鹽化物自融雪材料對瀝青混合料性能的影響

張 營，田艷霞 ，劉建飛

(1.河南省交通科學技術研究院有限公司，鄭州 450006；2.道橋新材料與結構耐久性河南省工程實驗室，鄭州 450006)

在我國北方地區，被動式除雪仍然是寒冷冬季雨雪天氣時確保道路交通運輸順利進行的主要措施之一，即路面積雪甚至凝冰后再進行融雪除冰處理，比如利用機械設備吹雪、鏟雪和撒布融雪鹽等手段[1]，存在效果差、成本高、效率慢、污染大等諸多缺點[2]。為解決目前傳統除雪方式存在的問題，國內外專家學者及工程技術人員積極開展主動型防冰技術研究，取得了一定的研究成果?；瘜W機理型自融雪瀝青路面是指在普通瀝青混合料中通過摻入具有抑制雪水凍結效果的鹽化物作為核心物質的改性材料，經成熟的攤鋪碾壓成型工藝而形成的具有抑制冰雪凍結效果的路面[3]。20世紀70年代末期，日本開始引進海外技術，并在國內進行了實體性鋪筑，逐漸將此類技術成功地進行了本土化研究和應用[4]。隨著新型化學類鹽化物研究的不斷深入和制備工藝的日益更迭，主動型防冰融雪瀝青路面取得了較為優良的實施效果，當冬季鹽化物融雪路面遭遇冰雪覆蓋時，可以有效抑制冰雪凝結，起到防止路面積雪與結冰作用，進而提高除雪效率[5]。

1 融雪抑冰材料及其作用機理

鹽化物自融雪材料是采用原位聚合法借助物理化學改性機理通過特殊精細工藝在主體氯化物的表層裹覆一層具有疏水和耐高溫特性的材料，使鹽化物能夠均勻混合于瀝青混合料中并在應用過程中能夠緩慢釋放并析出到瀝青路面表層[6]。鋪筑有融雪抑冰鹽化物瀝青混合料的路面，在冬季降雪后，行駛在路面表層的車輛荷載造成瀝青路面表層壓縮而產生內外壓力梯度，使得均勻分散于混合料中的融雪抑冰材料由里及外由下而上類似于毛細管作用機理而極其緩慢的抽吸到微形變的瀝青路面表層，逐漸與表層的積雪堅冰接觸并溶解釋放出氯化物，使得積雪堅冰中鹽化物離子濃度升高，使路面表層的積雪堅冰處于冰水混合的狀態，從而顯著的延緩了雪水凝結并降低冰凍程度[7]。

2 原材料

2.1 鹽化物防冰劑

試驗研究選用的融雪抑冰材料是瑞士某公司生產的化學類鹽化物材料。表1為鹽化物的物理指標。

表1 融雪抑冰鹽化物技術指標

2.2 瀝青

鹽化物瀝青混合料主要應用在低溫地區，需要具有較好的低溫穩定性，SBS改性瀝青低溫性能優良[8]，并且與集料的黏附能力較好。表2為SBS改性瀝青技術指標。

表2 SBS改性瀝青技術指標

2.3 集料與礦粉

選用的集料表面粗糙潔凈、形狀規則、無風化、無雜質，與瀝青的黏附性能達到5級、吸水率小于1.0%，且具有足夠的強度和耐磨耗性能，其他性能指標均需滿足現行規范要求；選用的礦粉中粒徑0.075 mm篩孔的通過率大于80%，干燥無雜質，親水系數< 1，其余技術指標均滿足現行規范要求。

3 試驗及結果分析

3.1 防冰瀝青混合料配合比組成設計

1)設計要點

①根據鹽化物材料技術指標，經理論計算摻量5%質量分數的鹽化物在混合料中體積約占7.9%，在鹽化物材料的混合過程中，部分鹽化物顆粒容易被擠壓破碎，造成精細顆粒含量增高。因此對基礎混合料的細集料和礦粉用量不進行調整[8]。②優化基礎混合料的礦料級配及油石比，使馬歇爾試件的孔隙率控制在2.0%～2.8%。③由于加入鹽化物材料后混合料的粘度增大，馬歇爾試件的空隙率有所提升，因此試驗過程中將混合料成型溫度提高5～10 ℃。④由于鹽化物瀝青路面長期暴露自然環境中，隨著時間的推移混合料中的鹽化物會逐漸流失，導致路表的構造深度會增加。因此，考慮將瀝青用量比基礎混合料提高0.2%～0.5%。

2)級配設計

根據規范和經驗設計出基礎瀝青混合料組成，并在此基礎上添加自融雪鹽化物后進行合理優化和適當調整。

①基礎級配選擇 通過這三種試級配的馬歇爾試驗結果分析：在三種AC-13級配中，級配一的空隙率偏大，為了獲得較為滿意的目標空隙率需額外增大瀝青使用量，出于經濟性考慮，不宜采用；級配三的空隙率較小，并在規范標準級配范圍內上限附近，其高溫動穩定度相對較小，也不宜采用；級配二的各項參數指標良好且均滿足相關技術要求，并且級配在2.36 mm 篩孔上的通過量位于級配曲線的中值附近，有利于現場施工控制，且更符合防結冰路用材料對混合料空隙率的要求，經綜合分析選擇級配二作為設計級配。

表3 AC-13級配 通過百分率/%

表4 3種初試AC-13級配的馬歇爾試驗結果

②確定最佳油石比 當采用中級配作為骨料級配時，為了節約成本，同時又要滿足融雪抑冰材料的技術要求，采用逐步提高的方式，優選4.5%、5.0%和5.5%三種比例來確定最佳油石比。根據所選用的基礎級配，按規范標準JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》要求進行馬歇爾試驗，并測定相關技術指標。試驗結果如表5所示。

表5 馬歇爾試驗測試結果

基于以上分析，此次設計采用瀝青混合料馬歇爾配合比方法，根據JTG E20—2011《公路瀝青路面施工技術規范》標準要求及鹽化物材料自身特性進行配合比設計，確定了瀝青混合料的材料品種及配合比、礦料級配、最佳油石比以及鹽化物摻量，如表6所示。

表6 融雪抑冰瀝青混合料最佳配合比設計結果

3.2 融雪抑冰瀝青混合料馬歇爾試驗

依據馬歇爾試驗進行生產配合比驗證，經測試，馬歇爾試件各項技術指標良好且均能滿足規范標準要求。表7為馬歇爾試驗結果。

表7 馬歇爾試驗結果

3.3 路用性能試驗

主要通過高溫、低溫和水穩3項技術指標來評價鹽化物自融雪瀝青混合料的路用性能。

1)依據規范標準，進行了鹽化物自融雪瀝青混合料的水穩定性試驗，分別采用浸水馬歇爾試驗方法，選取殘留穩定度比技術指標表征。試驗結果如表8所示。

表8 浸水馬歇爾試驗

試驗結果表明，加入鹽化物材料后瀝青混合料的抗水損害性能同普通混合料比，殘留穩定度下降幅度較大，但均能滿足規范標準要求。分析原因是試驗選用的鹽化物防冰劑材料具有易碎特性，在混合過程中產生的顆粒碎渣改變了混合料中集料整體的表面化學性質，顯著降低了集料與膠結料界面間物理附著層和化學吸附層的穩定性，綜合作用導致瀝青混合料的水穩定性能顯著降低。

2)采用車轍試驗來評價融雪防冰瀝青路面的高溫穩定性，以動穩定度作為評價指標。表9為融雪防冰瀝青混合料動穩定度試驗結果。

表9 動穩定度試驗結果

試驗結果證明，摻加鹽化物后瀝青混合料的動穩定度有所衰減，但高溫性能良好，符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》相對應的技術指標要求。

3)采用低溫彎曲試驗評價鹽化物瀝青混合料的低溫性能。試驗結果顯示，對照組未摻鹽化物的普通瀝青混合料的最大彎拉微應變為4 500，而摻加鹽化物的瀝青混合料最大彎拉微應變值為3 855，降低了14.3%，但滿足規范標準對瀝青混合料低溫彎曲試驗破壞應變的要求(冬冷區和冬溫區微應變不小于2 500)。

4 結 論

a.摻有鹽化物防冰劑的AC-13型密級配瀝青混合料的馬歇爾試驗和路用性能指標均能滿足規范和使用要求。

b.在瀝青混合料中添加使用鹽化物防冰劑作為一種主動融雪防冰技術，對抑制瀝青路面結冰具有較為顯著的效果，對路面結構無影響，適用于城市道路路面。