改性氯氧鎂水泥集料及自融雪性能

王 鋒，景宏君，宋 梅，艾 濤，張勝利，劉 騫，慕 曉，葛 磊

(1.陜西省渭南公路管理局，陜西 渭南 714000；2.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 道路工程研究中心，陜西 西安 710054；4.長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；5.陜西交通控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

中國(guó)北方地區(qū)冬季寒冷，常出現(xiàn)降雪、結(jié)冰等天氣現(xiàn)象。路面積雪結(jié)冰會(huì)暫時(shí)改變路表構(gòu)造深度，降低路面摩擦系數(shù)，造成車輛打滑、行走困難，給交通運(yùn)輸和人民生命財(cái)產(chǎn)安全等方面造成嚴(yán)重危害，增加冬季交通事故的發(fā)生概率[1]。為消除冰雪對(duì)道路的不利影響，常采用撒布大量融雪鹽被動(dòng)除冰雪的辦法來(lái)解決這一問(wèn)題。傳統(tǒng)的氯鹽融雪劑雖然滿足了道路交通的快速開(kāi)放，但是也導(dǎo)致了植被破壞、附屬結(jié)構(gòu)腐蝕、水資源和土壤污染等一系列問(wèn)題[2]。

較被動(dòng)除冰雪技術(shù)而言，主動(dòng)除冰雪技術(shù)是指在冰雪形成前就采取一定的有效措施和方法[3-8]，主要包括彈性路面鋪裝技術(shù)[9]、低冰點(diǎn)路面[10]和能量轉(zhuǎn)化路面[11-12]等。低冰點(diǎn)路面作為目前較為成熟的一種主動(dòng)除冰雪技術(shù)[13-14]，將含有緩釋融雪鹽的集料或者粉末拌入瀝青混合料中，使瀝青混凝土的表面鹽水冰點(diǎn)變低，起到除冰融雪的作用。

瑞士、德國(guó)等歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家先行展開(kāi)這種低冰點(diǎn)路面技術(shù)研究，并在瑞士首先研制出可降低瀝青路面冰點(diǎn)的蓄鹽集料產(chǎn)品Verglimit-260(V260)[15]。日本引進(jìn)此蓄鹽集料產(chǎn)品，進(jìn)行了二次改良，開(kāi)發(fā)出產(chǎn)品名為MFL的蓄鹽粉[16]。SANG等使用V260和MFL作用于低冰點(diǎn)瀝青路面的同時(shí)，開(kāi)展了新的低冰點(diǎn)蓄鹽材料和技術(shù)的研究工作[17]。孫崢嶸等通過(guò)將融雪鹽承載于多孔物質(zhì)，經(jīng)防水處理制備出蓄鹽集料[18]；馮雷等利用絡(luò)合法形成緩釋鹽，并將絡(luò)合鹽包含于疏水的多孔細(xì)粉中，制備蓄鹽粉[19]；朱浩然等通過(guò)將蓄鹽集料或蓄鹽粉摻入瀝青混合料中制成蓄鹽瀝青混凝土[20]。室內(nèi)試驗(yàn)和工程實(shí)踐表明，蓄鹽瀝青混凝土具有良好的除冰融雪功能，但時(shí)效性不佳。

為提高蓄鹽瀝青混凝土除冰融雪的長(zhǎng)效性，以改性氯氧鎂水泥為載體，通過(guò)壓碎值、接觸角以及電導(dǎo)率等評(píng)測(cè)方法，篩選出一種緩釋性能優(yōu)良的蓄鹽集料，采用蓄鹽集料等體積置換細(xì)集料的方法，制備其蓄鹽瀝青混凝土，通過(guò)融雪鹽緩釋性能、冰點(diǎn)試驗(yàn)、融冰速率試驗(yàn)、融雪效果試驗(yàn)評(píng)判除冰融雪性能。

1 材料制備及試驗(yàn)方法

1.1 蓄鹽集料的制備

選取氯氧鎂水泥作為蓄鹽材料的載體，以氯化鎂、氯化鈣和氯化鈉為無(wú)機(jī)融雪劑，丙三醇和聚乙二醇為有機(jī)融雪劑和緩蝕劑，制備不同蓄鹽集料。

按照表1中組成成分和配比要求，將氯化鎂、氯化鈣或氯化鈉、改性劑、聚乙二醇或丙三醇配制成一定濃度的混合液，放置24 h后備用。在水泥砂攪拌機(jī)中加入準(zhǔn)備好的氧化鎂粉，摻入定量的混合液，拌制成泥漿后，倒入事先準(zhǔn)備好的模具中，保濕養(yǎng)護(hù)24 h后，脫模，常溫養(yǎng)護(hù)一定齡期，以備后續(xù)的實(shí)驗(yàn)所需。

表1 蓄鹽集料組成

1.2 蓄鹽集料性能測(cè)試

參照規(guī)范養(yǎng)護(hù)要求，將試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)一定齡期，依照GB/T 17671—1999對(duì)試件開(kāi)展抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。將養(yǎng)護(hù)15，28 d的氯氧鎂水泥部分試件打磨光潔后直接進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試；將養(yǎng)護(hù)28 d的試件水中浸泡7 d后取出，立即測(cè)試其抗壓強(qiáng)度，若測(cè)試結(jié)果不低于原試件抗壓強(qiáng)度的80%(即耐水軟化系數(shù)不低于0.8)視為合格。

將養(yǎng)護(hù)28 d的蓄鹽集料用對(duì)輥破碎機(jī)加工成為4.75 mm粒徑以下的顆粒，然后篩取粒徑為2.36～4.75 mm范圍內(nèi)的各類蓄鹽集料，根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)采用如圖1所示裝置進(jìn)行壓碎值測(cè)試。

1.3 蓄鹽瀝青混合料制備及路用性能測(cè)試

蓄鹽集料等體積置換部分細(xì)集料，參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2017)要求，制備AC-13型瀝青混凝土。

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2019)進(jìn)行不同細(xì)集料替換率(0%，10%，15%，20%)的AC-13蓄鹽瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性能以及水穩(wěn)定性測(cè)試，進(jìn)而評(píng)價(jià)蓄鹽集料對(duì)瀝青混凝土的路用性能影響。

1.4 蓄鹽瀝青混凝土除冰性能

蠟封不同蓄鹽集料用量的瀝青混凝土馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件，裸露上表面，放入2 000 mL燒杯中，向燒杯中注入1 200 mL的蒸餾水，采用DDS-11C型電導(dǎo)率儀，測(cè)試試件浸泡不同時(shí)間后的溶液電導(dǎo)率(圖2)。通過(guò)檢測(cè)水溶液導(dǎo)電率隨時(shí)間變化，對(duì)蓄鹽瀝青混凝土鹽分緩釋性能進(jìn)行表征。

以年降雨量1 000 mm為基準(zhǔn)，模擬5 a降雨量對(duì)蓄鹽瀝青混凝土的沖刷，雨水沖刷裝置如圖3所示。

將蓄鹽瀝青混凝土試件放入容器中，開(kāi)啟閥門，根據(jù)年降雨量中大雨、中雨、小雨的大體比例和降雨時(shí)間，控制流出的水量和流速，對(duì)試件進(jìn)行沖刷試驗(yàn)，測(cè)試沖刷后的水溶液電導(dǎo)率的變化幅度，表征蓄鹽瀝青混凝土鹽分緩釋的長(zhǎng)久性。

按照《公路瀝青混合料用融冰雪材料》(JT/T 1210.2—2018)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)蓄鹽瀝青混凝土的冰點(diǎn)和融冰速率。

2 結(jié)果與討論

2.1 蓄鹽集料耐水性

改性氯氧鎂水泥蓄鹽集料的耐水性直接影響瀝青混凝土的耐久性。按表1的組成制備成型一定齡期的改性氯氧鎂水泥蓄鹽試件，改性氯氧鎂水泥耐水軟化系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，改性處理的氯氧鎂水泥，除氯化鈉與其它組分發(fā)生化學(xué)絡(luò)合的作用小，水浸泡后，易溶于水的氯化鈉流失后形成孔隙，使得浸泡后的試件抗壓強(qiáng)度下降，表現(xiàn)為軟化系數(shù)減??；其它含有氯化鈣的改性氯氧鎂水泥試件，氯化鈣與有機(jī)醇易發(fā)生化學(xué)絡(luò)合，較之氯化鈉、氯化鎂的溶析現(xiàn)象緩慢，包含甘油、聚乙二醇等組分可提升新型蓄鹽集料的緩蝕性以及除冰融雪效果[21]。

2.2 蓄鹽集料的抗壓碎值

集料的抗壓碎值是另一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)[22-24]。改性氯氧鎂蓄鹽集料的抗壓碎測(cè)試結(jié)果顯示6種改性氯氧鎂水泥蓄鹽集料的壓碎值都小于規(guī)范要求的26%(表2)，其中4型是改性氯氧鎂水泥蓄鹽集料中抗壓碎性能最好的蓄鹽集料。

表2 各類型蓄鹽集料抗壓碎值

為了使蓄鹽集料能夠具有緩釋鹽分的功能，蓄鹽集料的表面呈疏水性為佳。通過(guò)測(cè)試蓄鹽集料的水-固界面接觸角可表征使用改性劑改性后的蓄鹽集料的表面疏水性。

6種蓄鹽集料的測(cè)試結(jié)果表明，摻氯化鈉改性氯氧鎂水泥蓄鹽集料的接觸角最小，表現(xiàn)為明顯的親水性(表3)；氯化鈣和改性劑處理的氯氧鎂水泥蓄鹽集料，其接觸角均遠(yuǎn)超90°，其中4型蓄鹽集料的接觸角最大，表現(xiàn)出優(yōu)良的疏水性，這是因?yàn)?型蓄鹽集料中的氯化鈣可與改性劑和丙三醇發(fā)生復(fù)雜的絡(luò)合反應(yīng)，成為一種疏水的化合物，使蓄鹽集料具有優(yōu)良的疏水性，可為蓄鹽集料的緩釋提供良好的保障。

表3 各型蓄鹽集料對(duì)水的浸潤(rùn)性

2.3 蓄鹽瀝青混凝土路用性能

蓄鹽瀝青混凝土路面在滿足自融雪性能的同時(shí)，需探究蓄鹽瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性能以及水穩(wěn)定性[25]。選用4型蓄鹽集料以不同細(xì)集料替換率(0%，10%，15%，20%)摻入AC-13瀝青混凝土，進(jìn)而評(píng)價(jià)不同替換率的蓄鹽集料對(duì)蓄鹽瀝青混凝土的路用性能的影響。

2.3.1 高溫穩(wěn)定性

瀝青混凝土是由瀝青粘結(jié)集料形成的粘彈性材料，遇高溫時(shí)瀝青混合料會(huì)發(fā)生高溫軟化，易形成車轍、擁包等病害[26]，有必要對(duì)瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性能進(jìn)行測(cè)試。蓄鹽瀝青混凝土中蓄鹽集料取代了部分細(xì)集料，為了驗(yàn)證蓄鹽集料是否影響瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性，采用5.5%油石比，制備不同替換率的蓄鹽瀝青混凝土車轍板，測(cè)試各試塊的高溫穩(wěn)定性。

通過(guò)蓄鹽瀝青混凝土車轍板試驗(yàn)結(jié)果(圖5)可知，隨著蓄鹽砂體積摻量的增大，瀝青混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度出現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)變化，體積摻量為15%時(shí)的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最大，繼續(xù)增大摻量，動(dòng)穩(wěn)定度又略有下降，這是由于蓄鹽集料的有機(jī)鹽絡(luò)合物更易于瀝青結(jié)合，使瀝青軟化點(diǎn)提高，改善了瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性；但蓄鹽集料的堅(jiān)韌程度比天然集料弱，摻入過(guò)多蓄鹽集料的瀝青混凝土易被碾碎，導(dǎo)致試件動(dòng)穩(wěn)定度略有下降。

2.3.2 低溫抗裂性能

瀝青混凝土是一種粘彈性材料，低溫狀態(tài)下易出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象[27-29]，因此低溫抗裂性是瀝青混凝土的重要的性能指標(biāo)。通過(guò)測(cè)試不同蓄鹽集料替換率下瀝青混凝土的最大彎曲應(yīng)變和最大拉伸應(yīng)變，研究蓄鹽集料的加入對(duì)瀝青混凝土低溫性能的影響(表4)。

表4 蓄鹽瀝青混凝土最大彎拉應(yīng)變

由表4可知，隨著蓄鹽集料替換率的增大，瀝青混凝土的彎拉應(yīng)變呈逐漸變小，說(shuō)明蓄鹽集料的加入對(duì)瀝青混凝土的低溫抗裂性能產(chǎn)生了不利作用。

2.3.3 水穩(wěn)定性

在水的不斷侵蝕下，會(huì)造成瀝青混凝土的膠黏性降低，瀝青路面的壽命縮短[30]，采用浸水馬歇爾試驗(yàn)評(píng)價(jià)了貯鹽瀝青混凝土的水穩(wěn)定性。

不同蓄鹽集料取代率下瀝青混凝土的水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果表示(圖6)，蓄鹽瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度隨著集料體積摻量的增大而呈下降的趨勢(shì)，這是由于隨著混凝土中鹽分的緩慢溶出，內(nèi)部空隙率不斷變大，水損害程度加重，造成水穩(wěn)定性的下降。蓄鹽集料替換率為15%時(shí)，瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度為86.5%，符合規(guī)范要求；當(dāng)替換率達(dá)20%時(shí)，瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度小于規(guī)范值，水穩(wěn)定性不符合規(guī)范要求。

2.4 蓄鹽瀝青混凝土除冰性能

2.4.1 融雪鹽緩釋性能

蓄鹽瀝青混凝土路面作為具備主動(dòng)除冰融雪的功能性路面，蓄鹽量大和緩釋期長(zhǎng)的混凝土?xí)娱L(zhǎng)蓄鹽瀝青混凝土路面的使用壽命[31]。衡量蓄鹽瀝青混凝土路面的除冰融雪效果主要由蓄鹽集料中有效成分的析出量多少以及路表鹽分含量決定。需要對(duì)蓄鹽瀝青混凝土路面的鹽分析出量進(jìn)行測(cè)量，以達(dá)到評(píng)估蓄鹽路面的除冰融雪效果。不同替換率的蓄鹽集料的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，采用電導(dǎo)率分析法測(cè)量蓄鹽瀝青混凝土不同時(shí)間釋放于水中的溶鹽濃度，并以此判斷蓄鹽瀝青混凝土的長(zhǎng)期除冰融雪性能。

分析不同蓄鹽集料替換率瀝青混凝土的電導(dǎo)率曲線可知，隨著時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，蓄鹽集料替換率為10%的馬歇爾試件的電導(dǎo)率上升趨勢(shì)變緩最明顯，且與替換率為15%和20%的馬歇爾試件的電導(dǎo)率相差較大(圖7)；蓄鹽集料替換率為15%和20%的馬歇爾試件的電導(dǎo)率變化趨勢(shì)都為前期快速增長(zhǎng)，后期逐漸減緩，表現(xiàn)出良好的溶鹽緩釋性能。

季節(jié)性降雨使蓄鹽瀝青混凝土中鹽分損失，會(huì)減弱冬季混凝土路面自融雪功能。為驗(yàn)證蓄鹽瀝青混凝土鹽分緩釋的長(zhǎng)久性，模擬5 a雨水沖刷后，測(cè)試蓄鹽瀝青混凝土浸水溶液電導(dǎo)率，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

從圖8中的測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同蓄鹽集料替換率的鹽溶液電導(dǎo)率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，由小變大，并逐漸趨穩(wěn)。蓄鹽瀝青混凝土經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間大量水的沖刷和浸泡，仍然具有良好的鹽分緩釋性能。

2.4.2 冰點(diǎn)試驗(yàn)

參照《公路瀝青混合料用融冰雪材料》(JT/T 1210.2—2018)中的冰點(diǎn)試驗(yàn)方法，通過(guò)檢測(cè)冰點(diǎn)來(lái)評(píng)價(jià)蓄鹽瀝青混凝土的融冰性能。冰點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果(表5)顯示，蓄鹽集料替換率越大，蓄鹽量增大，溶出的鹽量也會(huì)變大，測(cè)試的冰點(diǎn)變得越低。低冰點(diǎn)將會(huì)實(shí)現(xiàn)蓄鹽瀝青混凝土的自融雪功能。

表5 冰點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

2.4.3 融冰速率試驗(yàn)

為了衡量該蓄鹽瀝青混凝土路面的除冰效果，對(duì)不同蓄鹽集料替換率瀝青混凝土的融冰速率進(jìn)行測(cè)量，隨著試件中蓄鹽集料替換率的增大，融冰速率也在逐漸增大(表6)。

表6 不同蓄鹽集料替代率的瀝青混凝土融冰速率

2.4.4 融雪效果

將蓄鹽集料替換率為15%的瀝青混凝土車轍板與未摻蓄鹽集料的瀝青混凝土車轍板放置室外，在降雪量達(dá)到4.5 mm的過(guò)程，觀察蓄鹽瀝青混凝土的融雪效果。

對(duì)比降雪24 h后的融雪效果(圖9)，降雪在蓄鹽瀝青混凝土車轍板上的雪層較薄，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，蓄鹽瀝青混凝土表面的積雪越來(lái)越少，直至即落即化的程度。低溫下未摻融雪集料的瀝青混凝土基本沒(méi)有自動(dòng)融雪的現(xiàn)象，而摻有15%的蓄鹽集料的瀝青混凝土具有顯著的自融雪功能。蓄鹽瀝青混凝土優(yōu)良的自融雪功能來(lái)源于其內(nèi)在的鹽分在水份持續(xù)溶解作用下，不斷的遷移至混凝土的表面，有效降低了雪水的冰點(diǎn)，達(dá)到了自動(dòng)消融積雪的作用。

3 結(jié) 論

1)通過(guò)對(duì)改性氯氧鎂水泥進(jìn)行抗壓碎值、接觸角和耐水性的測(cè)試分析，得出以氯氧鎂水泥為載體，在氯化鈣與有機(jī)醇和有機(jī)改性劑的絡(luò)合作用下，可制備出鹽分緩釋性能和力學(xué)性能均佳的蓄鹽集料。

2)不同蓄鹽集料替換率的瀝青混凝土的高溫性能和低溫性能均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。蓄鹽集料替換細(xì)集料的最優(yōu)值為15%，不僅可滿足蓄鹽瀝青混凝土殘留穩(wěn)定度要求，并可兼顧水穩(wěn)定性等路用性能指標(biāo)。

3)瀝青混凝土中蓄鹽集料替換細(xì)集料的比率為15%時(shí)，冰點(diǎn)為-5 ℃，融冰速率為352(g/h·m2)，表明蓄鹽瀝青混凝土具有優(yōu)良的自動(dòng)融雪效果，具備長(zhǎng)效的除冰融雪能力。