寧夏地區(qū)蓄鹽類集料抗凝冰瀝青路面設(shè)計(jì)方法研究

竇占雙，韓方元*，郭書林，孫躍軒，劉 寧

（1.寧夏交通建設(shè)股份有限公司，寧夏 銀川 750004；2.寧夏公路管理中心，寧夏 銀川 750000）

冬季道路冰雪災(zāi)害問題困擾著大部分北方地區(qū)，寧夏冬季寒冷而漫長(zhǎng)，雨雪天氣后交通事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響人民群眾生命安全及交通運(yùn)輸，僅依靠傳統(tǒng)的被動(dòng)融雪技術(shù)已經(jīng)不能滿足交通運(yùn)輸需求，有必要及時(shí)研究和發(fā)展主動(dòng)抗凝冰瀝青路面技術(shù)，保障冬季運(yùn)輸效率及通行安全。向路面中添加蓄鹽緩釋類材料是主動(dòng)抗凝冰技術(shù)的主要技術(shù)路徑之一，目前蓄鹽緩釋類材料主要有蓄鹽類集料、蓄鹽類填料兩種[1]。譚憶秋等[2]分析了主動(dòng)融冰雪路面的分類及路用性能，但是未對(duì)各主動(dòng)融冰雪瀝青路面的配合比設(shè)計(jì)方法進(jìn)行說明。白艷君[3]、崔龍錫[4]提出了蓄鹽類填料抗凝冰瀝青路面的配合比設(shè)計(jì)方法。馮超[5]分析了蓄鹽類填料對(duì)瀝青混合料設(shè)計(jì)以及路用性能的影響。通過分析研究現(xiàn)狀可知，目前研究人員對(duì)蓄鹽類填料的配合比設(shè)計(jì)方法及性能有較為詳致的研究，但是針對(duì)蓄鹽類集料的配合比設(shè)計(jì)方法鮮有提及?，F(xiàn)階段蓄鹽類集料均是以直接外摻的形式加入到瀝青混合料中，由于其粒徑較大，會(huì)對(duì)瀝青混合料的級(jí)配、空隙率及性能等造成影響。而寧夏地區(qū)的高等級(jí)公路路面常用的紅砂巖石料級(jí)配偏粗，受到的影響會(huì)更大。因此，本文針對(duì)寧夏地區(qū)蓄鹽類集料抗凝冰瀝青混合料級(jí)配以及性能進(jìn)行研究，旨在得出適用于該地區(qū)的蓄鹽類抗凝冰瀝青路面設(shè)計(jì)方法。

1 材料與方法

1.1 原材料

（1）蓄鹽類集料抗凝冰劑。蓄鹽類集料抗凝冰材料為顆粒狀鹽化物，粒徑與3～5 mm 集料相近，顆粒級(jí)配如表1 所示?，F(xiàn)階段蓄鹽類集料抗凝冰瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)主要有代替細(xì)集料和作為外摻劑使用這兩種方式。

表1 蓄鹽類集料抗凝冰劑顆粒級(jí)配

通過對(duì)蓄鹽類集料抗凝劑進(jìn)行試驗(yàn)可知，其壓碎值為20%，強(qiáng)度較高，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）[6]的要求，但其經(jīng)過泡水后，基本沒有強(qiáng)度?？鼓鶆┙?jīng)瀝青裹附后，強(qiáng)度衰減較慢，各種狀態(tài)如圖1 所示。

圖1 抗凝冰劑各種狀態(tài)

（2）紅砂巖。寧夏地區(qū)高等級(jí)公路瀝青面層使用的是該地區(qū)特有的紅砂巖，其規(guī)格較單一，合成級(jí)配波動(dòng)范圍較小。取5 個(gè)不同公路項(xiàng)目的集料進(jìn)行級(jí)配分析，各粒徑的顆粒級(jí)配平均值如表2 所示，各篩孔通過率標(biāo)準(zhǔn)差均在4.5%以內(nèi)。

表2 各檔原材料顆粒級(jí)配

（3）抗剝落劑。由于紅砂巖是酸性材料，與瀝青的黏附性較差，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，本文采用外摻0.4%的抗剝落劑以提高紅砂巖與瀝青的黏附性。

1.2 級(jí)配設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過多組級(jí)配的調(diào)試以及工程經(jīng)驗(yàn)，普通瀝青混合料的摻配比例為10～15 mm 碎石∶5～10 mm 碎石∶3～5 mm 碎石∶0～3 mm 機(jī)制砂∶礦粉的比例為27∶32∶6∶31∶4，級(jí)配曲線如圖2 所示。最佳油石比均為5.0%。由圖2 可知，合成級(jí)配的4.75 mm 篩孔通過率靠近下限，級(jí)配偏粗，這是寧夏地區(qū)紅砂巖AC-13 瀝青混凝土的特有現(xiàn)象。

圖2 普通混合料級(jí)配

采用第1 種添加方式，以蓄鹽類集料全部替代3～5 mm 碎石，即10～15 mm 碎石∶5～10 mm 碎石∶蓄鹽類集料抗凝冰劑∶0～3 mm 機(jī)制砂∶礦粉的比例為27∶32∶6∶31∶4，級(jí)配曲線如圖3 所示。由圖3 可知，4.75 mm的通過率超過下限明顯偏粗，超出了級(jí)配的下限要求，容易造成空隙率偏大，易造成瀝青路面水損害。采用第2 種添加方式，將抗凝冰劑作為外摻劑使用，外摻劑量同樣為6%，將其換算成內(nèi)摻后各檔料的比例，即10～15 mm 碎石∶5～10 mm 碎石∶蓄鹽類集料抗凝冰劑∶3～5 mm 碎石∶0～3 mm 機(jī)制砂∶礦粉的比例為25.47∶30.18∶5.67∶5.67∶29.24∶3.77，其級(jí)配曲線如圖4所示。假設(shè)抗凝冰集料強(qiáng)度隨著鹽分的釋放全部喪失，無骨料作用，其級(jí)配仍滿足原有的碎石級(jí)配。

圖3 替代集料混合料級(jí)配

圖4 直接外摻混合料級(jí)配

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽分析出對(duì)空隙率的影響

隨著鹽分的逐漸釋放，瀝青混合料內(nèi)部空隙率會(huì)不斷增加，水分更容易進(jìn)入瀝青混合料內(nèi)部，影響瀝青與集料的黏附性，從而對(duì)瀝青混合料的路用性能產(chǎn)生不利影響。因此對(duì)抗凝冰瀝青混合料的空隙率研究至關(guān)重要。普通瀝青混合料、抗凝冰劑替代集料瀝青混合料和抗凝冰劑直接外摻瀝青混合料的空隙率通過25 ℃泡水試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

由圖5 可知：普通瀝青混合料最為密實(shí)，空隙率最小，隨著浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)，空隙率增長(zhǎng)的速率也最低；替代集料方式的抗凝冰瀝青混合料的空隙率最大，隨著浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)，空隙率增長(zhǎng)的速率也最高；以外摻方式加入抗凝冰劑的瀝青混合料空隙率居中，增長(zhǎng)速率也較為緩慢?？障堵示?%左右，符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）[6]AC 類瀝青混合料3%～5%的中值要求。

圖5 空隙率變化

2.2 抗凝冰瀝青混合料對(duì)路面性能的影響

瀝青混合料的三大路用性能評(píng)價(jià)指標(biāo)有高溫抗車轍性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性。對(duì)于抗凝冰瀝青混合料應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其空隙率變化引起的水穩(wěn)定性變化以及高溫抗車轍性能[5]。

2.2.1 高溫穩(wěn)定性 高溫穩(wěn)定性通常采用車轍試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證?？鼓鶠r青混合料的空隙率會(huì)隨著鹽分的釋放而增大，尤其是抗凝冰劑以替代碎石方式的瀝青混合料，鹽分釋放后集料能否起到骨架支撐的作用，會(huì)直接在車轍試驗(yàn)上反映出來。不同類型的車轍試件在不同浸水時(shí)間狀況下的試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知：普通瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度最為平穩(wěn)；以抗凝冰劑直接替代碎石的瀝青混合料的初始動(dòng)穩(wěn)定度最高，但下降速率也最快；直接外摻方式的抗凝冰混合料的初始動(dòng)穩(wěn)定度較普通瀝青混合料略高，下降速率與普通混合料基本持平。分析原因如下：以抗凝冰劑替代碎石的瀝青混合料在鹽分釋放后，抗凝冰劑的骨料作用衰減嚴(yán)重，造成高溫抗車轍性能衰減嚴(yán)重；直接外摻方式的抗凝冰瀝青混合料在鹽分釋放后，造成空隙率增大，但是原有級(jí)配發(fā)揮著骨架作用，其高溫抗車轍性能衰減幅度較小。

圖6 瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度

2.2.2 水穩(wěn)定性 本文采用凍融劈裂強(qiáng)度比對(duì)3 種類型的瀝青混合料進(jìn)行水穩(wěn)定性分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可知，普通混合料與兩種添加方式的抗凝冰混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比處于同一水平。冬季的反復(fù)凍融作用更加考驗(yàn)抗凝冰混合料的水穩(wěn)定性，因此本文基于凍融劈裂試驗(yàn)進(jìn)行瀝青混合料的抗凍融循環(huán)研究。凍融試件首先在97.3～98.7 kPa 的真空度下飽水15min，接著在常壓下的水中放置30 min，然后在塑料袋中灑水10 mL 進(jìn)行密封，置于-18 ℃的溫控箱中冷凍16 h，最后立即放入60 ℃的恒溫水槽中浸泡24 h，此為1 個(gè)循環(huán)。將需要進(jìn)行凍融循環(huán)的試件接著放入冰箱中繼續(xù)冷凍，再進(jìn)行恒溫水浴，直至達(dá)到相應(yīng)次數(shù)的凍融循環(huán)。在達(dá)到凍融循環(huán)次數(shù)后，將凍融試件與未凍融的試件在25 ℃恒溫水槽中浸泡2 h，分別測(cè)試試件的劈裂抗拉強(qiáng)度[7]。不同循環(huán)次數(shù)試件的凍融劈裂強(qiáng)度比結(jié)果如圖8 所示。

圖7 凍融劈裂強(qiáng)度比

由圖8 可知：初始凍融循環(huán)中不同級(jí)配設(shè)計(jì)方法下試件的凍融劈裂強(qiáng)度比衰減迅速；普通瀝青混合料在10 次凍融循環(huán)后，凍融劈裂強(qiáng)度比逐漸趨于穩(wěn)定；直接外摻方式的抗凝冰瀝青混合料在經(jīng)過大約10 次凍融循環(huán)后，衰減速率明顯降低；替代集料方式的抗凝冰瀝青混合料初始凍融劈裂強(qiáng)度比最低，其衰減幅度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大。在真空飽水階段，瀝青混合料由于其多孔性，水分充滿了內(nèi)部孔隙。在冷凍階段，當(dāng)溫度降低到冰點(diǎn)以下，孔隙中的水開始凍結(jié)，并且在凍結(jié)過程中，自由水分向凍結(jié)鋒面不斷遷移，在瀝青混合料的孔隙通道內(nèi)產(chǎn)生滲透壓力，未凍水的遷移會(huì)使內(nèi)部已凍結(jié)的冰繼續(xù)膨脹，從而產(chǎn)生膨脹壓力，在滲透壓力和膨脹壓力的復(fù)合作用下，瀝青混合料凍結(jié)區(qū)域內(nèi)的孔隙繼續(xù)擴(kuò)大。由于抗凝冰材料鹽分的釋放，混合料的空隙率逐漸增大，水分更加容易進(jìn)入混合料內(nèi)部，在最初的凍融循環(huán)中，混合料的劈裂強(qiáng)度衰減較快。但是在試驗(yàn)條件中自由水分有限，在經(jīng)過足夠的凍融循環(huán)后，凍結(jié)過程中水分的遷移量也逐漸減小，凍結(jié)冰對(duì)孔隙壁造成的膨脹力逐漸趨于穩(wěn)定，瀝青混合料內(nèi)部的損傷也不再發(fā)展[8-9]。

圖8 試件的抗凍融循環(huán)能力

2.3 抗凝冰瀝青混合料融雪及路用性能分析

抗凝冰瀝青混合料的抗凝冰能力主要采用冰點(diǎn)試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，按照《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）[10]進(jìn)行評(píng)定。首先，將吸飽水的海綿放在不同類型混合料的馬歇爾試件上，一并放入低溫溫控箱中，在-5 ℃下恒溫4 h；然后，使用人力將海綿與試塊分離，記錄海綿從試塊表面分離的難易程度，每次降低2.5 ℃，重復(fù)上述過程直至達(dá)到海綿與試塊表面在用手拿起海綿輕微抖動(dòng)時(shí)海綿與試塊分離為準(zhǔn)的溫度，以此溫度作為冰點(diǎn)值，如圖9 所示。

圖9 冰點(diǎn)試驗(yàn)

經(jīng)過測(cè)試，普通瀝青混合料在-5 ℃時(shí)已經(jīng)難以剝離，替代集料和直接外摻方式的抗凝冰瀝青混合料冰點(diǎn)均達(dá)到了-17.5 ℃，因此兩種添加方式的抗凝冰瀝青混合料的抗凝冰效果基本處于同一水平。

3 結(jié)論

（1）通過試驗(yàn)可知，基于寧夏地區(qū)的原材料，蓄鹽類抗凝冰劑以直接外摻的方式加入到瀝青混合料中對(duì)級(jí)配的波動(dòng)范圍影響較??；抗凝冰瀝青混合料隨著鹽分的釋出，空隙率逐漸變大，直接外摻方式的抗凝冰瀝青混合料的空隙率波動(dòng)較小，符合規(guī)范的要求。

（2）直接外摻方式的抗凝冰瀝青混合料在鹽分釋放后，對(duì)骨架作用的影響較小，對(duì)高溫抗車轍能力無負(fù)面影響；不同級(jí)配設(shè)計(jì)方法的瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比處于同一水平，但經(jīng)過凍融循環(huán)后，替代集料方式的抗凝冰瀝青混合料水穩(wěn)定性衰減嚴(yán)重；替代集料與直接外摻方式的抗凝冰瀝青混合料冰點(diǎn)處于同一水平。

（3）綜合級(jí)配波動(dòng)、空隙率變化、路用性能以及抗凝冰效果可知，對(duì)于寧夏地區(qū)的瀝青路面，蓄鹽類集料抗凝冰劑以外摻的方式加入到瀝青混合料中更為合適。