路用復合型鹽化物的制備與性能

魏興發

（甘肅省白銀公路管理局，甘肅 白銀 730900）

0 引 言

積雪結冰不僅會造成道路交通封閉，還會降低交通運輸的安全性。融雪劑是目前除雪化冰用量較大、應用較廣的除雪融冰材料［1-3］。

查旭東通過分析以氯化鈉及氯化鈣為主成分的融雪劑對瀝青路面性能的影響，認為應進一步加強環保型融雪劑的開發力度［4］。張營等分析了融雪劑中的KCOOH和NaCl成分對土壤中重金屬元素遷移行為的影響，指出兩者會明顯提高土壤中重金屬元素的釋放量［5］。針對地表水中溶解氧含量以及土壤中重金屬形態，趙菲等分析了以硫酸鈣鎂為主成分的融雪劑對地表水的影響［6］。趙光楠等通過對融雪劑的分類及優缺點的總結，推薦采用環保型的融雪劑，以減輕其對道路材料的侵蝕［7-10］。李長雨等從融雪劑的溶液濃度等方面出發，分析了其對瀝青路面路用性能的影響，并指出以氯化鈉為添加劑的融雪劑對瀝青混合料的影響比氯化鈣大。李光明分析了融雪劑用于瀝青混合料的作用機理，以及融雪劑作用于道路的破壞作用［11］；郭平分析了融雪劑對瀝青低溫延度、抗彎拉強度以及當量脆點等的影響，指出融雪劑對瀝青材料的抗彎拉強度與其當量脆點具有很強的正相關性［12］。馮超測試了 NaCl、CaCl2與CH3COOH對瀝青三大指標與瀝青混合料劈裂強度、動穩定度、最大彎拉應變的影響，指出CH3COOH對瀝青混合料各項性能的影響最小［13］。易卉制備了碳酰胺復合低氯高效融雪劑，并研究了該類融雪劑的除冰融雪性能與對瀝青路面的腐蝕破壞能力［14］。嚴霞等針對融雪劑對植物、土壤等的影響開展了相關研究［15］。龍穎輝研究了融雪劑的類型、濃度對瀝青路面的水穩定性的影響，并推薦使用以醋酸鹽為主要添加劑的融雪劑［16］。楊全兵以8種融雪劑為分析對象，研究了其對混凝土各項性能指標的影響，結果顯示融雪劑和除冰鹽對混凝土的化學侵蝕較小［17］。由此可知，融雪劑在消除冰雪的同時，對交通基礎與環境亦造成不小的危害，且做不到及時除雪［18］。因此，尋找一種高效、污染小、腐蝕性小又真正環保的融雪劑來改進或替代當前所用的化冰鹽十分必要。

根據不同融雪劑的融雪機理與優缺點，本研究按不同比例將融雪劑混合，借助正交設計試驗方法，以融冰量為標準，選取融冰效果最好、環保性最佳的復合型鹽化物。以復合型鹽化物的基本性能為對象，通過物理化學性質的測定，分析其對瀝青的影響。

1 制備復合型鹽化物的準備工作

1.1 鹽化物的選取

本研究選取氯化鈣（CaCl2·2H2O）、氯化鎂（MgCl2）、硝酸鉀（KNO3）、氧化鋁（Al2O3）、乙酸鉀（CH3COOK）、乙酸鈣（Ca（CH3COO）2）與氯化鈉（NaCl）等7種常用的融雪劑制備復合型鹽化物。各項原材料的技術指標如表1所示。

表1 試驗用原材料技術指標

1.2 試驗方案

基于不同融雪鹽混合使用的原理，借助重心設計方法，對本研究選取的7種融雪鹽進行復配試驗，并結合試驗結果與原材料的物理特性，選擇滿足不同需要的復合型鹽化物配方。由相似相容原理選擇與瀝青材料相容性較好的復合鹽化物，進一步進行復配組合，確定一種融雪效果好、腐蝕性低的環保復合型鹽化物。

1.3 測試與表征

（1）物理性質。借助0.075、0.15、0.3、0.6mm篩子對復合型鹽化物進行篩分，計算不同粒徑范圍內的各種鹽化物比例；將復合型鹽化物配制成含量5%的溶液，用pH試紙測定復合型鹽化物的pH值。

（2）化學性質。分別在4個一次性紙杯中種植油菜花，在室溫下培養3d，然后在紙杯中分別澆入氯化鈉（NaCl）、乙酸鉀（Ca（CH3COO）2）、5%復合型鹽化物溶液100g以及100g自來水，并進行標記。每天以5g的量在對應的一次性紙杯中澆2次水，5d后觀察各個紙杯中植物的變化情況。

（3）瀝青三大指標。為測定復合鹽化物與SBS改性瀝青的三大指標，參考《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）中的針入度試驗（T 0604—2011）、延度試驗（T 0605—2011）與軟化點試驗（環球法）（T 0606—2011）方法。

（4）融冰性能試驗。首先將盛放200g水的不銹鋼器皿置于-5℃的冰箱中12h，之后各取10g NaCl、KCOOH和復合型鹽化物撒布在冰面上，靜置在條件相同的冰箱中，在10、20、30、40、50、60、70 min后分別測試融冰量。

2 復合型鹽化物的制備

將一定質量的原材料放置于100℃真空烘箱12h，按照不同的比例取10g混合物并研磨均勻。

由于氯化鈣與氯化鎂的融雪化冰性能較好，而乙酸鉀與乙酸鈣的的環保性較好，因此采用三水平四因素正交表進行試驗設計，且水平數分別選擇25、50和75，如表2所示。不同試驗編號的融冰量見表3。

表2 正交試驗設計

表3 融冰試驗結果

借助正交設計單指標直觀分析法，結合表2與表3的試驗結果得到正交分析數據，如表4所示。

表4 正交分析數據（融冰量） g

基于表4的正交分析數據，得到CaCl2·2H2O、CH3COOK 、Ca（CH3COO）2、MgCl2的比例為1∶3∶2∶3，對此組合的復合型鹽化物進行融冰試驗，得到其融冰量為32.9g，相比于表2中其他融冰試驗結果，最優方案下復合型鹽化物的融冰量最大。

3 復合型鹽化物的基本性能

3.1 物理性質

篩分結果見表5。

表5 復合型鹽化物篩分結果 %

3.2 化學性質

澆入不同溶液的植物在試驗前后的生長情況如圖1所示。

圖1 試驗前后植物的生長情況

由圖2可知，4個試驗樣品在相同溫度下5d后，澆氯化鈉溶液的植物最先開始萎蔫，其次是澆醋酸鉀溶液的植物，澆復合型鹽化物溶液的植物變化不大。因此復合型鹽化物對植物的影響均低于氯化鈉和醋酸鉀對植物的影響。醋酸鉀是環保型融雪劑，理論上對植物的影響應該也不大，但在本試驗中醋酸鉀對植物的影響卻比復合型鹽化物的影響大，而且在烘干過程中醋酸鉀揮發出一種刺鼻的味道，由于時間和條件有限，對此沒有進行進一步的研究。同時，澆注試驗溶液的植物葉子表面均出現白色斑點，說明植物在一定鹽含量下達到飽和，多余的鹽通過葉子排出體外。通過該試驗證明了復合型鹽化物對植物的影響比氯化鈉小，有可能比醋酸鉀小，說明復合型鹽化物具有較好的環保性。

3.3 復合型鹽化物瀝青的三大指標

摻與未摻復合型鹽化物的瀝青的三大指標試驗結果見表6。

表6 瀝青三大性能指標試驗結果

從表6可以看出，復合型鹽化物瀝青的延度及針入度相比SBS改性瀝青均有所降低。可能由于前者未經過表面改性，鹽化物與瀝青相容性較差并且在瀝青中分布不均，故而在低溫環境下形成應力集中。軟化點方面，復合型鹽化物瀝青略高于SBS改性瀝青，說明前者的高溫性能在一定程度上得到了改善。盡管復合型鹽化物瀝青與SBS改性瀝青相比三大指標較差，但總體上滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）的相關要求。

3.4 復合型鹽化物瀝青的融冰性能

由圖2可知，在相同的融冰時間下，醋酸鉀的融冰量最大，復合型鹽化物次之，而氯化鈉的融冰量最小。當融冰時間為10min時，醋酸鉀的融冰量為21.3g，復合型鹽化物的融冰量為17.5g，而氯化鈉的融冰量僅為11.2g；當融冰時間為70min時，醋酸鉀的融冰量為60.1g，復合型鹽化物的融冰量為57.6g，氯化鈉的融冰量為51.0g。當融冰時間為70min時，醋酸鉀的融冰量雖然較復合型鹽化物的多，但相差較小，而氯化鈉的融冰量則相差較大。由此可知，復合型鹽化物的融冰性能比氯化鈉好。

圖2 不同融雪劑融冰量隨融冰時間的變化關系

4 結 語

（1）借助正交試驗設計方法，優化得到融冰性能較佳的復合型鹽化物CaCl2·2H2O、CH3COOK、Ca（CH3COO）2、MgCl2的比例為1∶3∶2∶3。

（2）與醋酸鉀、氯化鈉相比，本研究制備的復合型鹽化物對植物的不利影響均比醋酸鉀與氯化鈉小，表明復合型鹽化物的環保性較好。

（3）復合型鹽化物由于與瀝青的相容性較差，導致其改性瀝青的針入度與延度均低于SBS改性瀝青，而軟化點則略大于SBS改性瀝青，表明復合型鹽化物瀝青高溫性能較佳，但三大指標均滿足施工技術規范的要求。

（4）復合型鹽化物的融冰性能優于氯化鈉，劣于醋酸鉀。綜合考慮各種鹽化物的環保性能、三大指標與融冰性能，建議實際工程選取復合型鹽化物作為融雪劑。