緩釋型抗冰凍混合料鋪裝路面抗凝冰效果及長效保持機(jī)制研究

摘 要：【目的】針對冬季冰雪天氣橋面結(jié)冰導(dǎo)致的交通安全問題，開展緩釋型抗冰凍瀝青混合料研究?！痉椒ā客ㄟ^融化試驗(yàn)、撕裂試驗(yàn)和電導(dǎo)率試驗(yàn)，對比評價(jià)SMA-13-國產(chǎn)和SMA-13-MFL的短期融冰和長期防冰效果?！窘Y(jié)果】融化試驗(yàn)表明，進(jìn)口MFL抗冰凍劑的融冰能力優(yōu)于國產(chǎn)抗冰凍劑。撕裂試驗(yàn)表明，國產(chǎn)抗冰凍劑的融冰性能優(yōu)于進(jìn)口MFL抗冰凍劑。鹽分融析電導(dǎo)率試驗(yàn)表明，進(jìn)口MFL抗冰凍劑的析出速率大于國產(chǎn)抗冰凍劑；進(jìn)口MFL抗冰凍的融雪除冰效果可持續(xù)2～3年，國產(chǎn)抗冰凍劑的融雪除冰效果可持續(xù)3～4年?！窘Y(jié)論】緩釋型抗冰凍混合料在橋面鋪裝中具有較好的推廣應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：MFL；國產(chǎn)抗冰凍劑；融化；撕裂；電導(dǎo)率

中圖分類號：U414???? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A????? 文章編號：1003-5168（2024）08-0071-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.08.014

Study on Anti-Icing Effect and Long-Term Maintenance Mechanism of Slow-Release Anti-Freezing Mixture Pavement

ZHAO Luxia

（Jiangsu Provincial Transportation Engineering Group Co.， Ltd.， Zhenjiang 212143，China）

Abstract： [Purposes] This paper aims address the traffic safety issues caused by bridge decks being prone to freezing during winter ice and snow weather， it is necessary to conduct research on slow-release anti freezing asphalt mixtures. [Methods] This article compares and evaluates the short-term ice melting and long-term anti icing effects of SMA-13 domestic and SMA-13-MFL through melting tests， tear tests， and conductivity tests. [Findings] The research results show that the melting test shows that the melting ability of imported MFL anti freezing agent is better than that of domestic anti freezing agent. The tear test shows that the melting performance of domestic anti freezing agents is better than that of imported MFL anti freezing agents. The salt thawing conductivity test shows that the precipitation rate of imported MFL antifreeze is higher than that of domestic antifreeze; the imported MFL anti freezing snow melting and deicing effect can last for 2～3 years， while the domestic anti freezing agent's snow melting and deicing effect can last for 3～4 years. [Conclusions] The slow-release anti freezing mixture has good prospects for promotion and application in bridge deck pavement.

Keywords： MFL; domestic anti-freezing agent; melting; tear; conductivity

0 引言

冬季橋面通常先于路面產(chǎn)生薄冰層，導(dǎo)致其抗滑性能急劇下降，嚴(yán)重危害車輛的行車安全。常見的融雪技術(shù)主要為被動融雪和主動融雪。被動融雪包括機(jī)械、人工和融雪劑除雪；主動除雪主要包括緩釋型融冰雪技術(shù)、橡膠顆粒除冰雪技術(shù)、熱力融冰雪技術(shù)等［1-3］。近些年來，緩釋型抗冰凍混合料的研究較多。彭智宇等［4］研究了不同融雪劑對瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響，研究表明，NaCl的含量對混合料影響較大。于國功等［5］開發(fā)了一種環(huán)保緩釋微膠囊自融冰劑，并在京雄高速公路施工中進(jìn)行應(yīng)用，取得了不錯(cuò)的融雪效果。葛浩［6］提出將防凍劑加入瀝青路面進(jìn)行主動抑冰除雪，并在橋面鋪裝工程中進(jìn)行應(yīng)用。目前，國內(nèi)學(xué)者的研究主要聚焦于緩釋型抗凍劑和瀝青混合料的配伍性，而針對抗凍混合料的融雪除冰效果方面的研究還較少，尚沒有標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)評估方法。本研究對進(jìn)口MFL和國產(chǎn)抗冰凍劑，通過撕裂和融化試驗(yàn)，從融化能力以及冰層與混合料的黏結(jié)情況等方面，評估不同抗冰凍劑的短期融冰雪效果。同時(shí)，采用鹽分溶析電導(dǎo)率試驗(yàn)方法，評估抗冰凍劑融雪除冰效果的長效性。

1 融化試驗(yàn)

采用馬歇爾擊實(shí)的方法，成型3組標(biāo)準(zhǔn)的馬歇爾試件，分別為普通SMA-13、SMA-13-MFL、SMA-13-國產(chǎn)。抗冰凍劑的融冰效果試驗(yàn)步驟如下：①準(zhǔn)備3個(gè)容積、大小、刻度等參數(shù)相同的塑料量筒，并稱量各自的重量；②將3個(gè)量筒內(nèi)分別加入800 mL蒸餾水，將制作好的馬歇爾試件放入量筒中，稱取三者的重量；③將三者同時(shí)放入環(huán)境溫度為-5 ℃的恒溫箱中冰凍24 h；④24 h后取出量筒，觀察試件與冰層的黏結(jié)情況，將3組試件置于23 ℃的恒溫環(huán)境中，自然融化；⑤每隔1 h倒去融化的水，并稱重剩余重量，利用重量差得出各組試件的融冰能力大小。觀察試驗(yàn)結(jié)果可見：SMA-13-國產(chǎn)試件的黏結(jié)層有較密的白色小氣泡；SMA-13-MFL試件的黏結(jié)層有部分白色小氣泡；普通SMA-13試件的表面幾乎無氣泡。

為對比3組試件的融冰效果，項(xiàng)目組每隔1 h測量冰融化的質(zhì)量損失，根據(jù)冰的融化情況，得到最終3組試件的融化時(shí)間，具體試驗(yàn)記錄見表1。比較3組試件的融冰效果可知，普通SMA-13試件融化時(shí)間共計(jì)595 min，SMA-13-國產(chǎn)試件融化時(shí)間共計(jì)580 min，SMA-13-MFL試件融化時(shí)間共計(jì)571 min。由融冰時(shí)間可知，SMA-13-MFL試件總?cè)诨瘯r(shí)間最短，SMA-13-國產(chǎn)試件次之，普通SMA-13試件最長。

由表1可知，普通SMA瀝青混合料試件起初融冰能力高于摻國產(chǎn)抗凝冰劑的瀝青混合料試件，但后期能力急速降低，表面未摻加緩釋型抗冰凍劑的融冰能力較低，靠自然融化為主。摻加MFL的瀝青混合料試件的融冰能力初期較高，后期一直處于較平穩(wěn)狀態(tài)，而摻國產(chǎn)抗凝冰劑的瀝青混合料試件初期融冰能力較差，后期逐漸恢復(fù)至平穩(wěn)狀態(tài)。結(jié)合總?cè)诒鶗r(shí)間，可得出結(jié)論：MFL抗冰凍劑的融冰能力優(yōu)于國產(chǎn)抗冰凍劑，同時(shí)，黏結(jié)層表面的白色小氣泡說明摻國產(chǎn)抗凝冰劑的瀝青混合料與冰層的黏結(jié)力低于摻MFL的瀝青混合料試件，當(dāng)車輛行駛在上面時(shí)，冰層更易于破碎。

2 撕裂試驗(yàn)

為了定量分析摻加抗冰凍劑與不摻加抗冰凍劑的瀝青混合料試件的除冰效果，本研究開展了撕裂試驗(yàn)，利用測力裝置，針對-5 ℃和-10 ℃環(huán)境下瀝青混合料試件與冰在低溫下凍結(jié)形成的黏結(jié)力進(jìn)行測量。撕裂試驗(yàn)的步驟如下：①采用馬歇爾擊實(shí)的方法，成型標(biāo)準(zhǔn)的馬歇爾試件；②選取試件表面粗糙度相近的試件進(jìn)行試驗(yàn)，以控制變量，保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性；③將布條鋪在試件表面，用水淋濕布條和試件，然后將試件置于高低溫環(huán)境箱中（勿移動布），等待環(huán)境箱的溫度穩(wěn)定后，用水壺將試件淋濕；④冷凍24 h后，將試件從高低溫箱中取出，迅速安裝在試驗(yàn)機(jī)上；⑤開動撕裂試驗(yàn)機(jī)以40 mm/min的速率向上拉動，當(dāng)布條完全從試件表面剝落時(shí)，記錄撕拉試件表面數(shù)據(jù)的最大值作為試件與冰的結(jié)合力。在撕拉試驗(yàn)進(jìn)行中，注意布條與馬歇爾試件的接觸情況，當(dāng)布條與馬歇爾試件表面分離時(shí)，停止試驗(yàn)。3組瀝青混合料試件的撕裂試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2可知，隨著溫度的降低，布條與瀝青混合料試件表面的黏結(jié)力均有所上升，其中普通瀝青混合料的增加尤為明顯；SMA-13-國產(chǎn)試件的黏結(jié)力低于SMA-13-MFL試件，說明SMA-13-國產(chǎn)的路面與冰層黏結(jié)力更低，在外加荷載的作用下，冰層更易于破碎。

在-5 ℃的試驗(yàn)條件下，普通SMA-13試件的黏結(jié)力為52.80 N。SMA-13-國產(chǎn)試件布條與冰層的黏結(jié)力為7.90 N，遠(yuǎn)小于普通SMA-13試件，SMA-13-MFL試件黏結(jié)力為27.92 N。

在-10 ℃的試驗(yàn)條件下，普通SMA-13試件開始用設(shè)備撕拉時(shí)，利用人工力量并不能壓住，經(jīng)過1 min的自然融化，測出的黏結(jié)力為188.34 N，而SMA-13-國產(chǎn)試件與冰層的黏結(jié)力僅為普通SMA-13試件與冰層黏結(jié)力的15.2%，SMA-13-MFL試件與冰層的黏結(jié)力為普通SMA-13試件與冰層黏結(jié)力的20.5%。分析原因可知，緩釋型抗冰凍劑析出至試件表面，降低了試件的冰點(diǎn)，減小了冰層與試件的黏結(jié)力，使得冰層與試件的黏結(jié)力降低。

因此，在-5℃和-10℃低溫環(huán)境下，國產(chǎn)抗冰凍劑材料與進(jìn)口MFL均有較好的融冰雪效果，且國產(chǎn)抗凍劑優(yōu)于進(jìn)口MFL。由-5℃和-10℃下的撕裂試驗(yàn)可知，布條與試件的黏結(jié)力大小為：普通SMA-13>SMA-13-MFL>SMA-13-國產(chǎn)，即融冰效果大小為：國產(chǎn)抗冰凍劑>MFL抗冰凍劑。

3 長期融冰效果評價(jià)

采用全溶法測試SMA-13-MFL瀝青混合料和SMA-13-國產(chǎn)瀝青混合料的鹽分溶析情況，具體試驗(yàn)步驟如下：①制作SMA-13-MFL和SMA-13-國產(chǎn)的瀝青混合料馬歇爾試件，冷卻至室溫后脫模；②將SMA-13-MFL和SMA-13-國產(chǎn)瀝青混合料的馬歇爾試件分別放入2 000 mL的大燒杯中，加入600 mL蒸餾水，在電導(dǎo)率儀底部放墊塊；③開啟電導(dǎo)率儀，測定燒杯中抗冰凍瀝青混合料的電導(dǎo)率記為K0；④每隔8 h測定溶液的電導(dǎo)率，連續(xù)測量一段時(shí)間，并繪制電導(dǎo)率K與浸水時(shí)間T的關(guān)系曲線。

3.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述試驗(yàn)方法，對SMA-13-MFL和SMA-13-國產(chǎn)瀝青混合料溶液的電導(dǎo)率進(jìn)行測定，試驗(yàn)環(huán)境溫度為23 ℃。SMA-13-MFL和SMA-13-國產(chǎn)瀝青混合料的電導(dǎo)率隨時(shí)間T的變化結(jié)果，如圖1所示。

由圖1可知，SMA-13-國產(chǎn)和SMA-13-MFL瀝青混合料的溶液電導(dǎo)率由0增加到0.94 ms/cm和1.026 ms/cm，再到后來的8.95 ms/cm和3.96 ms/cm，電導(dǎo)率變化較大，這是由于緩釋型抗冰凍瀝青混合料試件成型過程中，部分抗冰凍劑通過裸露在試件表面，初期迅速溶解在溶液中，而不是通過空隙擴(kuò)散到溶液中導(dǎo)致的。隨著浸泡時(shí)間的延長，當(dāng)試件表面的抗冰凍材料完全溶解后，電導(dǎo)率的增長逐漸放緩，且增長速率穩(wěn)定。

隨著緩釋型抗冰凍瀝青混合料中抗冰凍劑的有效析出，溶液的電導(dǎo)率隨著時(shí)間的延長逐漸增大，采用線性回歸分析對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得到SMA-13-MFL和SMA-13-國產(chǎn)瀝青混合料電導(dǎo)率K與時(shí)間T的線性方程分別見式（1）、式（2），相關(guān)系數(shù)近似于98%。

K進(jìn)口=0.797T+1.47（R2=0.980） （1）

K國產(chǎn)=0.617T+7.80（R2=0.984） （2）

根據(jù)鹽分融析電導(dǎo)率試驗(yàn)，SMA-13-MFL瀝青混合料的電導(dǎo)率變化率為0.797 ms/cm，而SMA-13-國產(chǎn)瀝青混合料的電導(dǎo)率變化率為0.617 ms/cm，得到鹽分析出速率為：SMA-13-MFL瀝青混合料>SMA-13-國產(chǎn)瀝青混合料。

3.2 路面使用壽命預(yù)估

本研究在裝有1 000 mL水的燒杯中加入不同質(zhì)量的進(jìn)口MFL和國產(chǎn)抗冰凍劑，可以測定不同抗冰凍劑的電導(dǎo)率，建立進(jìn)口MFL、國產(chǎn)抗冰凍劑溶液濃度和電導(dǎo)率的函數(shù)關(guān)系，如圖2所示。

由圖2可知，電導(dǎo)率K與抗冰凍劑溶液濃度n的函數(shù)關(guān)系見式（3）。

K=1 061n+10.004（R2=0.996） （3）

將這一結(jié)果作為進(jìn)口MFL和國產(chǎn)抗冰凍劑瀝青混合料鹽分溶析試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)曲線，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算每天鹽分的濃度變化，進(jìn)一步計(jì)算出路表鹽分的析出量。路表鹽分的析出量按式（4）計(jì)算。

Q=[Vρw×nS] （4）

式中：Q為每平方米路表鹽分析出量，g/m2；V為加入蒸餾水的體積，V=800 mL；ρw為蒸餾水的密度，ρw=1.0 g/cm3；n為計(jì)算出的每天溶液鹽分濃度變化，%；S為馬歇爾試件的表面積，按式（5）計(jì)算，m2。

S=（2πr2+2πrh）×10-6 （5）

式中： r為馬歇爾試件的半徑，mm；h為馬歇爾試件的高度，mm。

經(jīng)計(jì)算，馬歇爾試件的表面積S=0.036 m2，SMA-13-MFL和SMA-13-國產(chǎn)抗冰凍劑瀝青混合料路面每天鹽分析出量分別為19.67 g/m2和13.09 g/m2，具體見表3。

緩釋型抗冰凍路面的使用壽命T按式（6）進(jìn)行計(jì)算。

T=[mQt] （6）

式中：m為路面防凍材料的質(zhì)量，g，計(jì)算公式見式（7）；Q為每平方米鹽分析出量，g/m2；t為當(dāng)?shù)氐哪昶骄邓鞌?shù)，d。

m=[h×ρ×1041+OAC]×k×c （7）

式中：h為緩釋型抗冰凍SMA-13混合料橋面厚度，cm；ρ為緩釋型抗冰凍SMA-13混合料密度，g/cm3；OAC為油石比，%；k為抗冰凍劑摻量占礦料質(zhì)量的比值，%；c為抗冰凍劑中易溶鹽含量，%。

進(jìn)口MFL和國產(chǎn)抗冰凍劑易溶鹽的含量分別為98%和86%，摻量為礦料的5.0%，防冰雪混合料SMA油石比為6.0%，進(jìn)口和國產(chǎn)防冰雪混合料的毛體積密度按2.5 g/cm3計(jì)算，防冰雪路面厚度為4 cm時(shí)，每平方米防冰雪材料的質(zhì)量為：進(jìn)口MFL抗冰凍劑m進(jìn)口=[4×2.5×1041+6.0%]×5.0%×98%=4 622.6 g；國產(chǎn)抗冰凍劑m國產(chǎn)=[4×2.5×1041+6.0%]×5.0%×86%=4 056.6 g。進(jìn)口和國產(chǎn)防冰雪材料在路面能夠發(fā)揮防冰雪效果的時(shí)間分別為：進(jìn)口MFL抗冰凍劑D進(jìn)口=4 622.6/19.67=235.01 d；國產(chǎn)抗冰凍劑 D國產(chǎn)=4 056.6/13.09=309.90 d。

因此，SMA-13-MFL混合料橋面融雪除冰效果的有效天數(shù)為226 d，SMA-13-國產(chǎn)混合料橋面融雪除冰效果的有效天數(shù)為310 d。以江蘇省南部為例，年平均降雨天數(shù)為116 d，則進(jìn)口MFL抗冰凍劑的融雪除冰效果可持續(xù)2～3年，國產(chǎn)抗冰凍劑的融雪除冰效果可持續(xù)3～4年。

4 結(jié)論

本研究基于緩釋型抗冰凍瀝青混合料，通過破冰試驗(yàn)、撕裂試驗(yàn)和鹽分溶析電導(dǎo)率試驗(yàn)，對比評價(jià)SMA-13-MFL和SMA-13-國產(chǎn)的短期融冰、長期防冰效果，主要結(jié)論如下。

①通過室內(nèi)模擬研究不同緩釋型抗冰凍劑的融雪除冰效果和緩釋型抗冰凍瀝青混合料的融化試驗(yàn)結(jié)果可知，進(jìn)口MFL抗冰凍劑的融冰能力優(yōu)于國產(chǎn)抗冰凍劑。而撕裂試驗(yàn)表明，國產(chǎn)抗冰凍劑的融冰性能優(yōu)于進(jìn)口MFL抗冰凍劑。

②根據(jù)鹽分融析電導(dǎo)率試驗(yàn)可知，進(jìn)口MFL抗冰凍劑的析出速率大于國產(chǎn)抗冰凍劑。

③通過鹽分融析速率預(yù)估混合料的服役年限，以江蘇省南部為例，年平均降雨天數(shù)為116 d，則進(jìn)口MFL抗冰凍劑的融雪除冰效果可持續(xù)2～3年，國產(chǎn)抗冰凍劑的融雪除冰效果可持續(xù)3～4年。

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［6］葛浩.抗冰凍材料在橋面鋪裝中的應(yīng)用研究［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2022，19（5）：22-26，36.

（欄目編輯：孫艷梅）

收稿日期：2023-08-22

作者簡介：趙錄霞（1987—），女，本科，工程師，研究方向：交通工程。