低冰點(diǎn)瀝青混合料應(yīng)用試驗(yàn)

張朝旭

（石家莊市公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050090）

冬季公路易積雪結(jié)冰，抗滑能力下降，嚴(yán)重危害交通安全。針對(duì)路面積雪結(jié)冰問題，傳統(tǒng)方法采取的是機(jī)械清除和撒布融雪劑等被動(dòng)手段，效率低且污染環(huán)境。低冰點(diǎn)路面是一種新型路面，能夠抑制路面結(jié)冰。其原理是通過在瀝青混合料中添加低冰點(diǎn)填料，降低路面水的冰點(diǎn)。該填料在日常公路的使用過程中，會(huì)緩慢釋放到路面。

瀝青混合料路用性能的驗(yàn)證是目前低冰點(diǎn)路面的主要研究方向，但對(duì)低冰點(diǎn)材料的抗凝冰、抗冰黏、吸附、滲透和擴(kuò)散機(jī)理的研究尚不深入，對(duì)其使用壽命的評(píng)價(jià)和預(yù)估也并不統(tǒng)一。本文研究了低冰點(diǎn)材料在不同級(jí)配類型混合料中的釋放特性，討論了影響其釋放和擴(kuò)散的因素，同時(shí)基于冰-路黏結(jié)特性討論了低冰點(diǎn)瀝青路面的使用壽命。

一、材料特性和試驗(yàn)方法

此次試驗(yàn)采用工程中常用的3mm～5mm、5mm～10mm和10mm～20mm的安山巖，0mm～3mm機(jī)制砂、石灰?guī)r礦粉、70號(hào)基質(zhì)瀝青、市售低冰點(diǎn)填料作為原材料。其結(jié)果表明，試驗(yàn)所用的各項(xiàng)材料均符合有關(guān)規(guī)范要求。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)采用常用的AC-13、SMA-13和OGFC-13混合料，選擇規(guī)范推薦的級(jí)配中值，并確定最佳瀝青用量。成型馬歇爾試件后切割為厚度2cm的薄片，并測(cè)試低冰點(diǎn)材料的釋放特性及其與冰層的界面黏結(jié)力。

釋放特性試驗(yàn)是先把切割所得的薄片置于直徑14cm、深度8cm的容器中，并倒入150ml蒸餾水，以兩天為測(cè)試間隔，再測(cè)試各周期結(jié)束后溶液中有效成分的濃度。界面黏結(jié)力試驗(yàn)是先通過控制材料測(cè)試系統(tǒng)開展拉拔試驗(yàn)，再測(cè)試馬歇爾試件與表面冰面之間的冰-路界面黏結(jié)力。

二、有效成分釋放特性

本文在20℃、靜水壓力、低冰點(diǎn)填料摻量為3%的條件下，測(cè)試了各種類型低冰點(diǎn)混合料在各浸泡時(shí)長(zhǎng)下所釋放的低冰點(diǎn)有效成分的釋放濃度，測(cè)量溶液中低冰點(diǎn)材料的單次濃度并計(jì)算其累積濃度。單次濃度為一次泡水循環(huán)中混合料釋放的低冰點(diǎn)材料濃度，可表征其釋放速率，而累積濃度為從泡水起至某一時(shí)間點(diǎn)時(shí)所有單次濃度的累加，可代表其釋放總量。

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著時(shí)間增加，累計(jì)釋放濃度逐漸增加且增速隨著時(shí)間延長(zhǎng)而降低，單次濃度逐漸減小且降速隨著時(shí)間延長(zhǎng)而降低。隨著時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，累計(jì)釋放濃度和單次濃度最終進(jìn)入釋放平臺(tái)期，并保持穩(wěn)定。

三、有效成分釋放影響因素

由文獻(xiàn)調(diào)研和前期試驗(yàn)觀察可知，低冰點(diǎn)填料中有效成分的釋放規(guī)律復(fù)雜，可能受多方面因素共同影響?？紤]到混合料的成型過程和級(jí)配特性，本文主要把混合料的級(jí)配類型、低冰點(diǎn)填料摻量和浸泡時(shí)的環(huán)境溫度作為主要影響因素，討論各因素單獨(dú)作用下低冰點(diǎn)材料的釋放特點(diǎn)。

各類型混合料中，AC-13與SMA-13有效成分的釋放速度十分接近。而OGFC-13前期有效成分的釋放速度明顯快于AC-13和SMA-13，后期釋放速度則與前述二者接近。通過對(duì)比不同溫度下AC-13中低冰點(diǎn)填料的釋放過程發(fā)現(xiàn)，溫度會(huì)影響多孔介質(zhì)中分子擴(kuò)散和對(duì)流傳質(zhì)運(yùn)動(dòng)從而影響釋放速度。溫度越低，低冰點(diǎn)材料的釋放速度越慢，越高則越快。通過對(duì)比3%和6%兩種低冰點(diǎn)填料摻量下AC-13中低冰點(diǎn)填料的釋放過程發(fā)現(xiàn)，填料的摻量越大，浸泡溶液中的累積濃度越大。對(duì)于摻量為6%的實(shí)驗(yàn)組，累積濃度約為0.50mol/L，相反參量為3%的實(shí)驗(yàn)組累積濃度約為0.25mol/L，前者與后者的累計(jì)釋放濃度比值約為2。

四、融雪抑冰功能的壽命評(píng)估

壽命評(píng)價(jià)方法包括兩方面，一是確定壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)，二是根據(jù)確定的指標(biāo)指定合理的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。本文以冰-路界面黏結(jié)力恢復(fù)常規(guī)值時(shí)的單次濃度作為臨界有效成分濃度，并以其作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)不同類型低冰點(diǎn)瀝青混合料的使用壽命。

路面的冰分為降雪結(jié)冰和凍雨凝冰，前者是指車輛在行駛過程中碾軋積雪，導(dǎo)致其結(jié)冰并黏附在路面；后者是指降雨過程中自然下落的雨水入滲道路表面的紋理中，在低溫環(huán)境下結(jié)成冰層并黏附在路面。盡管二者的成因有所差異，但最后形成的冰-路界面狀態(tài)是近似的，因此選擇冰-路界面黏結(jié)力作為低冰點(diǎn)瀝青路面的壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)，可準(zhǔn)確評(píng)估低冰點(diǎn)有效成分是否仍然能夠起到抑制路面結(jié)冰的作用。控制填料摻量按一定間隔變化，選用兩種不同濃度的低冰點(diǎn)填料，按照規(guī)范要求制備30cm×30cm×5cm的車轍板試件，對(duì)比融雪效果可以發(fā)現(xiàn)，其他條件一定時(shí)，低濃度填料所成型的車轍板的融雪能力弱于高濃度填料；對(duì)于同種填料而言，融雪能力隨著有效成分的釋放總量增加而增加，可見融雪抑冰能力取決于有效成分濃度，說明臨界有效成分濃度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是合理有效的。

首先，測(cè)試普通瀝青混合料的黏結(jié)力，以各級(jí)配類型混合料的平均值作為其對(duì)應(yīng)的參考值。隨后，對(duì)不同類型的低冰點(diǎn)瀝青混合料開展重復(fù)結(jié)冰和融化試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)冰狀態(tài)下的冰-路界面黏結(jié)力，并測(cè)試冰面融化中所含的低冰點(diǎn)有效物質(zhì)濃度。隨著重復(fù)次數(shù)增加，低冰點(diǎn)有效成分逐漸流失，低冰點(diǎn)混合料的冰-路界面黏結(jié)力逐漸增加，最后趨于與普通瀝青混合料一致。該重合點(diǎn)即為低冰點(diǎn)混合料的壽命失效點(diǎn)。根據(jù)該點(diǎn)的有效成分濃度值，結(jié)合前文所述的有效成分釋放特性，可計(jì)算出低冰點(diǎn)路面在經(jīng)歷多少次降雨后會(huì)失效，同時(shí)考慮降雨頻率雨量大小統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，即可將低冰點(diǎn)路面壽命的單位轉(zhuǎn)化為年，便于直觀比較。由于黑龍江省哈爾濱市屬于典型的北方冰雪地區(qū)，后續(xù)換算均按照該地區(qū)的氣候條件。

不同級(jí)配類型低冰點(diǎn)混合料的界面黏附力均隨著循環(huán)穩(wěn)步上升，最后達(dá)到普通混合料所處的水平并保持穩(wěn)定。低冰點(diǎn)AC-13試件的冰-路界面黏結(jié)力從最低值到與普通AC-13持平維持了9個(gè)凍融周期，根據(jù)有效成分釋放特性估算需要浸泡試件為39天，統(tǒng)計(jì)降雨量和降雨頻次可得低冰點(diǎn)AC-13的使用壽命為2.5年。同理，換算得到低冰點(diǎn)SMA-13的使用壽命為2.2年，低冰點(diǎn)OGFC-13的使用壽命為1.7年?？梢?，OGFC-13由于具備較大的孔隙率和豐富的連通孔隙，受水侵蝕顯著，其融雪抑冰的使用壽命顯著低于AC-13和SMA-13。而SMA-13盡管具有和AC-13近似的孔隙率與密實(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但其表面構(gòu)造深度較大，與水的接觸面積更大，因此其受水的侵蝕較AC-13更嚴(yán)重，融雪抑冰的使用壽命較AC-13要短。

五、結(jié)語(yǔ)

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究了低冰點(diǎn)瀝青混合料中低冰點(diǎn)材料的有效成分釋放特性，得出釋放速度先快后慢的特點(diǎn)；分析了有效成分的釋放影響因素，發(fā)現(xiàn)孔隙率增加和溫度升高會(huì)提高釋放速度，填料摻量增加會(huì)提高累積濃度；評(píng)價(jià)了低冰點(diǎn)瀝青混合料的使用壽命，得出低冰點(diǎn)AC13、SMA-13和OGFC-13的使用壽命分別約為2.5年、2.2年和1.7年。