試驗(yàn)參考《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)中的“快凍法”進(jìn)行.凍融-彎曲試驗(yàn)采用與前述彎曲試驗(yàn)相同的試件，每組4塊.設(shè)備采用TDR-3型全自動(dòng)混凝土快速凍融試驗(yàn)設(shè)備，如圖3所示.試件分別放入清水、濃度為5%和10%的液體融雪劑溶液以及濃度為5%和10%的固體融雪劑溶液，每次凍融循環(huán)在2～3 h內(nèi)完成，其中用于融化的時(shí)間為整個(gè)凍融時(shí)間的1/4.所有試件的凍融次數(shù)均設(shè)定為20次.凍融循環(huán)后，取出試件立即按前述彎曲試驗(yàn)的方法進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，得到試件的極限抗彎承載力.

圖2 劈裂試驗(yàn)裝置

圖3 全自動(dòng)快速凍融試驗(yàn)設(shè)備

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 融雪劑對(duì)瀝青與集料的黏附性的影響

經(jīng)過(guò)水浸法試驗(yàn)后，不同溶液中石料顆粒表面裹覆瀝青膜的面積情況如圖4所示.

圖4 瀝青與集料的黏附性試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)觀察，在不同濃度融雪劑溶液下浸泡過(guò)的石料顆粒表面裹覆的瀝青膜的面積基本相同，與浸液前相比，基本沒(méi)有變化.該試驗(yàn)結(jié)果可以表明，融雪劑對(duì)瀝青混合料的黏聚力的影響不大.

3.2 融雪劑對(duì)瀝青混合料路用性能的影響

3.2.1 彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

采用Origin軟件，對(duì)彎曲試驗(yàn)結(jié)果(位移-荷載曲線(xiàn))進(jìn)行擬合，得到如圖5所示的曲線(xiàn).由各曲線(xiàn)的最高點(diǎn)得到3種不同濃度(0%，5%，10%)固體和液體融雪劑下浸泡試件的極限彎曲承載力值，4個(gè)結(jié)果為1組，試驗(yàn)結(jié)果為4個(gè)數(shù)值的平均值，匯總?cè)绫?所示.

表4 彎曲極限承載力試驗(yàn)結(jié)果

由表4看出，氯鹽融雪劑的使用均降低了瀝青混合料的抗彎極限破壞荷載.對(duì)比相同濃度的固、液氯鹽融雪劑浸泡過(guò)的試件的極限抗彎破壞荷載發(fā)現(xiàn)，在使用融雪劑濃度相同的情況下，當(dāng)溶液濃度小于10%時(shí)，液體融雪劑對(duì)瀝青混合料的破壞影響更大；當(dāng)溶液濃度為10%時(shí)，彎曲試驗(yàn)結(jié)果固體融雪劑、液體融雪劑較基準(zhǔn)構(gòu)件分別減少16.87%，15.66%，說(shuō)明不同狀態(tài)的融雪劑，當(dāng)濃度為10%時(shí)對(duì)瀝青的影響基本一致；對(duì)比同種融雪劑可以看出，固體融雪劑浸泡過(guò)的試件破壞程度幾乎不受其濃度的影響，大約能夠降低瀝青混合料抗彎性能的20%，而液體融雪劑浸泡過(guò)的試件破壞趨勢(shì)與其濃度差別較大，需進(jìn)一步試驗(yàn)研究其規(guī)律.

圖5 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2 劈裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

采用Origin軟件，對(duì)劈裂試驗(yàn)結(jié)果(位移-荷載曲線(xiàn))進(jìn)行擬合，得到如圖6所示的曲線(xiàn)，由各曲線(xiàn)最高點(diǎn)得出3種不同濃度(0%，5%，10%)固體和液體融雪劑下浸泡試件的極限破壞荷載，匯總?cè)绫?所示.

表5 劈裂極限承載力試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，濃度5%固體融雪劑下浸泡試件的極限破壞荷載沒(méi)有降低反而有所提高，這主要是由于試件本身存在一定的離散型，總體來(lái)看，濃度5%融雪劑的使用對(duì)瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度影響較小，濃度10%融雪劑的使用對(duì)瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度影響較明顯，隨著濃度的增大，其對(duì)瀝青混合料的影響也呈增大趨勢(shì).相同濃度的固體融雪劑溶液要比液體融雪劑溶液對(duì)瀝青混合料性能的影響更明顯.

3.2.3 凍融-彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

采用Origin軟件，對(duì)經(jīng)受凍融損傷后的試件進(jìn)行彎曲加載試驗(yàn)，對(duì)其結(jié)果(位移-荷載曲線(xiàn))進(jìn)行擬合，得到如圖7所示的曲線(xiàn).由各曲線(xiàn)最高點(diǎn)可以得出3種不同濃度(0%，5%，10%)固體和液體融雪劑下浸泡試件的極限破壞荷載，匯總?cè)绫?所示.

圖6 劈裂試驗(yàn)結(jié)果

圖7 凍融-彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表6 凍融-彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，融雪劑的使用降低了瀝青混合料的凍融抗彎強(qiáng)度，并且隨著濃度的增大，其對(duì)瀝青混合料的影響也越來(lái)越大.同種濃度的液體融雪劑溶液要比固體融雪劑溶液對(duì)瀝青混合料性能的影響更明顯.

4 結(jié)論

本文分別研究了清水、濃度為5%和10%的液體融雪劑溶液以及濃度為5%和10%的固體融雪劑溶液5種不同溶液對(duì)瀝青混合料的黏聚力、抗彎性能、抗劈裂性能以及抗凍融-彎曲性能的影響，得出如下結(jié)論：

1) 氯鹽融雪劑的使用，對(duì)瀝青混合料的黏聚力基本沒(méi)有影響.

2) 氯鹽融雪劑的使用，均降低了瀝青混合料的抗彎承載力.在使用融雪劑濃度相同的情況下，當(dāng)溶液濃度為5%時(shí)，液體融雪劑對(duì)瀝青混合料的破壞影響更大；當(dāng)溶液濃度為10%時(shí)，彎曲試驗(yàn)結(jié)果固體融雪劑、液體融雪劑較基準(zhǔn)構(gòu)件分別減少16.87%，15.66%，說(shuō)明不同狀態(tài)的融雪劑，當(dāng)濃度為10%時(shí)對(duì)瀝青的影響基本一致；對(duì)比同種融雪劑可以看出，固體融雪劑浸泡過(guò)的試件破壞程度幾乎不受其濃度的影響，而液體融雪劑浸泡過(guò)的試件破壞趨勢(shì)與其濃度的關(guān)系需進(jìn)一步試驗(yàn).

3) 隨著氯鹽融雪劑濃度的增長(zhǎng)，融雪劑對(duì)瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度降低愈加明顯，不同種類(lèi)的融雪劑對(duì)瀝青混合料劈裂強(qiáng)度降低數(shù)值略有不同，同種濃度的固體融雪劑溶液要比液體融雪劑溶液影響要大些.

4) 凍融-彎曲試驗(yàn)結(jié)果顯示，兩類(lèi)氯鹽融雪劑均導(dǎo)致瀝青混合料的鹽凍，溶液濃度越大，鹽凍引起的損傷越明顯.