抗凝冰材料在道路工程中的應(yīng)用

鮮麗菊， 張 林， 仲小玲

(新疆交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司, 新疆 烏魯木齊 830016)

0 引言

路面狀況是影響道路交通安全的重要因素。在寒冷的冬季，我國(guó)某些地區(qū)積雪期長(zhǎng)達(dá)4～6個(gè)月[1]，很多道路遭受冰雪危害，尤其在一些多雪與積雪地域，冰雪天氣嚴(yán)重影響交通運(yùn)輸?shù)臅惩ㄅc安全[2]。在冰雪路面上，車(chē)輛極易打滑、跑偏，制動(dòng)距離明顯延長(zhǎng)，嚴(yán)重影響車(chē)輛操作的穩(wěn)定性和安全性，連續(xù)追尾事故也屢見(jiàn)不鮮，交通事故發(fā)生率成倍增加[3]。路面凝冰對(duì)道路交通安全、通行能力、道路管理、人員安全、經(jīng)濟(jì)等造成了嚴(yán)重的影響。因此，研究道路的抗凝冰措施以保證道路在冬季降雪天氣的暢通十分必要，尤其對(duì)一些重要地域(如收費(fèi)站、斜坡、機(jī)場(chǎng)跑道、高速公路、橋梁等)，采用有效的防雪與除雪措施具有非常重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[4]。

抗凝冰材料是將冰點(diǎn)下降劑充分填充到多孔結(jié)構(gòu)材料中，使多孔材料將其包裹，制得與礦粉細(xì)度、物理性質(zhì)、級(jí)配等都相似的粉體，部分或全部置換瀝青混合料中的礦粉[5]。鋪筑路面時(shí)，將復(fù)合填料分散于瀝青混合料中，在車(chē)輛荷載及水分作用下，可有效抑制凍結(jié)成分從路面表面析出，從而降低冰點(diǎn)，獲得持續(xù)抑制凍結(jié)的效果，可將傳統(tǒng)的被動(dòng)抑制路面凝冰變?yōu)橹鲃?dòng)抑制路面凍結(jié)[6-7]。

1 試驗(yàn)方案

本研究基于未摻加Mafilon(抗凝冰材料)的SMA-13瀝青馬蹄脂碎石混合料進(jìn)行生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)，通過(guò)摻加Mafilon前后的SMA-13瀝青馬蹄脂碎石混合料技術(shù)性質(zhì)對(duì)比分析，驗(yàn)證摻加Mafilon對(duì)SMA-13型瀝青馬蹄脂碎石混合料性質(zhì)的影響。

1.1 原材料

研究所采用原材料包括SBS I-B改性瀝青、集料、礦粉、木質(zhì)素纖維與聚酯纖維。集料規(guī)格分為0～6 mm(1#)與6～16 mm(2#)兩類(lèi)，均滿(mǎn)足潔凈、無(wú)雜質(zhì)的技術(shù)要求，礦粉滿(mǎn)足無(wú)結(jié)塊、無(wú)雜質(zhì)的技術(shù)要求，其材料相關(guān)技術(shù)性質(zhì)如表1所示。

經(jīng)檢測(cè)，粗、細(xì)集料和礦粉技術(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)要求。

1.2 集料級(jí)配設(shè)計(jì)

進(jìn)行SMA-13瀝青馬蹄脂碎石混合料的集料級(jí)配設(shè)計(jì)，其集料篩孔通過(guò)率如表2所示。

表2 SMA-13瀝青馬蹄脂碎石混合料集料篩孔通過(guò)率級(jí)配各篩孔(mm)的通過(guò)百分率/%191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075上限1001001007534262420161512下限10010090502015141210982#1001001007930.96.40.80.20001#10010010010060.640.940.222.612.58.62.2礦粉10010010010010010010010099.898.179.4合成級(jí)配10010010089.550.530.727.720.716.71510.4

由表2可知：經(jīng)瀝青混合料集料級(jí)配設(shè)計(jì)可得，SMA-13瀝青馬蹄脂碎石混合料礦料配比為m1#∶m2#∶m礦粉=38%∶50%∶12%。此外，木質(zhì)素纖維摻配比例為瀝青混合料的0.3%，聚酯纖維摻配比例為瀝青混合料的0.1%。

1.3 最佳油石比確定

生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)以目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)的最佳油石比為標(biāo)準(zhǔn)上下浮動(dòng)0.3%，本研究取5.7%、6.0%、6.3%這3個(gè)油石比，依照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)要求進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，采用φ101.6 mm×63.5 mm標(biāo)準(zhǔn)試件，兩面各擊75次，60 ℃浸水30 min。用真空法測(cè)定各組瀝青混合料的最大理論相對(duì)密度，用表干法測(cè)定馬歇爾試件的毛體積相對(duì)密度，計(jì)算空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度等值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 SMA-13瀝青混凝土馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果項(xiàng)目油石比/%毛體積相對(duì)密度最大理論相對(duì)密度空隙率/%礦料間隙率/%飽和度/%穩(wěn)定度/kN流值/mm殘留穩(wěn)定度/%5.72.4512.5835.117.370.47.452.4—試驗(yàn)結(jié)果6.02.4622.5613.917.277.48.502.982.96.32.4542.5483.817.779.16.983.4—規(guī)范要求———3～4≥1775～8562～480

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，SMA-13型瀝青混合料生產(chǎn)配合比最佳油石比確定為6.0%，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，按此生產(chǎn)配合比拌制的瀝青混合料完全符合規(guī)范要求。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試件的浸水殘留穩(wěn)定度根據(jù)《公路工程瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)按式(1)計(jì)算，可以得到SMA-13型瀝青馬蹄脂碎石混合料摻入Mafilon前后的殘留穩(wěn)定度。

(1)

式中：MS0為試件的浸水殘留穩(wěn)定度，%；MS1為試件浸水48 h后的穩(wěn)定度，kN；MS為試件的穩(wěn)定度，kN。

對(duì)摻加Mafilon前后的SMA-13型瀝青馬蹄脂碎石混合料各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行匯總，結(jié)果如表4所示。

由表4可看出，摻入Mafilon后SMA-13型瀝青馬蹄脂碎石混合料穩(wěn)定度及流值優(yōu)于普通SMA-

表4 SMA-13型瀝青馬蹄脂碎石混合料試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果混合料類(lèi)型 油石比/%毛體積相對(duì)密度穩(wěn)定度/kN流值/mm殘留穩(wěn)定度/%動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)60 min車(chē)轍深度/mm凍融劈裂強(qiáng)度比/%質(zhì)量損失率/%20 ℃,20 h60 ℃,48 h未摻加Mafilon6.02.4688.53.183.35 0503.078.58.810.0摻加Mafilon6.02.47210.24.183.44 9002.980.06.88.5技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)——≥6—≥80≥3 000—≥80——

13型瀝青馬蹄脂碎石混合料；殘留穩(wěn)定度變化不大，摻入前后均滿(mǎn)足規(guī)范要求。60 min車(chē)轍深度有所降低，說(shuō)明Mafilon提高了瀝青混合料的高溫抗車(chē)轍能力。凍融劈裂強(qiáng)度比有所提高，說(shuō)明摻入Mafilon瀝青混合料的水穩(wěn)定性?xún)?yōu)于普通瀝青混合料。摻入Mafilon的瀝青混合料質(zhì)量損失率較普通瀝青混合料偏低，說(shuō)明Mafilon提升了瀝青混合料的抗剝落性能，飽和溫度60 ℃時(shí)的變化率高于20 ℃，說(shuō)明試件飽和浸水時(shí)間對(duì)質(zhì)量損失率有顯著影響，隨著飽和時(shí)間增加，質(zhì)量損失率顯著增加，飽和水作用加速了瀝青混合料剝落。

3 試驗(yàn)段抗凝冰效果評(píng)價(jià)

烏魯木齊三屯碑路西延新建工程西起雅山北路，與大灣南路相連接。工程路線(xiàn)全長(zhǎng)約7.9km，設(shè)計(jì)車(chē)速50km/h，為城市主干路，本次選取立交匝道(PSW)K004+007路段為試驗(yàn)段。

通過(guò)對(duì)試鋪路段的實(shí)際觀測(cè)來(lái)判別Mafilon抗凝冰性能，并結(jié)合新疆烏魯木齊的氣候條件和冰雪狀態(tài)評(píng)價(jià)試驗(yàn)段的抗凝冰效果。2016年11月22日，天氣多云，氣溫-10 ℃～-17 ℃，經(jīng)連續(xù)多日降雪，地面已被雪層覆蓋。本次觀測(cè)實(shí)地狀況如圖1、圖2所示。

圖1 雪層已與路面剝離

圖2 路面積雪融化

由圖1、圖2可看出，Mafilon摻入瀝青混合料后路面具備了抗凝冰功能，可在低溫下使雪層與路面發(fā)生剝離，并使冰雪緩慢融化。在該條件下，路面無(wú)附著冰面，抗凝冰效果良好，路面行駛操控性大幅提高。

4 結(jié)論與建議

1) 摻入Mafilon的SMA-13型瀝青馬蹄脂碎石混合料的穩(wěn)定度、流值、殘留穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度、60 min車(chē)轍深度、凍融劈裂強(qiáng)度比、質(zhì)量損失率等各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于未摻入Mafilon的SMA-13型瀝青馬蹄脂碎石混合料，且符合規(guī)范要求范圍。

2)現(xiàn)場(chǎng)可釆取干拌法添加Mafilon。在添加礦粉的同時(shí)將Mafilon嚴(yán)格按比例一次性投入拌和鍋中，與礦料一起攪拌，拌和時(shí)間不需要延長(zhǎng)。其他生產(chǎn)與施工工藝完全與熱拌瀝青混合料相同，操作簡(jiǎn)便易行。

3)Mafilon適用于冬季易產(chǎn)生凝冰的路段，特別是背陰路段、隧道進(jìn)出口、橋梁涵洞、長(zhǎng)大縱坡等地。