瀝青混合料用融冰雪鹽化物材料評價指標(biāo)研究

徐 劍，龔 演，薛 成，劉 凱

(1. 交通運輸部公路科學(xué)研究院, 北京 100088；2. 中交第二公路工程局有限公司, 陜西 西安 710061；3. 合肥工業(yè)大學(xué), 安徽 合肥 230009)

0 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。隨著降溫等氣候變化，雨霧和冰雪等惡劣天氣極大影響交通系統(tǒng)，瀝青路面出現(xiàn)積雪、結(jié)冰等現(xiàn)象，路面表面的抗滑性能下降，同時由于氣候?qū)е碌哪芤姸冉档?，造成交通事故增加，?yán)重威脅交通安全。據(jù)統(tǒng)計，冬季時期15%～30%的交通事故與路表結(jié)冰積雪有關(guān)。另外，在冬季凍雨、冰雪等不良?xì)夂蛳?，公路網(wǎng)通行能力受到顯著影響，嚴(yán)重時還將導(dǎo)致該區(qū)域的交通中斷、運輸癱瘓，造成巨大的經(jīng)濟、社會影響。因此，冬季道路融冰除雪工作是瀝青路面養(yǎng)護的重點及難點[1-8]。

經(jīng)過我國科學(xué)工作者近10 a的研究和國內(nèi)近20個省的工程實踐，我國公路瀝青混合料用融冰雪材料技術(shù)已經(jīng)較為成熟，并經(jīng)過大量工程驗證。實踐表明，公路瀝青混合料用融冰雪材料技術(shù)一方面可以有效減少冬季的交通事故，確?！敖煌ò踩盵9-12]；另一方面，極大程度地避免了對基礎(chǔ)設(shè)施的破壞和環(huán)境污染，降低冬季瀝青路面的養(yǎng)護成本，為實現(xiàn)“綠色交通、平安交通”提供了技術(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[13]，除常規(guī)的氯離子類鹽化物外，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 第2部分：鹽化物材料》(JT/T 1210.2—2018)[14]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。同時，由于我國不同區(qū)域環(huán)境差異較大，融冰雪鹽化物材料依然不能很好地改善瀝青混合料的融冰雪性能?？紤]到融冰率及冰點指標(biāo)是瀝青混合料的融冰雪性能的主要評價指標(biāo)，本研究選擇4種不同的鹽化物材料，研究了鹽化物的材料性能、融冰雪性能評價指標(biāo)對瀝青混合料性能影響，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)用和推廣提供參考。

1 材料與試驗方案

1.1 瀝青

為了研究摻鹽化物融雪劑瀝青混合料的融冰雪性能，本研究采用70#瀝青，其基本性能參數(shù)如表1所示[15]。

表1 70#瀝青的基本性能指標(biāo)

1.2 鹽化物材料

本研究選用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。

1.3 混合料設(shè)計

表2是密級配瀝青混合料的AC-13級配配比，本研究采用的鹽化物融雪劑為5%，采用原樣的設(shè)計最佳油石比4.9%。

表2 瀝青混合料AC-13級配配比

2 試驗方法

2.1 有效陰離子含量試驗

目前市面上存在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)[14](以下簡稱《鹽化物材料》)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。本試驗針對不同的融冰雪鹽化物材料：對于氯化物鹽材料，根據(jù)上述行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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，本試驗根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《路用非氯有機融雪劑》(JT/T 973—2015)中的5.7方法[16]進(jìn)行相對融雪化冰能力試驗，通過相對融雪化冰能力W1計算出權(quán)衡因子Q的值，計算公式如式(1)～(2)所示。

(1)

(2)

式中,W1為相對融雪化冰能力;m0，m1分別為非氯化物材料溶液試驗前及試驗0.5 h后燒杯和冰塊總質(zhì)量；m′0，m′1分別為氯化納溶液試驗前及試驗0.5 h后燒杯和冰塊總質(zhì)量，燒杯的體積為200 mL。QAc，Qf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。

對于復(fù)合材料，其有效陰離子含量Qn根據(jù)式(3)可計算得出。

Qn=Q×Q′Ac+Q′f，

(3)

式中，Q′Ac，Q′f分別為復(fù)合材料中的醋酸離子、氯離子含量。

醋酸離子含量的測量方法如下：將試樣研磨、篩分并烘干，取烘干后質(zhì)量為m的試樣(10±0.1) g放置于磨口瓶中，倒入200 mL蒸餾水充分溶解，靜置2 h后過濾。將移液管吸取1 mL濾液倒入燒杯中，用50 mL蒸餾水稀釋，再加入0.2%酚酞指示劑溶液1～2滴，用0.1 mol/L氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定法，直至呈現(xiàn)微紅色為滴定終點。記錄消耗的標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉溶液體積為V，單位為mL。根據(jù)式(4)計算醋酸離子含量QAc。

(4)

式中，C為氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的摩爾濃度0.1 mol/L。

2.2 碳鋼腐蝕率試驗

本試驗根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《路用非氯有機融雪劑》(JT/T 973—2015)中5.9節(jié)的方法進(jìn)行[16]。由于公路瀝青混合料用融冰雪材料鹽化物材料均具有疏水特征，無法直接溶于水中。另外，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，將摻鹽化物材料的瀝青混合料馬歇爾試件進(jìn)行快速沖洗，使試件表面無可見融冰雪材料，沖洗總時間不宜大于10 s。沖洗完成后，將試件浸泡在5 L的去離子水中24 h，取浸出液進(jìn)行碳鋼腐蝕率測定。

2.3 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?，F(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鹽化物材料》(JT/T 1210.2—2018)中以質(zhì)量為40 g的冰塊進(jìn)行融冰試驗，測量1 h時間內(nèi)冰塊質(zhì)量損失率dm(即融冰效率，%)，計算公式如式(5)所示。

(5)

式中，m0為冰的初始質(zhì)量；mt為冰在時間t時的質(zhì)量。

本研究中將考慮冰塊的初始質(zhì)量變?yōu)?0 g，與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鹽化物材料》(JT/T 1210.2—2018)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)果以及對實際工況模擬準(zhǔn)確性的影響。

2.4 冰點試驗

如圖1所示，冰點試驗主要原理是將海綿吸飽水，置于矩形瀝青混合料試件表面，其中海綿尺寸為4 cm×4 cm×3 cm，混合料試件尺寸為10 cm×10 cm×5 cm。將海綿及矩形瀝青混合料一起放置于恒溫箱中保溫4 h，檢查海綿與瀝青混合料的黏結(jié)情況。恒溫箱溫度分別設(shè)置為-5，-10，-15 ℃。冰點即為海綿與瀝青混合料黏結(jié)較弱，較容易分離時對應(yīng)的溫度。

圖1 冰點試驗

3 結(jié)果與討論

3.1 有效陰離子含量試驗

將5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，氯離子含量與醋酸離子含量試驗結(jié)果如表3所示，其溶液試驗前及試驗0.5 h后燒杯和冰塊總質(zhì)量如表4所示。其中，試驗0.5 h后燒杯和冰塊總質(zhì)量測量3次，取平均值。相對融雪化冰能力以融冰雪材料A為標(biāo)準(zhǔn)計算。

表3 4種融冰雪材料有效陰離子含量試驗結(jié)果

表4 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和E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。材料E為醋酸類材料的復(fù)合類融冰雪材料，根據(jù)材料E的陰離子含量及權(quán)衡因子Q的值計算得出材料E的有效陰離子含量為50.1。材料D和E的計算結(jié)果與試驗吻合，證實權(quán)衡因子Q的值具有可靠性。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鹽化物材料》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份，提出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：

Qn=0.72×QAc+Qf。

(6)

3.2 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影響基礎(chǔ)設(shè)施(主要是鋼材)腐蝕的重要因素，對基礎(chǔ)設(shè)施具有很強的破壞性，并造成環(huán)境污染。在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鹽化物材料》中，pH值應(yīng)在7.0～9.0范圍內(nèi)，以減少氯化鈉與醋酸鉀的析出對碳鋼的腐蝕影響，碳鋼腐蝕率應(yīng)不大于0.11 mm/a。

有研究結(jié)果表明[17-18]，當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于3.5%時，自腐蝕電位隨溶液中NaCl質(zhì)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。對不同濃度下融雪劑的腐蝕速度開展試驗研究，試驗結(jié)果如表5所示。

表5 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%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均有關(guān)。但是，目前尚未存在較為成熟的融雪劑碳鋼腐蝕率變化的機制分析。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)境的實際腐蝕情況的影響較小。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，另外，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)。

3.3 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40 g和20 g冰作為初始質(zhì)量開展融冰率試驗。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6所示，在室內(nèi)試驗條件下，當(dāng)初始質(zhì)量為40 g時，4種混合物的融冰率數(shù)值基本在12%左右，不符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鹽化物材料》中對融冰率指標(biāo)的要求；當(dāng)初始質(zhì)量為20 g時，4種混合物的融冰質(zhì)量基本與初始質(zhì)量為40 g時差異不大，而融冰率的結(jié)果基本是在24%左右。

表6 摻融雪劑瀝青混合料的融冰率試驗結(jié)果

為了驗證試驗結(jié)果的可靠性，對目前工程上廣泛使用的融冰雪效果較好的融冰雪鹽化物材料產(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)的要求，但當(dāng)初始質(zhì)量為20 g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20 g冰塊作為研究對象計算冰塊的融冰率，融冰率范圍不小于20%。

3.4 冰點試驗

原樣及摻4種融冰雪材料的瀝青混合料的冰點試驗結(jié)果見表7，當(dāng)溫度處于瀝青混合料的冰點以下時，隨著溫度降低，海綿與瀝青混合料之間的黏結(jié)強度增強，冰凍的海綿與瀝青混合料之間難以分離；當(dāng)溫度高于瀝青混合料的冰點時，冷凍的海綿與混合料試樣能被完全脫離，同時冷凍的海綿仍非常完整。根據(jù)試驗結(jié)果，可以判斷出融冰雪材料C與D能顯著降低瀝青混合料的冰點，冰點溫度范圍不大于-15 ℃，可以更好地適用于北方冬天寒冷的氣候。而摻有融冰雪材料A與B的瀝青混合料冰點處于-5～-10 ℃溫度范圍，適用于南方冬天。

表7 四種融冰雪瀝青混合料冰點試驗結(jié)果

在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鹽化物材料》中，冰點指標(biāo)的技術(shù)要求為不大于-5 ℃，考慮到融冰雪材料研發(fā)工作迅猛發(fā)展，目前市面上開發(fā)的部分融冰雪材料具有更優(yōu)秀的融冰雪性能，能較好地降低瀝青混合料的冰點，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鹽化物材料》中的技術(shù)要求已經(jīng)不能較好地區(qū)分不同融冰雪材料的性能。同時，考慮我國南北方冬天氣候的巨大差異性，建議將冰點指標(biāo)分成兩個等級，分別為：-5～-15 ℃和≤-15 ℃，可以分別適用于我國南方和北方不同的氣候條件。

4 結(jié)論

(1)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份性能評價指標(biāo)，提出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)，可以評價氯離子類和非氯離子醋酸類融冰雪材料，適用范圍更廣，更具普適性。醋酸離子的權(quán)衡因子Q=0.72。

(2)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。另外，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)。

(3)冰的初始質(zhì)量對融冰率有重要影響，為了更好地適應(yīng)目前材料開發(fā)現(xiàn)狀和工程應(yīng)用實際，建議采用20 g冰塊作為研究對象計算冰塊的融冰率，融冰率范圍不小于20%。

(4)將冰點指標(biāo)進(jìn)行分級可以更好地適用于我國南方和北方不同的氣候條件?？紤]到我國南北方冬天氣候的巨大差異性，建議將冰點指標(biāo)分成兩個等級：南方為-5～-15 ℃，北方為≤-15 ℃，可以分別適用于我國南方和北方不同的氣候條件。