城市道路融雪化冰瀝青路面關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

肖新波，李漢鋒

(中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430010)

近年來惡劣雨雪天氣尤其是冬季降雪導(dǎo)致路面結(jié)冰造成的交通事故頻發(fā)，為交通安全帶來不利影響，阻礙經(jīng)濟(jì)發(fā)展。對于城市道路，路面積雪結(jié)冰對居民出行的便利及安全造成的不利影響尤其深重。如何解決城市道路路面因積雪結(jié)冰導(dǎo)致路面濕滑問題成為行業(yè)內(nèi)一個(gè)研究方向。目前中國采用的解決路面積雪結(jié)冰的方法歸納總結(jié)有主動(dòng)清雪和被動(dòng)清雪兩種。其中主動(dòng)清雪包括人工除雪和機(jī)械除雪，被動(dòng)除雪包括化學(xué)除雪、熱能除雪、彈性涂裝除雪等。目前，人工除雪、機(jī)械除雪和化學(xué)除雪等方法在北方多雪地區(qū)較常用，但這些方法都存在人工或機(jī)械成本高、破壞或腐蝕地面、影響正常交通以及室外低溫作業(yè)的問題，使得研究新的融雪化冰方式勢在必行。

針對城市道路人員密集、交通量大、金屬附屬設(shè)施相對較少等特點(diǎn)，結(jié)合造價(jià)、施工工期、施工速度、養(yǎng)護(hù)周期、養(yǎng)護(hù)成本等因素綜合考慮。根據(jù)冰雪和鹽類相互結(jié)合會(huì)加速融化這一物理特性，推薦在城市道路中采用氯鹽類抗滑瀝青路面。該文采用氯鹽等體積100%置換瀝青混合料中的礦粉，制備氯鹽類瀝青混合料。氯鹽類抗滑瀝青路面的關(guān)鍵技術(shù)在于：用氯鹽等體積100%置換混合料中的礦粉后，瀝青混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)、對氯鹽類瀝青混合料路用性能的驗(yàn)證以及對氯鹽類瀝青混合料抗滑性能的驗(yàn)證。該文對氯鹽類瀝青混合料級(jí)配進(jìn)行設(shè)計(jì)；通過對氯鹽類瀝青混合料進(jìn)行試驗(yàn)，研究氯鹽類抗滑路面的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗水損害性能、抗疲勞性能、融冰抗滑性能以及融冰耐久性等指標(biāo)，并通過和常規(guī)瀝青混合料進(jìn)行對比，驗(yàn)證氯鹽類瀝青混合料的適用性。

1 融雪化冰的方法比較

如前文所述，目前城市道路的融雪化冰方式大體上包括兩大類，主動(dòng)和被動(dòng)除雪，具體見表1，在這些除雪方式中，由于技術(shù)受限比較常用的是人工、機(jī)械和化學(xué)除雪，在實(shí)際除雪工程應(yīng)用中，需要考慮到除雪方法的生產(chǎn)安全性、實(shí)施成本、對周遭是否存在破壞性、對公共交通的影響、實(shí)施的周期性等方面來評(píng)判該方法的優(yōu)勢和劣勢，通過對以上幾個(gè)方面每項(xiàng)5分的方式進(jìn)行加權(quán)，對人工、機(jī)械、化學(xué)以及該文研究的氯鹽類瀝青面層等在相同背景條件下(城鎮(zhèn)中全道路區(qū)域除雪)進(jìn)行綜合權(quán)重比較，生成柱狀對比圖，如圖1所示。

由圖1可知：人工除雪的綜合分最低，在生產(chǎn)安全性、對路面造成的破壞、對交通的影響方面較差，無法長距離路段應(yīng)用，只能應(yīng)用于局部小面積或者機(jī)械無法到達(dá)的區(qū)域；機(jī)械除雪、化學(xué)除雪的設(shè)備由于都會(huì)在城市道路中緩慢行駛而占用交通，也存在一定的安全隱患，同時(shí)，機(jī)械除雪、化學(xué)除雪的機(jī)械設(shè)備、綠色環(huán)保型融雪材料費(fèi)用較高，利用率較低，使得實(shí)施成本較高，人工、機(jī)械、化學(xué)除雪都會(huì)不同程度地對地面和周遭環(huán)境造成影響，每年都會(huì)進(jìn)行除雪的周期性也不可避免；對于氯鹽類瀝青面層而言，無需現(xiàn)場清雪，較安全；氯鹽替代瀝青組成材料中的礦粉，無需過多成本；不影響交通不產(chǎn)生破壞；可以一次施工，長期使用；所以氯鹽類除雪方式具有很大優(yōu)勢。

表1 常用的除雪方式

圖1 除雪方法的綜合加權(quán)比對圖

2 氯鹽類瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

采用氯鹽等體積100%置換礦粉，氯鹽的摻加量取決于瀝青混合料的粉膠比，為了能夠盡量多摻加氯鹽以期達(dá)到增強(qiáng)抗滑效果的目的，應(yīng)盡量選擇粉膠比大的瀝青混合料，故在試驗(yàn)中選用骨架密實(shí)型SMA-13瀝青混合料，為了對比驗(yàn)證氯鹽類瀝青混合料的性能情況，特準(zhǔn)備相同條件(除礦粉外)、相同質(zhì)量的SMA-13瀝青混合料，作為試驗(yàn)材料一同進(jìn)行路用性能試驗(yàn)。

2.1 原材料

試驗(yàn)采用的瀝青為中海油SBS改性瀝青；集料采用玄武巖；氯鹽采用氯化鈉和少量防銹劑混合物；礦粉由石灰?guī)r磨細(xì)得到；纖維采用木質(zhì)素纖維。集料、瀝青、礦粉木質(zhì)素纖維等材料均依據(jù)JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果符合規(guī)范要求。

2.2 氯鹽類瀝青混合料級(jí)配組成

試驗(yàn)采用氯鹽等體積100%置換率，置換瀝青混合料當(dāng)中的礦粉，級(jí)配采用間斷級(jí)配瀝青混合料SMA-13以及非摻氯鹽的SMA-13瀝青混合料。依據(jù)JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》配制瀝青混合料的級(jí)配組成如表2所示。

表2 混合料級(jí)配組成

試驗(yàn)所配制瀝青混合料的最佳油石比，依照J(rèn)TG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》采用馬歇爾擊實(shí)法確定得到。

3 氯鹽類瀝青混合料性能檢驗(yàn)與驗(yàn)證

3.1 高溫穩(wěn)定性

高溫穩(wěn)定性體現(xiàn)瀝青混合料在高溫條件下抵抗車轍的變形能力。此次試驗(yàn)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性依據(jù)JTG E20—2011《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，采用車轍試驗(yàn)儀測定，用動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

試驗(yàn)中摻氯鹽和普通SMA-13瀝青混合料每組均進(jìn)行3次平行試驗(yàn)。由表3可知：氯鹽類SMA-13瀝青混合料在設(shè)計(jì)最佳油石比條件下動(dòng)穩(wěn)定度為5 123次/mm，油石比上下浮動(dòng)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)呈線性變化，整體上，摻氯鹽瀝青混合料比普通SMA-13瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定性稍差，但都在4 900次/mm以上，超過技術(shù)規(guī)范中的2 800次/mm，滿足城市道路路面使用要求。

表3 動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

3.2 低溫抗裂性

低溫抗裂性用于評(píng)價(jià)瀝青混合料在低溫荷載作用下抵抗開裂變形的能力，此次試驗(yàn)依據(jù)JTG E20—2011《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》采用MTS810閉環(huán)電液伺服試驗(yàn)機(jī)測定，試驗(yàn)溫度為0 ℃，用拉伸應(yīng)變指標(biāo)評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 低溫劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知：在油石比為5.8%左右的情況下，常規(guī)SMA-13瀝青混合料的拉伸應(yīng)變比氯鹽類SMA瀝青混合料要高，整體偏好，但摻氯鹽SMA瀝青混合料的拉伸應(yīng)變在最佳石油比時(shí)的值為3 500 με左右，大于規(guī)范要求的2 500 με，已足夠滿足城市道路使用要求。

3.3 抗水損害能力

抗水損害能力用于評(píng)價(jià)瀝青路面在積水浸泡條件下承受荷載時(shí)抵抗強(qiáng)度損失的能力。是一個(gè)常規(guī)但是非常重要的瀝青混合料的路用性能指標(biāo)。抗水損害能力依據(jù)JTG E20—2011《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》制作直徑為φ101.6 mm、高為63.5 mm的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，雙面擊實(shí)50次。浸水0.5 h和48 h后。分別采用馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)儀測定馬歇爾穩(wěn)定度，用殘留穩(wěn)定度(%)指標(biāo)評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

從表5可知：在最佳油石比的情況下，氯鹽類SMA瀝青混合料和普通SMA瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度都在88%左右，差異性較小，滿足技術(shù)規(guī)范大于等于80%的要求，能夠在城市道路中應(yīng)用。

3.4 抗疲勞性能

目前瀝青混合料抗疲勞性能的試驗(yàn)方法很多，其中簡支三點(diǎn)法和四點(diǎn)彎曲法應(yīng)用比較廣泛。四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的荷載加載方式更加接近路面實(shí)際情況下的受力方式且試驗(yàn)步驟相對簡單。該文采用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證氯鹽類瀝青混合料的抗疲勞性能，由于現(xiàn)行國家規(guī)范并無針對四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的規(guī)范要求數(shù)值。故此次試驗(yàn)采用同級(jí)配、同油石比的摻礦粉SMA瀝青混合料與摻氯鹽SMA瀝青混合料進(jìn)行對比試驗(yàn)?？蛊谛阅芤罁?jù)美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)頒布的試驗(yàn)規(guī)程(ASTM D7460—2010)采用四點(diǎn)疲勞試驗(yàn)儀測定，試驗(yàn)溫度為15 ℃，試件尺寸為385 mm×65 mm×50 mm，加載波形為偏正弦波，試驗(yàn)頻率為10 Hz，用疲勞壽命(次)指標(biāo)評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

由表6可知：同級(jí)配同油石比條件下，摻氯鹽SMA瀝青混合料的疲勞壽命為383 329次；摻礦粉SMA瀝青混合料的疲勞壽命為415 962次。用氯鹽置換礦粉配制的SMA瀝青混合料的抗疲勞性能低于摻礦粉SMA瀝青混合料的抗疲勞性能。但兩種SMA瀝青混合料的疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果在同一數(shù)量級(jí)，可以認(rèn)為：摻氯鹽類SMA瀝青混合料相較于普通摻加礦粉SMA瀝青混合料疲勞壽命略有降低。但氯鹽類SMA瀝青混合料滿足城市道路使用要求。

表6 四點(diǎn)疲勞試驗(yàn)結(jié)果

3.5 融冰效果驗(yàn)證

在試驗(yàn)室制作尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的車轍板試件用于模擬氯鹽類SMA瀝青混合料路面，用水泥砂漿標(biāo)準(zhǔn)試件模具制作邊長為70.7 mm的立方體冰塊，在試驗(yàn)設(shè)置的相應(yīng)溫度條件下將冰塊放置在氯鹽類瀝青混合料試件上模擬結(jié)冰路面，5 h后用直尺再次測量冰塊體積，用以測定氯鹽類瀝青混合料融冰雪能力。試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 氯鹽類瀝青混合料融冰試驗(yàn)結(jié)果

由表7可知：環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)冰塊放置在氯鹽類SMA瀝青混合料試件上5 h后，融化剩余體積與初始體積比為0.39，說明在0 ℃條件下氯鹽類瀝青混合料融冰效果較好；環(huán)境溫度為-20 ℃條件下冰塊放置在氯鹽類SMA瀝青混合料試件上5 h后，融化剩余體積與初始體積比為0.95，說明在-20 ℃條件下氯鹽類瀝青混合料融冰效果近似失效；在溫度區(qū)間為-10～-15 ℃條件下冰塊放置在氯鹽類SMA瀝青混合料試件上5 h后，融化剩余體積與初始體積的體積比為0.68～0.86，融冰效果不理想，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以推斷，溫度區(qū)間為0～-10 ℃時(shí)氯鹽類瀝青混合料融冰效果比較好，隨著溫度降低，氯鹽類瀝青混合料融冰能力降低，查閱相關(guān)資料可知：華東江淮地區(qū)冬季平均氣溫為-3～0 ℃，推薦氯鹽類SMA瀝青混合料在江淮地區(qū)使用；在冬季平均氣溫為-10～-15 ℃的華北地區(qū)使用氯鹽類SMA瀝青混合料路面建議冬季配合機(jī)械或人工除雪；不建議在東北極寒地區(qū)使用氯鹽類SMA瀝青混合料路面。

4 成果應(yīng)用

湖北省某城市道路改造工程，道路紅線長度為453 m，寬為30 m。雙層銑刨加鋪瀝青面層，加鋪厚度為6 cmAC-20瀝青混合料；上面層采用4 cmSMA-13(礦粉等體積置換為氯鹽)混合料，油石比為5.8%，依據(jù)JTG F40—2004以及JTG E20—2011規(guī)范要求，在現(xiàn)場見證取樣瀝青混合料帶回試驗(yàn)室進(jìn)行路用性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 現(xiàn)場取樣試驗(yàn)測試結(jié)果

由表8可知：路用性能指標(biāo)的各項(xiàng)檢測結(jié)果均能滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。選擇冬季該區(qū)域持續(xù)降雪的時(shí)間段，對試驗(yàn)段的融冰化雪效果進(jìn)行實(shí)地觀測，結(jié)果表明試驗(yàn)段路面的降雪能夠較快融化，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，也滿足了當(dāng)?shù)亟煌ǖ氖褂靡?，?jīng)后續(xù)觀察，試驗(yàn)路段在通車18個(gè)月后路面使用狀況良好，依然具有良好的融雪化冰效果。

圖2 氯鹽類殘留曲線推移圖

鑒于目前中國沒有氯鹽類瀝青混合料路面長期應(yīng)用的融冰效果參考，可以借鑒日本融雪路段的鋪筑經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，來對氯鹽類瀝青混合料路面的長效性能進(jìn)行說明，圖2為2000—2007年日本某氯鹽類瀝青面層城市支路的含鹽量分析統(tǒng)計(jì)，從圖2可以看出：氯鹽類瀝青混合料路面的鹽分隨著使用時(shí)間的提高而呈逐漸下降的趨勢，并在使用4年左右呈現(xiàn)平緩態(tài)勢保持為20%～35%，在南方少雪的氣候條件下，還是擁有一定的融雪化冰能力，因此，此次研究的氯鹽類瀝青混合料路面在融雪化冰的性能上具有長效性。

5 結(jié)語

城市道路的主要特點(diǎn)為：居民區(qū)密集、地下管線豐富、路面通行車輛以家用轎車為主、道路附屬設(shè)施主要為水泥混凝土制品、施工工期不宜過長、不能全面封閉交通等，該文通過對比不同除雪方式的優(yōu)劣勢，給出一種全新的融雪化冰方法，即在SMA-13瀝青混合料中用氯鹽替代原礦粉，提高城市道路自身的融雪化冰能力，以達(dá)到節(jié)約成本、省時(shí)、安全、全天候的冬季除雪目的，同時(shí)滿足城市道路的功能特點(diǎn)。

在研究中通過對氯鹽類SMA-13瀝青混合料和普通SMA-13進(jìn)行路用性能試驗(yàn)比對，得到了預(yù)期的結(jié)果，即：氯鹽類SMA-13瀝青混合料面層在性能指標(biāo)上略低于普通SMA-13，但仍能有效地滿足技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，可以用到城市道路的面層鋪筑中。通過將氯鹽類SMA-13在工程中應(yīng)用，能夠得到符合標(biāo)準(zhǔn)的性能數(shù)據(jù)，并經(jīng)過短期觀測和借鑒國外的數(shù)據(jù)驗(yàn)證具有一定的融冰耐久性。

當(dāng)然，氯鹽類SMA-13的使用也存在一些限制，氯鹽類SMA瀝青混合料的融冰效果與環(huán)境溫度正相關(guān)，環(huán)境溫度越低融冰效果越差。氯鹽類SMA瀝青混合料的融冰效果在冬季平均氣溫為0～-10 ℃地區(qū)使用效果比較明顯。推薦江淮地區(qū)冬季平均氣溫為0～-10 ℃地區(qū)使用?？紤]后續(xù)改良瀝青材料或加入催化劑等方式進(jìn)一步提高氯鹽類瀝青混合料的適用性。