醋酸鈉融雪劑對(duì)納米ZnO改性瀝青混合料性能評(píng)價(jià)分析

劉 濤

(河南城建市政工程開(kāi)發(fā)有限公司，河南 鄭州 450000)

在我國(guó)北方冬季天氣較為寒冷，且以雨雪天氣為主，當(dāng)路面積雪量較大時(shí)會(huì)在行車(chē)荷載的反復(fù)碾壓下結(jié)成薄冰，降低了路面的抗滑性能。有研究表明，積雪路面的附著系數(shù)會(huì)比干燥路面降低65%，而結(jié)冰路面附著系數(shù)會(huì)更低，嚴(yán)重影響了車(chē)輛正常行駛，甚至引發(fā)交通事故[1]。此外，積雪長(zhǎng)時(shí)間滯留在路面，緩慢融化的雪水逐漸滲入路面結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生凍脹，嚴(yán)重影響了路面的正常使用壽命。因此，采取一定措施或手段快速地消除路面積雪，保障道路正常通行，降低交通事故發(fā)生率是非常必要的。

目前在除雪技術(shù)方面主要分為主動(dòng)式和被動(dòng)式除雪2種：主動(dòng)除雪技術(shù)主要是在路面鋪裝材料中摻入一定比例的彈性粒料，比如橡膠顆?；蛘呔忈屝铥}材料等達(dá)到自融雪的目的。而被動(dòng)除雪技術(shù)主要是通過(guò)人工、機(jī)械或撒布融雪劑的方式達(dá)到除雪的目的。常用的融雪劑主要有氯化鈉、氯化鈣和醋酸鈉等，而研究表明，醋酸鈉融雪劑的除冰效果更顯著，且其具有較低的冰點(diǎn)[2]。

近年來(lái)，隨著對(duì)改性瀝青路面的大量研究發(fā)現(xiàn)，納米材料對(duì)于瀝青及其混合料性能具有明顯的改善作用，國(guó)內(nèi)主要采用的納米材料是納米SiO2、納米蒙脫土、納米ZnO和納米CaCO3等[3]。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于融雪劑對(duì)基質(zhì)瀝青或SBS改性瀝青混合料的性能影響研究頗多，但關(guān)于融雪劑對(duì)納米改性瀝青性能影響方面研究較少，在已有大量研究成果的基礎(chǔ)上，通過(guò)醋酸鈉融雪劑對(duì)納米ZnO改性瀝青及其混合料性能的影響方面進(jìn)行研究，希望能夠?yàn)楣こ虘?yīng)用提供一定的參考。

1 原材料性能及融雪劑融冰性能評(píng)價(jià)

1.1 原材料性能

試驗(yàn)用納米ZnO改性瀝青作為研究對(duì)象，其由70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青和質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%納米ZnO材料在實(shí)驗(yàn)室自制而成，主要技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 ZnO改性瀝青技術(shù)性能指標(biāo)Tab.1 Technical performance indexes of ZnO modified asphalt

融雪劑選用天津某化學(xué)劑有限公司生產(chǎn)的三水醋酸鈉，外觀呈白色粉末晶體狀，pH值在8.5左右。

瀝青混合料用粗集料采用玄武巖碎石，細(xì)集料采用石灰?guī)r軋制而成，填料經(jīng)石灰?guī)r磨細(xì)而成，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)性能均滿足JTG F40—2004規(guī)范要求；礦料的技術(shù)性能及級(jí)配如表2、表3所示。

表2 礦料技術(shù)性質(zhì)Tab.2 Technical properties of mineral materials

表3 AC-13C礦料級(jí)配表Tab.3 AC-13C ore material grading table

1.2 融雪劑融冰能力

為了測(cè)試醋酸鈉融雪劑的融冰能力，將三水醋酸鈉制備成6種不同質(zhì)量濃度的醋酸鈉溶液，分別將溶液倒入提前準(zhǔn)備好的冰塊上，采用同樣溫度和時(shí)間下融化冰塊的體積作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，為降低試驗(yàn)誤差，每一種質(zhì)量濃度測(cè)試3次，取平均值作為測(cè)試結(jié)果；具體結(jié)果如表4所示。

表4 不同質(zhì)量濃度醋酸鈉的融冰體積Tab.4 Melting ice volumes of sodium acetate at different mass concentrations

由表4可知，前期隨著質(zhì)量濃度的增加，融冰體積有了明顯的增大，在質(zhì)量濃度達(dá)到0.20 g/mL時(shí)融冰體積最大；但質(zhì)量濃度大于0.20 g/mL后融冰體積反而開(kāi)始減小，說(shuō)明醋酸鈉質(zhì)量濃度存在一個(gè)合理范圍值，并非越大越好。結(jié)合已有研究，醋酸鈉會(huì)在某一質(zhì)量濃度范圍到達(dá)飽和狀態(tài)，質(zhì)量濃度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致部分醋酸鈉未能溶解，反而降低了融冰化雪的速率[4]。

2 融雪劑對(duì)改性瀝青基本性能的影響

為了探究融雪劑對(duì)于ZnO改性瀝青基本性能的影響，本文參考文獻(xiàn)[5]采用“高溫浸泡法”將熱熔瀝青分別倒入裝有0 g/mL(清水)和0.1、0.2、0.3 g/mL質(zhì)量濃度融雪劑的燒杯中，且在60 ℃恒溫條件下浸泡48 h；然后冷卻后將融雪劑溶液倒出并用清水將瀝青沖洗干凈，最后制備試樣進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)和延度試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 瀝青基本性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Basic performance test results of asphalt

從圖1可以看出，隨著融雪劑質(zhì)量濃度的增大，針入度逐漸減小，相對(duì)于清水組而言，融雪劑質(zhì)量濃度為0.1、0.2和0.3 g/mL對(duì)應(yīng)的針入度分別減小了4.5%、8.1%、10.1%，降低的原因可能是由于高溫條件下經(jīng)醋酸鈉溶液浸泡后，瀝青組分中的油分減少；而瀝青質(zhì)和膠質(zhì)組分占比相對(duì)提高，導(dǎo)致瀝青稠度增加[6]。軟化點(diǎn)隨融雪劑質(zhì)量濃度的增加呈降低趨勢(shì)，其大小相對(duì)于清水組分別降低了2.2%、4.8%、9.7%，瀝青高溫性能明顯降低，可能是由于溶液中的醋酸根離子在高溫環(huán)境中對(duì)瀝青產(chǎn)生了乳化作用。從5 ℃延度結(jié)果來(lái)看，延度隨溶液質(zhì)量濃度增大持續(xù)降低，說(shuō)明醋酸鈉融雪劑會(huì)嚴(yán)重降低瀝青的低溫性能，這可能與瀝青油分的減少及乳化有關(guān)。

3 融雪劑對(duì)改性瀝青混合料性能的影響

為研究融雪劑質(zhì)量濃度對(duì)于ZnO改性瀝青混合料的路用性能影響，采用不同質(zhì)量濃度醋酸鈉融雪劑對(duì)制備的試件進(jìn)行處理，融雪劑質(zhì)量濃度選擇0.1、0.2和0.3 g/mL，并以清水作為對(duì)照組，同時(shí)為了更好的體現(xiàn)醋酸鈉融雪劑對(duì)于納米ZnO改性瀝青混合料性能的相對(duì)影響程度，本次采用經(jīng)過(guò)同樣處理的普通瀝青混合料作為對(duì)比。

3.1 高溫穩(wěn)定性

瀝青混合料作為1種粘彈性材料，在高溫及重載的反復(fù)作用下極易產(chǎn)生車(chē)轍，嚴(yán)重影響了行車(chē)舒適性。為了探究醋酸鈉融雪劑溶液浸泡后的瀝青路面高溫性能變化規(guī)律，采用高溫車(chē)轍試驗(yàn)對(duì)不同融雪劑溶液浸泡后的車(chē)轍板試件進(jìn)行試驗(yàn)，室內(nèi)成型尺寸為300 mm×300 mm×50 mm車(chē)轍板試件，在60 ℃清水或不同質(zhì)量濃度融雪劑溶液中浸泡48 h，取出并置于60 ℃烘箱中保存4 h后進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為60 ℃，加載速率為42次/min，以動(dòng)穩(wěn)定度為評(píng)價(jià)依據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 高溫車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 High temperature rutting test results

從圖2可以看出，無(wú)論是基質(zhì)瀝青還是ZnO改性瀝青，其動(dòng)穩(wěn)定度都隨融雪劑濃度增大逐漸減小。對(duì)于基質(zhì)瀝青而言，3種質(zhì)量濃度0.1、0.2和0.3 g/mL對(duì)應(yīng)的動(dòng)穩(wěn)定度相較于清水組分別降低了8.9%、15.8%、24.6%；而ZnO改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度相較于清水組分別降低了6.1%、9.7%、17.1%。對(duì)比基質(zhì)瀝青和ZnO改性瀝青數(shù)據(jù)可以看出，ZnO改性劑可以明顯改善瀝青混合料高溫抗車(chē)轍能力，在同樣醋酸鈉溶液濃度時(shí)ZnO改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的降低比例要明顯低于基質(zhì)瀝青，說(shuō)明加入納米ZnO后對(duì)于抵抗醋酸鈉融雪劑的侵蝕作用具有積極效果。

3.2 低溫抗裂性

本文采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)用于評(píng)價(jià)融雪劑濃度對(duì)于ZnO改性瀝青混合料的低溫性能，將室內(nèi)成型的車(chē)轍板試件經(jīng)切割制成250 mm×25 mm×30 mm的小梁試件，由于試驗(yàn)溫度為-10 ℃，在為防止水或醋酸鈉溶液處理試件時(shí)產(chǎn)生凍結(jié)，在水或溶液中加入了等體積的甲醇[7]，在恒溫空氣箱內(nèi)放置5 h后取出，以試件破壞時(shí)的最大彎拉應(yīng)變?yōu)樵u(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Low temperature beam bending test results

從圖3可以看出，2種瀝青混合料的彎拉應(yīng)變隨著醋酸鈉濃度增大呈明顯降低趨勢(shì)，ZnO改性瀝青的彎拉應(yīng)變整體上明顯高于基質(zhì)瀝青，說(shuō)明ZnO可以提高瀝青混合料在低溫時(shí)的應(yīng)力松弛能力，改善混合料的低溫抗裂性能。針對(duì)基質(zhì)瀝青在質(zhì)量濃度分別為0.1、0.2和0.3 g/mL條件下的彎拉應(yīng)變相對(duì)清水組分別降低了5.9%、13.5%、19.4%；而ZnO改性瀝青相對(duì)應(yīng)的彎拉應(yīng)變分別降低了4.2%、9.4%和12.8%，從變化率幅值看，納米ZnO能夠在一定程度上降低醋酸鈉融雪劑對(duì)于瀝青混合料低溫性能的傷害程度。

3.3 水穩(wěn)定粘附性

由于集料是親水性物質(zhì)，極易與水結(jié)合，而瀝青的親水性很低，當(dāng)水分浸入瀝青混合料中，水分會(huì)降低集料與瀝青的粘附性，加之行車(chē)荷載的不斷作用下，瀝青逐漸從集料表面脫落，造成水損害，嚴(yán)重影響了瀝青路面的使用耐久性。國(guó)內(nèi)主要是采用浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)瀝青混合料的抗水損害性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，為了進(jìn)一步探討經(jīng)過(guò)醋酸鈉融雪劑處理后的納米ZnO改性瀝青混合料的抗水損害性能變化規(guī)律，采用浸水馬歇爾對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)價(jià)，室內(nèi)成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件φ101.6×63.5，并經(jīng)60 ℃水或醋酸鈉溶液浸泡48 h后進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Immersion marshall test results

從圖4可以看出，醋酸鈉融雪劑對(duì)于兩種瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度均有不同程度的減小，但在數(shù)值上看，納米ZnO改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度相對(duì)較高，說(shuō)明加入納米ZnO可以改善瀝青混合料的抗水損害性能。對(duì)于基質(zhì)瀝青而言，在醋酸鈉質(zhì)量濃度為0.1、0.2和0.3 g/mL時(shí)殘留穩(wěn)定度相對(duì)清水組分別降低了3.9%、6.5%、9.7%，ZnO改性瀝青相應(yīng)的分別降低了2.2%、4.7%、7.2%，顯然加入ZnO的改性瀝青混合料更能夠抵抗醋酸鈉融雪劑產(chǎn)生的不利影響。一方面，水會(huì)對(duì)瀝青與集料的界面粘接性造成一定的沖擊，加之醋酸根的親水性相對(duì)親油性較強(qiáng)，使得部分瀝青被乳化，降低了集料與瀝青的粘附性[20]。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究醋酸鈉融雪劑對(duì)于納米ZnO改性瀝青及其混合料路用性能的影響，主要得出以下結(jié)論。

(1)醋酸鈉融雪劑融化冰雪的體積并非隨著濃度的增大而增加，在質(zhì)量濃度為0.2 g/mL時(shí)的融冰體積最大，當(dāng)質(zhì)量濃度大于0.2 g/mL后融冰體積減小，效果不佳；

(2)隨著醋酸鈉融雪劑質(zhì)量濃度的增大，納米ZnO改性瀝青的25 ℃針入度、軟化點(diǎn)和5 ℃延度都逐漸減小，醋酸鈉降低了改性瀝青的高低溫性能；

(3)從路用性能試驗(yàn)結(jié)果看，納米ZnO不但可以提高瀝青混合料的高溫抗車(chē)轍變形能力、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性，而且在抵抗醋酸鈉融雪劑對(duì)于瀝青混合料路用性能的不利侵蝕影響方面具有顯著改善效果。