融雪劑配比對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響研究

馬永連

（山西路橋第六工程有限公司，山西 晉中 030600）

0 引言

北方地區(qū)尤其嚴(yán)寒地區(qū)的融雪工作主要通過撒鋪融雪劑方式處理。融雪劑有兩種:第一種是氯鹽類，由氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂等一種純物質(zhì)或幾種物質(zhì)混合形成。其優(yōu)點(diǎn)是原材料富足、價(jià)格便宜、冰點(diǎn)低、融冰化雪的效果較好，其缺點(diǎn)是對(duì)環(huán)境、土壤危害嚴(yán)重；第二種是有機(jī)物類，由醋酸鎂、醋酸鈣等有機(jī)物組成，其缺點(diǎn)是融雪效果差、冰點(diǎn)高、價(jià)格較貴，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)環(huán)境污染小。

只有一種物質(zhì)的氯鹽融雪劑[1]如氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂等單獨(dú)使用過程中雖然融冰化雪效率高，但是在經(jīng)濟(jì)與環(huán)保方面仍存在很大問題。相比于一種物質(zhì)的氯鹽融雪劑，由氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂中的兩種或3種物質(zhì)組成的混合型融雪劑得到廣泛應(yīng)用[2-7]。但是混合型融雪劑仍存在融雪劑造價(jià)偏高等問題，關(guān)于三者混合使用的配比問題上國內(nèi)外學(xué)者研究較少，因此有必要對(duì)三者使用配比進(jìn)行相關(guān)研究。

本文以氯鹽融雪劑（其成分由氯化鈉，氯化鎂，氯化鈣3種物質(zhì)組成）為研究對(duì)象，通過融雪劑融冰能力、融雪劑經(jīng)濟(jì)與環(huán)保分析以及融雪劑配比對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性能影響，指導(dǎo)融雪劑的合理使用，達(dá)到經(jīng)濟(jì)環(huán)保，高效融雪的目的。

1 試驗(yàn)材料

1.1 瀝青

采用90號(hào)瀝青，依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E20—2011[8]進(jìn)行瀝青相關(guān)指標(biāo)測(cè)試，如表1所示。

表1 瀝青技術(shù)性質(zhì)

1.2 集料

集料來自拌合站，選用集料為玄武巖，礦粉為石灰石礦粉，集料指標(biāo)[9]見表2所示。

表2 集料試驗(yàn)結(jié)果

1.3 集料級(jí)配

級(jí)配設(shè)計(jì)采用AC-13，各檔集料所需比例如表3所示。

表3 混合料級(jí)配表

1.4 油石比

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E20—2011試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，得到瀝青混合料的油石比為5%.

1.5 融雪鹽

NaCl、MgCl2、CaCl2來自化工公司。經(jīng)莫爾法推算出每種鹽分的純度[10]，為配制融雪劑準(zhǔn)備，如表4所示。

表4 3種融雪劑的純度

1.6 水

來自試驗(yàn)室的自來水。

2 試驗(yàn)方案

因NaCl對(duì)瀝青混合料路用性能的不利影響更為敏感，故融雪劑配制以NaCl含量為主。成品融雪劑的檢測(cè)報(bào)告表現(xiàn)為：NaCl∶CaCl2∶MgCl2=8∶59∶33，因此在原有配比基礎(chǔ)上嘗試以NaCl占比8%、15%、22%和MgCl2占比33%、27%、39%為基準(zhǔn)，得到9種新配比，同時(shí)分別以僅含 NaCl、CaCl2、MgCl2的融雪劑為3種配比，因此共得到12種配比，其配比及造價(jià)如表5所示。

表5 融雪劑配比與造價(jià)表

為檢驗(yàn)融雪劑的融冰能力，以融雪劑各自純度來推算配置設(shè)計(jì)濃度為0.2 g/mL（參考融雪劑規(guī)范）的溶液進(jìn)行融冰試驗(yàn)，試驗(yàn)中與10號(hào)融雪劑組（僅含NaCl）對(duì)比，并結(jié)合融雪劑造價(jià)，優(yōu)選出3種融雪劑。

在研究瀝青混合料的水穩(wěn)性能時(shí)，因真空飽水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)的相關(guān)性較好，故應(yīng)合理選擇評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)試驗(yàn)方法，本文采用凍融劈裂試驗(yàn)來研究瀝青混合料的水穩(wěn)性能。試驗(yàn)前，將試件進(jìn)行編組，第1組為空白組；第2組、第3組、第4組為融雪劑浸泡組。以融雪劑組為例（其余組只有浸泡溶液的區(qū)別），對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行說明。將優(yōu)選出的3種融雪劑，配制成0.2 g/mL的融雪劑溶液對(duì)試件進(jìn)行真空飽水，在真空度為 97.3～98.7 kPa中保持15 min；然后打開閥門恢復(fù)常壓，試件在溶液中放置0.5 h。取出試件放入塑料袋中，加入約10 mL的溶液，密封放入恒溫冰箱。冷凍溫度為-18℃±2℃，保存時(shí)間為16 h±1 h；將試件取出后立即放入60℃±0.5℃的恒溫水槽中，去掉塑料袋，保溫24 h，至此，為一次凍融循環(huán)結(jié)束，為全面了解融雪劑對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，增加了5次、10次凍融循環(huán)[11-12]。試驗(yàn)開始時(shí)，將所有試件浸入25℃±0.5℃的恒溫水槽中不少于2 h，保溫時(shí)試件距離不少于10 mm，取出試件按照50 mm/min的加載速率進(jìn)行劈裂試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 融雪劑融冰能力試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)方案，使用250 mL容量瓶配置融雪劑溶液[13]，本文設(shè)計(jì)研究濃度為0.2 g/mL，則計(jì)算純凈溶質(zhì)質(zhì)量為50 g，因?yàn)?種融雪劑各自純度不同，所以應(yīng)根據(jù)融雪劑各自純度來推算配制溶液時(shí)各自添加的質(zhì)量，計(jì)算如式（1）所示。取3個(gè)50 mL燒杯加入15 mL蒸餾水（使水凍成冰），另取50 mL燒杯3個(gè)各加入融雪劑溶液25 mL（使融雪劑溶液溫度達(dá)到融冰試驗(yàn)所需溫度）。將盛有水和融雪劑溶液的燒杯一同放置于恒溫冰柜（溫度為-10℃±1℃）中3 h。將電子秤置于試驗(yàn)臺(tái)上，從恒溫冰柜中取出保溫3 h后的盛有冰塊的燒杯，將外壁的冰水拭干稱量，記錄質(zhì)量m0；取出已保溫3 h的盛有融雪劑溶液的燒杯，將其中溶液倒入盛冰塊的燒杯中后將盛有融雪劑溶液和冰塊的燒杯放回恒溫冰柜中，30 min后取出燒杯并傾倒杯中液體，稱量燒杯剩余質(zhì)量記為m1。以上步驟應(yīng)盡可能迅速，以減小試驗(yàn)誤差，進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，融雪劑的融冰化雪能力按式（2）計(jì)算。

式中：mp為配置融雪劑溶液時(shí)固體融雪劑稱取的質(zhì)量，g；d為固體融雪劑的純度，%；t為擬配置融雪劑中純物質(zhì)的含量，%.

式中：mr為融冰質(zhì)量，g；m0為燒杯中冰塊的質(zhì)量，g；m1為燒杯中融冰后剩余冰塊質(zhì)量，g。

經(jīng)式（2）整理分析得到12種融雪劑融冰結(jié)果如圖1所示。由融雪劑規(guī)范可知，3、4號(hào)不達(dá)標(biāo)。除3、4號(hào)融雪劑，其余10種融雪劑的融冰能力為12號(hào)＞5號(hào) ＞8號(hào) ＞2號(hào) ＞9號(hào) ＞6號(hào) ＞1號(hào) ＞7號(hào) ＞10號(hào) ＞11號(hào)。由 1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、11號(hào)融雪劑可知，氯化鎂所占比例相對(duì)較高，然而其融雪質(zhì)量相對(duì)較少，且氯化鎂融雪劑本身具有溶解度較低的特性，初步判斷最佳比例是氯化鎂占比較小，氯化鈣占比較大。

圖1 融冰質(zhì)量平均值

經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研，12種融雪劑造價(jià)見表5所示，其大小 為 11號(hào) ＞9號(hào) ＞3號(hào) ＞1號(hào) ＞12號(hào) ＞2號(hào) ＞6號(hào) ＞4號(hào)＞5號(hào) ＞7號(hào) ＞8號(hào) ＞10號(hào)，其中造價(jià)較低的是1號(hào)，2號(hào)，5號(hào)，8號(hào)。

綜上所述，3號(hào)、4號(hào)融雪劑達(dá)不到規(guī)范規(guī)定的融雪能力，1號(hào)、2號(hào)、5號(hào)、8號(hào)融雪劑造價(jià)最低。又因?yàn)?號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、7號(hào)融雪劑氯化鎂含量較高，且大于33%，對(duì)路面損壞較大，故綜合考慮選定最佳融雪劑為2號(hào)、5號(hào)、8號(hào)融雪劑。

3.2 凍融劈裂試驗(yàn)

為了更全面地研究融雪劑配比對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響，增加了5次、10次凍融循環(huán)下的試驗(yàn)，即模擬在瀝青混合料經(jīng)過5年、10年的融雪劑浸泡下的水穩(wěn)定性能變化，且凍融循環(huán)試驗(yàn)條件參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E20—2011設(shè)置。

按照試驗(yàn)方案，將試件按編組依次進(jìn)行試驗(yàn)。劈裂抗拉強(qiáng)度如式（3）、式（4）所示，凍融劈裂強(qiáng)度比如式（5）所示：

式中：RT1為未進(jìn)行凍融循環(huán)第1組單個(gè)試件的劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；RT2為進(jìn)行凍融循環(huán)第 2、3、4組單個(gè)試件的劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；PT1為第1組單個(gè)試件的試驗(yàn)荷載值，N；PT2為第2、3、4組單個(gè)試件的試驗(yàn)荷載值，N；h1為第 1組每個(gè)試件的高度，mm；h2為第 2、3、4組每個(gè)試件的高度，mm。

式中：TSR為凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比；為未進(jìn)行凍融循環(huán)第1組有效試件的劈裂抗拉強(qiáng)度平均值，MPa；RT2為進(jìn)行凍融循環(huán)第2、3、4組有效試件的劈裂抗拉強(qiáng)度平均值，MPa。

由圖2、圖3均得出：凍融一次條件下，在2號(hào)融雪劑的作用下劈裂抗拉強(qiáng)度平均值和凍融劈裂強(qiáng)度比都比5號(hào)融雪劑作用下數(shù)值大，并且在5號(hào)融雪劑的作用下劈裂抗拉強(qiáng)度平均值和凍融劈裂強(qiáng)度比都比8號(hào)融雪劑作用下數(shù)值大。同樣，在5次、10次凍融條件下都呈現(xiàn)相同規(guī)律。因此，凍融循環(huán)對(duì)試件的水穩(wěn)定性破壞的程度為：10次凍融循環(huán)＞5次凍融循環(huán)＞1次凍融循環(huán)，融雪劑對(duì)試件水穩(wěn)定性能影響按從大到小排序?yàn)椋?號(hào)融雪劑＞5號(hào)融雪劑＞2號(hào)融雪劑。

圖2 劈裂抗拉強(qiáng)度

圖3 凍融劈裂強(qiáng)度比

因此，為進(jìn)一步探究?jī)鋈诖螖?shù)與融雪劑配比的關(guān)系，以凍融次數(shù)A、融雪劑溶液B作為影響水穩(wěn)定性的因素，影響因素A的不同影響水平分別用A1（凍融一次），A2（凍融 5次），A3（凍融 10次）表示。影響因素B的不同影響水平分別用B1（2號(hào)融雪劑溶液），B2（5號(hào)融雪劑溶液），B3（8號(hào)融雪劑溶液）表示。通過兩因素進(jìn)行等重復(fù)試驗(yàn)的方差分析，確定兩因素各自對(duì)水穩(wěn)性的評(píng)價(jià)影響，也能分析凍融次數(shù)A、融雪劑溶液B兩因素是否存在交互作用的影響。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，以顯著性水平進(jìn)行方差分析，方差分析數(shù)據(jù)如表7所示。

表6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表7 方差分析數(shù)據(jù)

由表7可知，凍融次數(shù)對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)性評(píng)價(jià)水平有高度顯著影響，而融雪劑配比卻對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)性沒有顯著影響，但凍融次數(shù)和融雪劑配比的交互作用卻對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)性評(píng)價(jià)卻有顯著影響。這說明添加融雪劑后，降低雪水的冰點(diǎn)，使其不易結(jié)冰，在一定程度上能夠緩減凍融作用對(duì)水穩(wěn)定性的影響，使得二者的交互作用呈現(xiàn)顯著狀態(tài)。

4 結(jié)語

a）通過融雪劑融冰能力試驗(yàn)得到：綜合造價(jià)及融雪能力兩方面分析，確定出12種融雪劑配比中最佳的 2、5、8 號(hào)融雪劑。

b）通過凍融劈裂試驗(yàn)得到：（a）融雪劑對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性能影響排序?yàn)椋?號(hào)融雪劑＜5號(hào)融雪劑＜8號(hào)融雪劑，故建議融雪劑的NaCl含量為8%、15%、22%，推薦使用2號(hào)融雪劑。（b）經(jīng)過方差分析得到，凍融次數(shù)和融雪劑配比的交互作用對(duì)凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)水穩(wěn)性能有顯著影響，故在融雪劑配比對(duì)水穩(wěn)定性影響的評(píng)價(jià)中，推薦凍融劈裂試驗(yàn)為主要試驗(yàn)，并相應(yīng)增加5次、10次凍融劈裂試驗(yàn)，以便更全面評(píng)價(jià)水穩(wěn)定性能。