環(huán)保型融雪劑對瀝青混合料的侵蝕研究

鄭存華、朱小康

（1.通遼市公路養(yǎng)護(hù)中心，內(nèi)蒙通遼028000；2.武漢廣益交通科技股份有限公司，湖北武漢430000）

0 引言

對于我國冬季的城市道路出行來說，受雨雪天氣的影響是比較大的，而目前除雪最佳的方式是，使用融雪劑除雪。傳統(tǒng)氯鹽融雪劑在使用中極易對瀝青和混凝土等設(shè)施造成不利的影響。使用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量廢棄秸稈作為原料，通過水熱反應(yīng)，生產(chǎn)CMA(醋酸鈣鎂鹽)環(huán)保型融雪劑，其融雪化冰能力和對環(huán)境腐蝕的影響比傳統(tǒng)融雪劑低。CMA 環(huán)保型融雪劑與傳統(tǒng)氯鹽融雪劑相比，其優(yōu)勢體現(xiàn)在對生物形成良好的降解、較小的環(huán)境傷害和毒性、較高的融雪效率上，但其融冰能力相對融雪能力要弱，為傳統(tǒng)氯鹽融雪劑的90%。

1 環(huán)保型融雪劑的制備

選擇麥、稻秸稈各10kg，將其投放到自制的焚燒箱體中進(jìn)行燃燒直到燒盡，而在麥、稻秸稈燒盡的灰完全冷卻之后，要通過相關(guān)的傳送裝置，將草木灰對氫氧化鉀溶液進(jìn)行投放，氫氧化鉀溶液的體積濃度為8M，同時(shí)加入足量的緩蝕劑，并保證混合攪拌充分，而完全反應(yīng)之后，要進(jìn)行抽濾工序、相關(guān)的烘干，完全烘干之后要對相關(guān)的混合物進(jìn)行研磨，這樣就可以制備出環(huán)保、高效的融雪劑[1]。

2 試驗(yàn)材料

2.1 瀝青

瀝青為濕法制備的膠粉改性瀝青，其中，基質(zhì)瀝青為盤錦90#瀝青，膠粉改性劑為混合目(M，粒度組成為40 目∶60 目∶80 目=3∶3∶1)膠粉顆粒，摻量為基質(zhì)瀝青質(zhì)量的20%。

2.2 凍融介質(zhì)

凍融循環(huán)介質(zhì)同水泥混凝土凍融介質(zhì)，分別為水、環(huán)保型融雪劑溶液及傳統(tǒng)氯鹽融雪劑溶液。

2.3 試件制作

試件的直徑和高度尺寸分別為（101.6±0.25）mm和（63.5±1.3）mm，其在試件的試制過程中需要結(jié)合瀝青路面的凍融試驗(yàn)方法以及擊實(shí)法的采用，進(jìn)行雙面的擊打，而且要保證50 次的擊打作業(yè)[2]。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 瀝青混合料空隙率分析

瀝青混合料空隙率測試參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE20—2011)，制作標(biāo)準(zhǔn)的馬歇爾試件，將氯化鈉、環(huán)保型融雪劑配制成濃度為3%、6%、9%的溶液，分別對試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，在試件凍融1 次、4 次、8 次時(shí)，采用表干法測定每個(gè)試件的空隙率[3]。

下面的變化曲線分別是在傳統(tǒng)型及環(huán)保型兩種凍融介質(zhì)中，馬歇爾試件具體應(yīng)用的空隙率是隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的規(guī)律曲線，如圖1所示。

圖1 空隙率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

由圖1 可知：兩種融雪劑的試樣隨著凍融循環(huán)次數(shù)的遞增，孔隙率增大，在傳統(tǒng)氯鹽和環(huán)保融雪劑溶液中，凍融循環(huán)8 次后，孔隙率分別增大18.8%、1.4%，說明凍融循環(huán)增大了瀝青混合料的空隙率，對瀝青混合料造成不可逆損傷，但相比于傳統(tǒng)氯鹽融雪劑，環(huán)保型融雪劑可以緩解瀝青混合料的凍融損傷。試件在三種凍融循環(huán)介質(zhì)中，空隙率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線表現(xiàn)出在環(huán)保型融雪劑中具有最小的斜率，其次為水，表明環(huán)保型融雪劑對瀝青混合料造成的損傷較傳統(tǒng)氯鹽更小[4]。

3.2 瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)參照規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE20—2011)中瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)（T0729—2000）要求，采用馬歇爾擊實(shí)法（雙面各擊實(shí)50 次）成型φ101.6mm×63.5mm 圓柱體試件，按如下方法對試件進(jìn)行凍融循環(huán)作用：試件真空飽水15min，恢復(fù)常壓后在水中靜置0.5h，后將試件放入塑料袋中，并在（-18±2）℃的恒溫冰柜中放置16h，再除去試件外的塑料袋，并將其置于（60±0.5）℃恒溫水箱中保溫24h，完成一個(gè)凍融循環(huán)。當(dāng)試件分別凍融1次、4 次、8 次時(shí)，在25℃下以50mm/min 的加載速率進(jìn)行加載直至試件被破壞，記錄破壞荷載（N），并計(jì)算劈裂抗拉強(qiáng)度。繪制瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線，如圖2所示[5]。

圖2 抗拉強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律

由圖2 可知：在三種凍融介質(zhì)中，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度會隨著凍融循環(huán)次數(shù)的遞增，而逐漸降低，由此說明凍融循環(huán)作用降低了瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度，對瀝青混合料造成了損傷。這是由于在凍融循環(huán)重復(fù)作用下，瀝青混合料受溶液凍脹作用，使得材料內(nèi)部孔隙逐漸增加，導(dǎo)致更多的溶液侵入孔隙中，產(chǎn)生更多的凍脹力，使得瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度降低，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降[6]。

3.3 瀝青混合料小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn)，將成型后的車轍板用切割機(jī)切割成250mm×30mm×35mm 的標(biāo)準(zhǔn)小梁試件，經(jīng)凍融循環(huán)后，將小梁試件在-10℃下采用50mm/min 速率單點(diǎn)加載至小梁破壞，并根據(jù)規(guī)范計(jì)算抗彎拉強(qiáng)度RB、最大彎拉應(yīng)變εB 及彎曲勁度模量，進(jìn)行科學(xué)合理的計(jì)算[7]。

為了能夠?qū)υ趦鋈谘h(huán)作用下，膠粉改性瀝青混合料的低溫性能的變化規(guī)律進(jìn)行有效分析，需要結(jié)合低溫小梁彎曲試驗(yàn)的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)主要包含：最大抗彎拉強(qiáng)度、基本相關(guān)的彎拉應(yīng)變量、彎曲勁度模量的具體數(shù)值、彎曲應(yīng)變密度指標(biāo)。此次所制作的（250mm×30mm×35mm）標(biāo)準(zhǔn)小梁試件其實(shí)是通過車轍板用切割機(jī)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)小梁試件的切割生產(chǎn)，而之后通過必要的凍融循環(huán)，通過50mm/min 速率以及-10℃的加載對其進(jìn)行破壞，并實(shí)現(xiàn)對RB、εB 和E 的有效計(jì)算[8]。

3.3.1 基本性能指標(biāo)分析

分析抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量三個(gè)指標(biāo)隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)果，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料抗彎拉強(qiáng)度RB 及最大彎拉應(yīng)變εB 逐漸降低，且指標(biāo)變化幅度表現(xiàn)出從凍融4 次到8 次較凍融1 次到4 次更為明顯，說明凍融循環(huán)作用降低了瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度及最大彎拉應(yīng)變，低溫抗開裂能力下降，且凍融循環(huán)作用使得材料劣化后，材料性能下降會逐漸加劇[9]。

3.3.2 彎曲應(yīng)變能密度分析

由于瀝青混合料是一種黏彈性材料，隨著溫度的降低，其主體出現(xiàn)了較為明顯的彈性變形，而且在此過程當(dāng)中，黏性變形所占比例還會逐漸減小。因此，在對瀝青混合料的低溫性能進(jìn)行探究的過程中，需要綜合考慮兩方面的內(nèi)容：第一，對瀝青膠結(jié)料與集料的黏附力進(jìn)行考慮；第二，對瀝青膠結(jié)料的低溫變形能力進(jìn)行深度分析。結(jié)合具體的勁度模量的計(jì)算方法，不難看出，如果單純的分析破壞過程當(dāng)中的最大應(yīng)變力以及最大變形，是不貼合現(xiàn)實(shí)情況的，也是不科學(xué)合理的[10]。

為了能夠更好地對瀝青混合料的低溫性能進(jìn)行表征，應(yīng)當(dāng)對彎拉應(yīng)變及彎拉強(qiáng)度，進(jìn)行綜合的考量，要在能量使用的角度思考相關(guān)問題，要在小梁破壞的全過程當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變能密度臨界值的有效引入[11]。

在混合瀝青相關(guān)物料過程當(dāng)中，其內(nèi)會有彈性的應(yīng)變能量出現(xiàn)，彈性應(yīng)變能量的出現(xiàn)，導(dǎo)致瀝青混合料中會有外部載荷抵御力的相繼產(chǎn)生，而在此過程中，還有瀝青混合料的低溫開裂現(xiàn)象存在，也就是說如果抵御外部載荷能量越強(qiáng)，那么混合料其開裂的可能性其實(shí)是越低的。結(jié)合具體的材料損傷準(zhǔn)則可知材料損傷包括三個(gè)階段——裂縫的引發(fā)、亞臨界狀態(tài)增大、最終破壞[12]。

如果能夠一一應(yīng)對材料破壞形式與單位體積內(nèi)的能量狀態(tài)，則可以通過dw/dv 表示材料損傷的現(xiàn)實(shí)情況，公式（1）如下。

式（1）中：wf——應(yīng)變能密度函數(shù)；

dw——材料應(yīng)變能微分；

dv——材料體積微分；

σ(ε)——應(yīng)力-應(yīng)變曲線函數(shù)；

εB——最大彎拉應(yīng)變；

dε——應(yīng)變微分。

由式（1）可知：擬合出應(yīng)力-應(yīng)變曲線（σ-ε）函數(shù)即可得到彎曲應(yīng)變能密度函數(shù)，進(jìn)而求出彎曲應(yīng)變能密度臨界值[13]。

經(jīng)擬合發(fā)現(xiàn)，小梁彎曲試驗(yàn)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（σ-ε）滿足式（2）的三次多項(xiàng)式：

式（2）中：a、b、c、d為通過對σ-ε曲線回歸擬合得到的材料參數(shù)，并無實(shí)際意義。將式（2）帶入式（1）即可得到應(yīng)變能密度[14]：

針對本文材料進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，得到不同凍融循環(huán)次數(shù)作用下瀝青混合料的彎曲應(yīng)變能密度，具體結(jié)果見表1[15]。

表1 彎曲應(yīng)變能密度

由表1 可知：在三種不同凍融循環(huán)介質(zhì)中，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料彎曲應(yīng)變能密度均逐漸減小，由此不難看出，瀝青混合料本身儲存的彈性應(yīng)變能主要還是來自凍融循環(huán)作用，凍融循環(huán)作用的存在，降低了材料自身抵御外部載荷的能力，這樣瀝青混合料的低溫抗開裂能力也會隨之降低。此種情況體現(xiàn)出凍融循環(huán)產(chǎn)生的凍脹力以及由于黏附性下降而發(fā)生損傷，導(dǎo)致瀝青與集料的界面處產(chǎn)生裂縫；而如果存在著瀝青混合料內(nèi)部受應(yīng)力作用，那么會有降低瀝青與集料之間對力的傳遞能力及變形能力的情況，這樣材料自身的彈性應(yīng)變能力也不能形成有效提升，進(jìn)一步就會存在著較差的抗開裂能力。相同凍融循環(huán)次數(shù)下，瀝青混合料在三種不同的凍融介質(zhì)中，其彎曲應(yīng)變能密度大小均表現(xiàn)為水＞環(huán)保型融雪劑＞傳統(tǒng)氯鹽融雪劑，說明相同凍融循環(huán)作用下，環(huán)保型融雪劑對瀝青混合料的凍融破壞較傳統(tǒng)氯鹽融雪劑具有一定的緩和作用，能降低凍融循環(huán)對瀝青混合料的破壞作用[16]。

4 結(jié)論

第一，凍融循環(huán)作用增大了瀝青混合料的空隙率及彎曲勁度模量，降低了其抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變及彎曲應(yīng)變能密度，對瀝青混合料的低溫抗開裂能力造成不利影響。

第二，相比傳統(tǒng)的氯鹽融雪劑，環(huán)保型融雪劑使得瀝青混合料試件經(jīng)相同凍融循環(huán)作用后，其性能指標(biāo)數(shù)值更優(yōu)。該項(xiàng)目研發(fā)的環(huán)保型高效融雪劑可有效緩解凍融循環(huán)作用對瀝青混合料的不利影響。