摻鹽化物融雪劑瀝青混合料的性能評價

龔 演，徐 劍，劉 凱，嚴(yán)二虎，薛 成

(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) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009； 3.中交第二公路工程局有限公司,陜西 西安 710065)

0 引言

冰雪天氣極大降低了行車安全，容易導(dǎo)致交通事故的發(fā)生，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)。同時，冰雪天氣還會降低公路網(wǎng)通行能力，嚴(yán)重時封閉交通，導(dǎo)致區(qū)間的交通中斷、交通運輸癱瘓，持續(xù)時間長、大范圍的冰雪極端氣候還會引發(fā)嚴(yán)重的社會問題，造成巨大的經(jīng)濟損失和社會影響。2008年以來，冰、雪等極端天氣呈現(xiàn)多發(fā)、持續(xù)時間長、大區(qū)域化的發(fā)展趨勢。冬季道路結(jié)冰、積雪問題一直困擾著世界各國的交通部門，是冬季瀝青路面養(yǎng)護(hù)的難點。幾十年來，科研人員對路面除冰雪技術(shù)開展了大量研究，以期能減少冰雪對瀝青路面的損害，提高惡劣天氣下的行車安全性。

冬季除冰雪技術(shù)可以分為兩大類：外部技術(shù)(即被動除冰雪技術(shù))和內(nèi)部技術(shù)(即主動除冰雪技術(shù))。外部技術(shù)主要包括人工清除、機械清除和撒布融雪劑等[1-4]。內(nèi)部技術(shù)主要包括熱力融雪法、相變材料或?qū)щ姴牧蠐胶匣炷龄佈b法等抑制路表凝冰[5-8],近期內(nèi)部除冰雪技術(shù)受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。熱力融雪方法通過加熱路面表面層來融化冰雪，采用的技術(shù)手段包括太陽能、微波、加熱電纜及直接噴灑熱水等[9-12]，具有環(huán)保的優(yōu)點。但是該方法常需要在路面表面層嵌入發(fā)熱裝置，容易破壞路面原有結(jié)構(gòu)，前期投資大、耐用性差，其后期的維修養(yǎng)護(hù)需要開挖路面，不適用于重載的高等級公路。在抑制冰雪類鋪裝技術(shù)中較為常用的是將橡膠顆粒等彈性材料加入到瀝青路面表面或混合料中，利用材料變形量大的特點來使路面冰雪破碎。但是在行車荷載的作用下，橡膠顆粒極易從路面表面脫落，造成路面平整度下降，甚至出現(xiàn)松散、坑槽。另外，將融雪劑包囊代替集料直接加入瀝青路面中，利用包囊材料的“緩釋”原理可實現(xiàn)自融冰，在路面表層使用自清潔性能優(yōu)異的超疏水材料可獲得更好的抗凝冰性能[13-17]。但是，目前內(nèi)部融冰雪技術(shù)的研究還處于室內(nèi)試驗階段，尚未具有工程實踐經(jīng)驗。

大量工程實踐表明，鹽化物融雪劑的應(yīng)用可以有效提高道路安全，減少冰雪導(dǎo)致的傷亡事故發(fā)生[18]。為極大減少普通融雪劑應(yīng)用，避免對基礎(chǔ)設(shè)施的破壞和環(huán)境污染，以及對綠化和土壤水質(zhì)的危害，降低道路維護(hù)成本和工人勞動強度，因此公路瀝青混合料用融冰雪材料技術(shù)是我國實現(xiàn)“綠色交通、平安交通”的重大支撐性技術(shù)。雖然我國公路瀝青混合料用鹽化物融冰雪材料技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但是國內(nèi)沒有統(tǒng)一的評價方法，也沒有統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)。由于其材料需求非常大，國內(nèi)多家企業(yè)進(jìn)行相關(guān)材料開發(fā)，材料的質(zhì)量良莠不齊，導(dǎo)致國內(nèi)市場混亂，嚴(yán)重制約了相關(guān)技術(shù)的健康發(fā)展。國內(nèi)越來越多省份考慮在高速公路、國省道應(yīng)用推廣，但由于缺乏對不同鹽化物融雪劑對瀝青混合料的性能影響評價及分析，設(shè)計沒有依據(jù)，評價方法不統(tǒng)一，原材料難以選擇，因此嚴(yán)重阻礙了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

因此，本研究選擇4種不同的鹽化物融雪劑，基于AC-13連續(xù)型密級配，對不同摻量的摻鹽化物融雪劑瀝青混合料的融冰雪性能和路用性能進(jìn)行評價研究，提出適合鹽化物融冰雪材料的融冰雪性能的試驗方法及評價指標(biāo)，為鹽化物融雪劑瀝青路面的工程應(yīng)用奠定試驗基礎(chǔ)。

1 材料

1.1 瀝青

本研究采用70#瀝青研究摻鹽化物融雪劑瀝青混合料的融冰雪性能,該瀝青的基本性能參數(shù)如表1所示。

1.2 鹽化物材料及溫度敏感性

本研究選用4種不同的鹽化物融雪劑，分別來自北京馬飛龍、瑞士路麗美、江蘇等產(chǎn)地和廠家，稱為融雪劑A，B，C，D，均為國內(nèi)比較常用的鹽化物融雪劑，摻雜質(zhì)量占比為4%。通常，鹽化物融雪劑包括顆粒狀和粉狀鹽化物兩種類型，其中，融雪劑C為粉狀，其余3種為顆粒狀。顆粒狀鹽化物融雪劑在拌和過程中受高溫、集料等磨耗作用，顏色和狀態(tài)會發(fā)生變化，因此，本研究對鹽化物材料進(jìn)行耐熱性檢驗。結(jié)合實際生產(chǎn)，設(shè)定溫度210 ℃，加熱1 h條件下，對鹽化物外觀和鹽分濃度變化進(jìn)行觀察和測定。加熱前后鹽化物融雪劑狀態(tài)變化及鹽分濃度檢測結(jié)果如圖1、圖2所示。其中，鹽化物鹽分濃度檢測方法為：將融雪劑充分研磨后用純凈水溶解，過濾，采用滴定法測量氯離子濃度。

圖1 四種鹽化物融雪劑加熱前后狀態(tài)變化Fig.1 State changes of 4 salinization-based snow-melting agents before and after heating

圖2 四種鹽化物加熱前后鹽分濃度檢測結(jié)果Fig.2 Test result of salt concentrations of 4 salinization-based materials before and after heating

對比分析不同時間段，鹽化物融雪劑加熱前后鹽分濃度與顏色變化，加熱前后顏色變化比較明顯的是融雪劑A和D，融雪劑A基本已經(jīng)成團狀，表面油膜保護(hù)層已破裂。如圖2所示，融雪劑A的鹽分析出濃度與加熱前差異最大，說明鹽化物A的溫度敏感性較強。同時，此試驗可以粗略定出鹽分在混合料中鹽分析出濃度隨時間的變化趨勢，但最終評價還是應(yīng)以混合料鹽分析出速率為評價指標(biāo)。

1.3 混合料設(shè)計

本研究中使用了表2中所示的連續(xù)型密級配AC-13。在本研究中，綜合考慮各制造商推薦的最佳含量，使用質(zhì)量比為5%的鹽化物融雪劑代替礦物填料量。所有試驗采用原樣的設(shè)計最佳油石比4.9%。

表2 瀝青混合料AC-13級配Tab.2 Gradation of asphalt mixture AC-13

2 性能評價

2.1 路用性能試驗

本研究采用浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗及車轍試驗對摻鹽化物融雪劑瀝青混合料的水穩(wěn)定性、低溫開裂及高溫抗車轍等路用性能進(jìn)行評價。同時，考慮到施工現(xiàn)場的實際情況，采用高溫動水沖刷后的動壓力殘留劈裂強度試驗，綜合評價鹽化物瀝青混合料的性能。所有路用性能試驗均根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)進(jìn)行[19]。

在高溫動水沖刷后的動壓力殘留劈裂強度試驗中，本研究采用馬歇爾雙面擊實50次成型試件，放入50 ℃，0.3 MPa的動壓力水中沖刷3 500次，室溫冷卻、晾干，最后放入20 ℃恒溫水槽中保溫，測定劈裂抗拉強度，并計算其與標(biāo)準(zhǔn)試件的劈裂抗拉強度比值RT0。

2.2 融冰雪性能試驗

(1)混合料鹽分析出速率試驗

本試驗在之前耐熱性試驗的基礎(chǔ)上，通過浸泡法，定時采用鹽分濃度(質(zhì)量百分比Qti，%)計測定混合料鹽分析出濃度，從而得到混合料試件在常溫條件下的釋出速率，來評價鹽化物融雪劑析出速率Qri(×10-2·h-1)，計算公式如式(1)所示：

(1)

式中，Qri為時間ti至ti-1范圍內(nèi)鹽化物的析出速率；Qti和Qti-1分別為時間ti和ti-1的鹽分濃度。

(2)冰點試驗

如圖3所示，冰點試驗主要原理是將海綿(4 cm×4 cm×3 cm)吸飽水，置于矩形瀝青混合料試件(10 cm×10 cm×5 cm)表面(切割后光面)，放置低溫恒溫箱中保溫4 h后，檢查海綿與瀝青混合料試件的黏結(jié)情況。低溫溫度設(shè)置為-5 ℃，-10 ℃。冰點即為海綿與瀝青混合料試件無黏結(jié)或容易分離時對應(yīng)的溫度。

圖3 冰點試驗Fig.3 Freezing point test

(3)無紡布拉拔試驗

本研究中采用的是無紡布拉拔試驗，原理是將切割好的車轍板矩形試樣用密封材料密封作用區(qū)域，加水至浸沒試件表面至構(gòu)造深度，同時在試驗拉拔壓頭上粘一層無紡布，吸水后將拉拔頭置于矩形試樣表面。將拉拔頭與矩形試件放入溫控箱中降溫至結(jié)冰，放置4 h；然后取出拉拔頭與矩形試件進(jìn)行拉拔試驗，測定極限破壞拉力；計算黏結(jié)強度及相同溫度下?lián)郊欲}化物融雪劑試件與原樣試件黏結(jié)強度比。黏結(jié)強度試驗原理如圖4所示。

圖4 無紡布拉拔試驗Fig.4 Non-woven fabric pull-out test

(4)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。以一定質(zhì)量的冰塊與摻加融雪劑低溫養(yǎng)生的馬歇爾試件在大于0 ℃環(huán)境箱內(nèi)進(jìn)行融冰試驗，以1 h冰塊質(zhì)量損失率dm(即融冰率,%)作為評價鹽化物融冰效果的評價指標(biāo)，計算公式如式 (2)所示:

(2)

式中，m0為冰的初始質(zhì)量;mt為冰在時間t時的質(zhì)量。

3 結(jié)果與討論

3.1 路用性能

3.1.1 馬歇爾穩(wěn)定性及抗水損能力

兩種瀝青混合料的馬歇爾試驗、浸水馬歇爾試驗結(jié)果如表 3所示，其中，MS代表試件的馬歇爾穩(wěn)定度，MSR代表浸水后試件的殘留穩(wěn)定度?？梢钥闯觯瑩饺谘﹦r青混合料的馬歇爾穩(wěn)定性比沒有摻融雪劑的瀝青混合料的穩(wěn)定性低約3%，4種瀝青混合料的動穩(wěn)定度差異性不明顯，摻融雪劑瀝青混合料的性能退化水平基本上與過去的研究一致[20]。

表3 AC-13摻融雪劑瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度及抗水損能力試驗結(jié)果Tab. 3 Test result of Marshal stability and moisture resistance of AC-13 asphalt mixtures containing salinization-based snow-melting agents

而對于浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗，不同融雪劑的瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度有較大差異。摻融雪劑A與D的瀝青混合料性能退化顯著，其中A下降幅度最大達(dá)8.1%。試驗結(jié)果表明，摻融雪劑A與D對瀝青混合料的抗水損能力有較大影響。

3.1.2 水穩(wěn)定性

摻融雪劑瀝青混合料的水穩(wěn)定性也可以通過凍融劈裂試驗及高溫動水沖刷后的動壓力殘留劈裂強度試驗研究。表4為摻融雪劑瀝青混合料的水穩(wěn)定性試驗結(jié)果，其中TSR為凍融劈裂試驗抗拉強度比。結(jié)果表明，瀝青混合料與融雪劑混合后，對水穩(wěn)定性有較大影響。摻融雪劑瀝青混合料的TSR和RT0的變化與上述浸水殘留穩(wěn)定度的變化一致，再次表明融雪劑對瀝青混合料的水穩(wěn)定性有較大的影響。根據(jù)以上試驗結(jié)果，在評價摻鹽化物融雪劑瀝青混合料水穩(wěn)定性時，凍融劈裂試驗可以有效區(qū)別不同鹽化物材料的影響，可以考慮在評價指標(biāo)中加入凍融劈裂試驗殘留穩(wěn)定度比。

表4 AC-13摻融雪劑瀝青混合料凍融劈裂試驗結(jié)果Tab.4 Test result of freeze-thaw split performance of AC-13 asphalt mixtures containing salinization-based snow-melting agents

3.1.3 高溫抗車轍性

高溫車轍試驗得到的AC-13摻融雪劑瀝青混合料的動穩(wěn)定度如表 5所示，從試驗結(jié)果可以看出，摻融雪劑瀝青混合料的動穩(wěn)定度均有所下降，下降幅度分別為4.6%(A)，4.7%(B)，3.5%(C)，6.4%(D)，與之前的研究成果變化趨勢相吻合[21]。

表5 AC-13摻融雪劑瀝青混合料的動穩(wěn)定度Tab.5 Dynamic stabilities of AC-13 asphalt mixtures containing salinization-based snow-melting agents

綜上所述，添加融雪劑后瀝青混合料的路用性能略有變化，融雪劑對瀝青混合料的高溫抗車轍等路用性能方面沒有明顯影響；但是對于摻A，D兩種融雪劑的瀝青混合料，水穩(wěn)定性、抗水損能力等路用性能變化較大。這是由于融雪劑在瀝青混合料中保護(hù)層破裂，持續(xù)析出鹽化物，導(dǎo)致混合料中出現(xiàn)明顯的空隙，界面黏結(jié)性能變?nèi)?。因此，摻鹽化物融雪劑的瀝青混合料有較強的水敏感性，表現(xiàn)出明顯的性能衰變。

3.2 融冰雪性能

3.2.1 混合料鹽分析出速率試驗

瀝青混合料中融雪劑的析出量和析出速率等特性，是影響其融冰雪性能的重要因素，與環(huán)境溫度和時間有一定的相關(guān)性。4種摻融雪劑瀝青混合料的鹽分析出試驗結(jié)果如圖5所示。其中圖5(a)和圖5(b)表示不同融雪劑的瀝青混合料的鹽分析出量與析出速率隨時間的變化，圖5(c)和圖5(d)表示摻融雪劑A瀝青混合料在不同溫度下鹽分析出量與析出速率隨時間的變化。

不同融雪劑的瀝青混合料的鹽化物析出量和析出速率隨時間變化存在明顯差異，但是都存在初始析出階段及穩(wěn)定階段。融雪劑D瀝青混合料的融雪劑析出量明顯大于其他3種融雪劑瀝青混合料，這與融雪劑D耐熱性差的試驗結(jié)果相吻合。融雪劑C瀝青混合料的融雪劑析出量最小，析出時間也最短，48 h后鹽分析出速率最小，鹽分析出量最為穩(wěn)定。融雪劑的析出速率與融雪劑-瀝青的界面黏結(jié)力存在一定的聯(lián)系，融雪劑的析出量和析出速率是影響混合料融冰雪性能的主要因素，融雪劑的析出速率低，可以為瀝青路面提供更長的融雪壽命[22]。

根據(jù)圖5(c)和圖5(d)的試驗結(jié)果可以推斷出溫度對融雪劑鹽化物的析出量與析出速率的影響。隨著環(huán)境溫度的升高，融雪劑的初期析出量和析出速率顯著增加，48 h后析出量保持穩(wěn)定，析出速率趨近于0。當(dāng)溫度從20 ℃升高到60 ℃時，由于溶質(zhì)分子運動速度變快，并且分子間作用力變小，初期融雪劑鹽化物的釋放速率大約提高一倍。另外，在較高溫度下，由于瀝青的軟化導(dǎo)致黏聚力下降，也將促進(jìn)鹽化物融雪劑在瀝青混合料中的析出。

圖5 摻融雪劑瀝青混合料的融冰率隨時間的變化曲線Fig.5 Curves of ice-melting rates of asphalt mixtures containing snow-melting agents varying with time

3.2.2 冰點試驗

原樣及摻4種鹽化物融雪劑的瀝青混合料的冰點試驗結(jié)果見表6，其中原樣指未摻入融雪劑的瀝青混合料試樣。從表6中可以看出，溫度為-5 ℃時，海綿被提起時原樣瀝青混合料附著在海綿上，表明它們之間的黏結(jié)強度非常強。而在溫度-10 ℃時，冰凍的海綿的接觸層被破壞，并附著在摻鹽化物融雪劑C的瀝青混合料上。這是由于接觸面的黏結(jié)強度高于海綿的其他部位。而鹽化物融雪劑A與D能顯著降低瀝青混合料的冰點，使得冷凍的海綿與混合料試樣在-10 ℃發(fā)生了完全脫離，同時冷凍的海綿仍保持非常完整的狀態(tài)。試驗結(jié)果表明，不同鹽化物融雪劑對降低瀝青混合料冰點的作用效果排序為：A=D>B>C。

表6 AC-13摻融雪劑瀝青混合料冰點試驗結(jié)果Tab.6 Test result of freezing points of AC-13 asphalt mixtures containing snow-melting agents

3.2.3 無紡布拉拔試驗

4種摻融雪劑瀝青混合料的無紡布拉拔試驗結(jié)果如表7所示。通常，通過比較摻融雪劑之前和之后的黏結(jié)強度的變化，可以分析出融雪劑添加在瀝青混合料中的融冰雪性能。由黏結(jié)強度比均小于1可以推斷出，摻鹽化物融雪劑的瀝青混合料與冰的黏結(jié)強度小于原樣瀝青混合料與冰的黏結(jié)強度，融雪劑能降低瀝青混合料與冰的黏結(jié)強度，4種摻融雪劑瀝青混合料具有更好的融冰雪性能。這是因為混合料析出的鹽化物融雪劑與水混合，混合液的冰點降低，以達(dá)到融冰雪的效果。另外，瀝青混合料與冰的黏結(jié)強度與融雪劑的析出量具有一定關(guān)系。不同鹽化物融雪劑對瀝青混合料的冰黏結(jié)強度降低的效果不同，主要與融雪劑的釋放速度和其有效成分有關(guān)。試驗結(jié)果證明，低溫下?lián)接腥谘﹦〢和D的瀝青混合料的冰黏結(jié)強度損失最大，摻融雪劑A的瀝青混合料的冰黏結(jié)強度損失最大為96.3%，摻融雪劑D的瀝青混合料的冰黏結(jié)強度損失最大為98%。

表7 摻融雪劑瀝青混合料的無紡布拉拔試驗結(jié)果Tab.7 Non-woven fabric pull-out test result of asphalt mixtures containing snow-melting agents

不同溫度下，鹽化物融雪劑對瀝青混合料的冰黏結(jié)強度也存在一定差異，對比分析不同類型鹽化物融雪劑冰黏結(jié)強度隨溫度變化試驗結(jié)果如圖6所示。黏結(jié)強度越低，則瀝青混合料與冰直接的黏結(jié)力越差，融雪劑的融冰雪效果越好。在-4～-12 ℃溫度范圍內(nèi)，4種鹽化物融雪劑的混合料與冰之間的黏結(jié)強度均較弱，融冰雪效果排序為：A=D>B>C，與冰點試驗的結(jié)果保持一致。在溫度低于-16 ℃時，4種融雪劑的融冰雪效果排序出現(xiàn)變化，排序為：A>D>C>B。以黏結(jié)強度為0.1 MPa作為評價標(biāo)準(zhǔn)，可推算出4種融雪劑的冰點建議值，如表8所示。

圖6 摻融雪劑瀝青混合料的冰黏結(jié)強度隨溫度的變化曲線Fig.6 Curves of ice bonding strengths of asphalt mixtures containing snow-melting agents varying with temperature

表8 4種鹽化物融雪劑的冰點建議值Tab.8 Recommended freezing point values for 4 salinization-based snow-melting agents

3.2.4 融冰率試驗

4種摻鹽化物融雪劑瀝青混合料在-5 ℃條件下的融冰率試驗結(jié)果如表9所示，其中表中數(shù)據(jù)為冰塊的質(zhì)量mt。將融冰率dm計算出來，結(jié)果如圖 7所示。在室內(nèi)試驗條件下，當(dāng)時間為2 h時，4種混合物的冰塊基本完全融化;當(dāng)時間為1 h時，除了D融雪劑的融冰率為56%,摻鹽化物融雪劑瀝青混合料的融冰率基本在60%以上。根據(jù)時間為2 h的融冰率的試驗結(jié)果，4種鹽化物融雪劑的融冰效果排序為：C>A>D>B。另外，冰的初始質(zhì)量和融冰時間對融冰率有重要影響，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)。

表9 摻融雪劑瀝青混合料的融冰率試驗結(jié)果Tab.9 Test result of ice-melting rates of asphalt mixtures containing snow-melting agents

圖7 摻融雪劑瀝青混合料的融冰率隨時間的變化曲線Fig.7 Curves of ice-melting rates of asphalt mixtures containing snow-melting agents varying with time

3.2.5 鹽化物材料性能對比

根據(jù)以上試驗可以看出，融雪劑對瀝青混合料的高溫抗車轍等路用性能方面沒有明顯影響；但是摻鹽化物材料的瀝青混合料水穩(wěn)定性、抗水損能力等路用性能變化較大。4種鹽化物材料的殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂試驗殘留穩(wěn)定度比、高溫動水沖刷試驗殘留穩(wěn)定度比分別為：B>C>D>A，C>D>B>A，C>B>A>D。另外，不同鹽化物材料的融冰雪性能不同，4種鹽化物材料的冰點、融冰率指標(biāo)排序分別為：C>A=B>D，C>A>D>B。綜合考慮，鹽化物材料C既能保證瀝青混合料具有較好的融冰雪性能，又能減少對瀝青混合料路用性能的影響，這可能與鹽化物材料C具有較好的耐熱性，鹽分析出時間最短，析出量在48 h后最為穩(wěn)定有關(guān)。因此，鹽化物材料作為融雪劑時，應(yīng)該具有較好的耐熱性能、較短的鹽分析出時間和穩(wěn)定的鹽分析出量。

4 結(jié)論

(1)在使用鹽化物材料時應(yīng)該綜合考慮路用性能及融冰雪性能，尤其是瀝青混合料的水穩(wěn)定性，可以考慮在評價指標(biāo)中加入凍融劈裂試驗殘留穩(wěn)定度比，以更加全面地評價混合料的水穩(wěn)定性。

(2)目前標(biāo)準(zhǔn)中采用無紡布拉拔試驗評價鹽化物材料的冰點，而摻鹽化物融雪劑試件與原樣試件黏結(jié)強度比也具有一定意義，可用于評價摻鹽化物融雪劑瀝青混合料的融冰雪能力。

(3)隨著環(huán)境溫度的升高，融雪劑的初期析出量和析出速率顯著增加，48 h后析出量保持穩(wěn)定。在相同環(huán)境溫度下，不同種類融雪劑的鹽分析出量和析出速率存在明顯差異，這是影響瀝青混合料融冰雪性能的主要因素。

(4)為了保證瀝青混合料具有較好的融冰雪性能，減少對瀝青混合料路用性能的影響，鹽化物材料作為融雪劑時，應(yīng)該具有較好的耐熱性能、較短的鹽分析出時間和穩(wěn)定的鹽分析出量。