瀝青混合料用融冰雪鹽化物材料性能指標(biāo)探究

徐劍 劉凱 史德權(quán) 龔演

（1.交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009；3.中鹽京津冀鹽業(yè)有限責(zé)任公司，北京 100054)

一、引言

《交通強國建設(shè)綱要》明確了我國交通發(fā)展的總體思路，即構(gòu)建安全、便捷、高效、綠色、經(jīng)濟的現(xiàn)代化綜合交通體系，“交通安全”的理念也逐漸成為道路工程建設(shè)的重要發(fā)展趨勢。隨著氣候變化，雨霧、冰雪和降溫等惡劣天氣極大地影響著交通系統(tǒng)，瀝青路面表面出現(xiàn)結(jié)冰、積雪等現(xiàn)象，路表的抗滑性能下降，能見度降低，導(dǎo)致交通事故增加，嚴(yán)重威脅交通安全。

據(jù)統(tǒng)計，冬季15%～30%的交通事故與路面積雪結(jié)冰有關(guān)。另外，在冬季凍雨、冰雪等極端天氣下，公路網(wǎng)通行能力受到顯著影響，嚴(yán)重時將導(dǎo)致區(qū)間的交通中斷、交通運輸癱瘓，造成巨大的經(jīng)濟及社會影響。因此，冬季道路融冰雪是瀝青路面養(yǎng)護(hù)的重點與難點[1-7]。

經(jīng)過近十年不斷地研究和實踐，我國公路瀝青混合料用融冰雪材料技術(shù)已日趨成熟。經(jīng)過國內(nèi)近20個省份的大量工程驗證表明，公路瀝青混合料用融冰雪材料技術(shù)的應(yīng)用可有效提高道路行車安全，減少冬季交通事故發(fā)生[8,9]；極大程度上避免對基礎(chǔ)設(shè)施的破壞和環(huán)境污染，降低冬季瀝青路面的養(yǎng)護(hù)成本，為實現(xiàn)“綠色交通、平安交通”提供強大的技術(shù)支撐。

隨著國內(nèi)外研究者對鹽化物材料的深入研究，鹽化物材料的種類越來越多[10]，除常規(guī)的氯離子類鹽化物外，還有非氯離子類鹽化物，包括硫酸類及醋酸類等材料。我國現(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路瀝青混合料用融冰雪材料》（（JT/T 1210.2-2018））第2部分：鹽化物材料[11]暫未考慮非氯離子類鹽化物材料的評價指標(biāo)，相關(guān)內(nèi)容還需補充及修訂。考慮到融冰率及冰點指標(biāo)是瀝青混合料融冰雪性能的主要評價指標(biāo)，本文選擇4種不同的鹽化物材料，研究了鹽化物的材料性能及融冰雪性能評價指標(biāo)對瀝青混合料的性能影響，開展了相關(guān)參數(shù)與設(shè)計方法的優(yōu)化研究，為融冰雪鹽化物材料在我國的應(yīng)用和推廣提供了參考。

二、材料與試驗方案

（一）瀝青

本次試驗采用70號瀝青，其基本性能參數(shù)如表 1所示。

表1 70號瀝青的基本性能指標(biāo)

表1 70號瀝青的基本性能指標(biāo)

（二）鹽化物材料

本次試驗選用4種不同的融冰雪鹽化物材料，其中A與B分別為顆粒狀，主要成分為氯化物鹽，C為非氯化物鹽，主要成分為有機醋酸類材料，D為氯化物鹽與醋酸類材料組合而成的復(fù)合材料，均為國內(nèi)比較常用的融冰雪鹽化物材料。

（三）混合料設(shè)計

本次試驗采用的混合料類型為AC-13，鹽化物融雪劑為5%，采用原樣設(shè)計的最佳油石比為4.9%。

三、試驗方法

（一）有效陰離子含量試驗

目前市面上存在的融冰雪鹽化物材料種類繁多，包含氯化物鹽、非氯化物鹽或其組合而成的復(fù)合材料，其中非氯化物鹽主要是指以醋酸類材料為代表的有機物材料?，F(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路瀝青混合料用融冰雪材料》（（JT/T 1210.2-2018））中氯離子含量指標(biāo)，主要用于檢測有效成分氯離子的含量，而無法定量測量非氯化物鹽的有效成分含量。本次試驗針對不同的融冰雪鹽化物材料，采取不同的試驗方法：對于氯化物鹽材料，根據(jù)現(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路瀝青混合料用融冰雪材料》（（JT/T 1210.2-2018））中的附錄A方法進(jìn)行試驗，確定其氯離子含量；對于醋酸類材料，則根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《路用非氯有機融雪劑》(JT/T 973-2015)中的5.7方法[12]進(jìn)行相對融雪化冰能力試驗，通過相對融雪化冰能力計算出權(quán)衡因子的值，計算公式如式（1）、式（2）所示。

式中：W1是相對融雪化冰能力，m0、m1分別為非氯化物材料溶液試驗前及試驗0.5h后燒杯和冰塊的總質(zhì)量分別為氯化納溶液試驗前及試驗0.5h后燒杯和冰塊的總質(zhì)量，燒杯體積為200mL。分別為本次相對融雪化冰能力試驗中非氯化物材料溶液和氯化納溶液的陰離子含量。

（二）碳鋼腐蝕率試驗

本次試驗根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《路用非氯有機融雪劑》（JT/T 973-2015）中的5.9方法進(jìn)行[12]。由于公路瀝青混合料用融冰雪鹽化物材料均具有疏水特征，無法直接溶于水中，且為了更好地模擬鹽化物材料在瀝青路面使用過程中的釋放規(guī)律，需要快速沖洗摻有鹽化物材料的瀝青混合料馬歇爾試件，使試件表面無可見融冰雪材料，沖洗總時間不宜大于10s。沖洗完成后，應(yīng)將試件浸泡在5L的去離子水中24h，然后取浸出液進(jìn)行碳鋼腐蝕率測定。

（三）融冰率試驗

融冰率試驗是在一定溫度條件下，評價鹽化物融冰化雪能力的檢測方法。現(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路瀝青混合料用融冰雪材料》（（JT/T 1210.2-2018））中以質(zhì)量為40g的冰塊進(jìn)行融冰試驗，本文中考慮將冰塊的初始質(zhì)量變?yōu)?0g，與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路瀝青混合料用融冰雪材料》（（JT/T 1210.2-2018））[11]中的融冰率試驗進(jìn)行對比，研究不同初始質(zhì)量對融冰率試驗結(jié)果及對實際工況模擬準(zhǔn)確性的影響。

四、結(jié)果與討論

（一）有效陰離子含量試驗

將4種融冰雪鹽化物材料分別進(jìn)行氯離子含量試驗、醋酸離子含量試驗及融雪化冰能力試驗，試驗結(jié)果如表2、表3所示。相對融雪化冰能力以融冰雪材料A為標(biāo)準(zhǔn)計算。

表2 4種融冰雪材料有效陰離子含量試驗結(jié)果

表2 4種融冰雪材料有效陰離子含量試驗結(jié)果

表3 4種融冰雪材料融雪化冰能力試驗結(jié)果

表3 4種融冰雪材料融雪化冰能力試驗結(jié)果

材料A與材料B均為氯化物材料，有效成分均為氯離子。材料B的相對融雪化冰能力與氯離子含量的比值（38.4：36.1）相吻合，證實了融冰雪材料的有效成分含量越高，其融冰雪效果越好。根據(jù)融冰雪材料A與C的試驗結(jié)果可計算出權(quán)衡因子Q的值為0.72。為檢驗該計算結(jié)果的可信度，采用融冰雪材料D的試驗結(jié)果進(jìn)行驗證。材料D為氯化物及醋酸類材料的復(fù)合類融冰雪材料，根據(jù)材料D的陰離子含量及權(quán)衡因子Q的值計算得出材料D的有效陰離子含量為47.2，材料D與材料A的相對融冰化雪能力為1.308，與試驗結(jié)果吻合，證實權(quán)衡因子Q的值具有可靠性。

現(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路瀝青混合料用融冰雪材料》（（JT/T 1210.2-2018））中采用氯離子含量確定該融冰雪材料的有效成分含量，通過本次試驗及討論，建議采用權(quán)衡因子Q來修正非氯離子類鹽化物的有效成分，將有效陰離子含量作為融冰雪材料性能評價指標(biāo)，更具普適性。醋酸離子的權(quán)衡因子Q=0.72，對于復(fù)合類融冰雪材料，其有效陰離子含量計算公式為：

（二）碳鋼腐蝕率試驗

融冰雪材料中含有氯化鈉、醋酸鉀等鹽化物，氯化鈉與醋酸鉀的析出是造成基礎(chǔ)設(shè)施（主要是鋼材）腐蝕的重要因素，且對基礎(chǔ)設(shè)施具有很強的破壞性，會造成環(huán)境污染。在原行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路瀝青混合料用融冰雪材料》（（JT/T 1210.2-2018））中，PH值被規(guī)定在7.0～9.0范圍內(nèi)，碳鋼腐蝕率不大于0.11mm/年。

有研究表明[13]，當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于3.5%時，自腐蝕電位隨溶液中NaCl量的增加而降低，更容易發(fā)生腐蝕；當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到4.5%時，腐蝕傾向減弱。不同濃度下融雪劑的腐蝕速度及相關(guān)結(jié)果如表4所示。

表4 不同濃度融雪劑碳鋼腐蝕率試驗結(jié)果

表4 不同濃度融雪劑碳鋼腐蝕率試驗結(jié)果

結(jié)果表明：在3.5%～15%的濃度范圍內(nèi)，碳鋼腐蝕率影響受融雪劑濃度影響較大，超過15%時，融雪劑濃度對碳鋼腐蝕率影響較小，碳鋼腐蝕率趨于穩(wěn)定。隨著融雪劑濃度越大，碳鋼腐蝕率越小，推測與融雪劑中有效成分的釋放速率等有關(guān)。但是，目前尚未存在較成熟的融雪劑碳鋼腐蝕率變化機制分析。

另外，根據(jù)北京大興機場等實際工程經(jīng)驗，碳鋼腐蝕率指標(biāo)對環(huán)境的實際腐蝕情況影響較小。綜上所述，考慮到溶液酸堿性對碳鋼類材料腐蝕速度的影響，當(dāng)溶液的PH值太大或者太小時，碳鋼腐蝕緩慢，因此，根據(jù)實際施工中碳鋼腐蝕率指標(biāo)對環(huán)境的微弱影響，建議取消碳鋼腐蝕率指標(biāo)。

（三）融冰率試驗

冰的初始質(zhì)量和融冰時間對融冰率有重要影響，因此分別選取約40g和20g冰塊作為初始質(zhì)量開展融冰率試驗。-5°C下的融冰率試驗結(jié)果如表5所示，在室內(nèi)試驗條件下，當(dāng)初始質(zhì)量為40g時，4種混合物的融冰率數(shù)值基本在12%左右，不符合標(biāo)準(zhǔn)JT/T 1210.2-2018的要求；當(dāng)初始質(zhì)量為20g時，4種混合物的融冰的質(zhì)量基本與初始質(zhì)量為40g時差異不大，而融冰率的結(jié)果基本為24%左右，結(jié)果如表5所示。

為了驗證試驗結(jié)果的可靠性，通過對目前工程中廣泛使用的融冰雪效果較好的鹽化物材料產(chǎn)品進(jìn)行融冰率試驗發(fā)現(xiàn)，這些融冰雪鹽化物材料的融冰率試驗結(jié)果均不符合融冰率指標(biāo)要求，但當(dāng)冰塊的初始質(zhì)量為20g時，大部分融冰雪鹽化物材料的融冰率指標(biāo)不小于20%。因此，選用融冰率作為評價指標(biāo)來評價混合料的融冰雪性能需要統(tǒng)一的試驗標(biāo)準(zhǔn)，建議采用20g冰塊開展融冰率試驗，指標(biāo)不小于20%。

表5 摻融雪劑瀝青混合料的融冰率試驗結(jié)果

表5 摻融雪劑瀝青混合料的融冰率試驗結(jié)果

五、結(jié)語

綜上所述，建議采用權(quán)衡因子來修正非氯離子類鹽化物的有效成分，提出將有效陰離子含量替代氯離子含量，作為融冰雪材料性能評價指標(biāo)。醋酸離子的權(quán)衡因子Q=0.72，考慮到溶液酸堿性對碳鋼類材料的腐蝕速度的影響，當(dāng)溶液的PH值太大或者太小時，碳鋼腐蝕緩慢，且由于實際施工中碳鋼腐蝕率指標(biāo)對環(huán)境的微弱影響，建議取消碳鋼腐蝕率指標(biāo)；建議采用20g冰塊作為研究對象計算冰塊的融冰率，且融冰率范圍不小于20%。