緩釋型防冰雪材料性能試驗研究

朱浩然, 于明明, 溫肖博

(1. 蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112； 2. 新型道路材料國家工程實驗室，江蘇 南京 211112)

0 引 言

在冬季，路面(尤其橋面)的積雪與結冰給通行車輛帶來極大的安全隱患，輕則影響行車舒適性、降低通行效率，重則引發(fā)交通事故，給人民的生命財產(chǎn)造成極大損失[1]。目前對路面積雪結冰的處理，主要有外部除冰雪技術和內部除冰雪技術兩大類。外部除冰雪技術可通過撒融雪劑、人工清除或機械清除等。內部除冰雪技術包括熱力融冰雪技術、摻加鹽化物的緩釋型防冰雪技術和抑制凍結鋪裝技術。緩釋型防冰雪技術具有操作方便、對道路橋梁腐蝕性低、能達到多年路面防結冰、養(yǎng)護成本較低等優(yōu)點，已漸漸成為主流的融雪抑冰技術[2]。

2008年以來，我國引入的緩釋型防冰雪路面技術，主要有瑞士Verglimit和日本Mafilono。相關研究部門和機構對緩釋型防冰雪路面的使用性能和防冰雪效果進行了探索[3-4]，并取得了一定成果。在防冰雪效果評價方面，F(xiàn). GIULIANI等[5]、A. MUTHUMANI等[6]利用圖像處理分析方法對瀝青混合料防冰效果進行了研究；T. G. BENJAJNIN等[7]、TIAN Miaomiao等[8]、LIU Zhuangzhuang等[9]采用電導率試驗評價靜態(tài)和加速溶出條件下的鹽釋放規(guī)律，從而評價防冰雪效果的長期性；LUO Sang等[10]通過室外雪融化觀察、海綿提升試驗和混合料-冰剪切強度試驗評價MFL混合料融雪性能和除冰效果；孫嶸蓉[11]采用路面裸露率分析法、黏結力測試、動水沖刷試驗研究蓄鹽混合料除冰雪性能及耐久性；蔣松利[12]設計了破冰試驗、防附著試驗、室內融雪試驗等評價涂層的融冰雪性能和耐久性。

雖然國內外研究人員開發(fā)了多種試驗方法對鹽化物融冰雪混合料的防冰雪效果進行研究，但尚沒有統(tǒng)一的試驗方法，測試評價方法也不夠完善(如缺乏定量的評價指標，深層位緩釋效果尚沒有有效地評價方法)，同時以往研究僅針對進口的Mafilon和Verglimit，尚沒有國產(chǎn)緩釋材料相關的報道。筆者借鑒相關研究成果的破冰試驗和鹽分溶析電導率試驗，創(chuàng)新性提出撕裂試驗和不同層位電導率試驗，形成全面評價防冰雪混合料的防冰雪效果的試驗方法；同時在國產(chǎn)緩釋型材料路用性能研究的基礎上，重點對國產(chǎn)緩釋型材料的防冰效果進行系統(tǒng)研究，并與進口緩釋型材料進行對比，優(yōu)選具有高性價比、持久融冰雪和抗冰凍效果的防冰雪材料。

1 材 料

1.1 瀝 青

采用SBS改性瀝青，其性能指標如表1。

表1 SBS改性瀝青性能指標 Table 1 Performance indexes of SBS modified asphalt

1.2 礦 料

玄武巖碎石的技術指標見表2；砂的表觀密度為2.634g/cm3；石灰?guī)r礦粉的技術指標見表3。

表2 碎石的技術指標 Table 2 Performance indexes of crushed stone

表3 礦粉性能指標 Table 3 Performance indexes of mineral filler

1.3 緩釋型防冰雪材料

筆者所研究的國產(chǎn)常州履信緩釋型防冰雪材料(簡稱“履信”)，是一種以氯化鈉和阻銹劑為芯材，以緩釋劑材料為包覆膜，包覆芯材形成的顆粒狀雙層復合材料，白色，粒徑為1～2 mm球狀顆粒，可降低路面冰點至-14 ℃，從而有效地抑制道路表面結冰。它具有冰點低、硬度高、熱穩(wěn)定性好和綠色環(huán)保等特點。同時，選擇瑞士進口的Verglimit進行對比試驗。Verglimit是采用氯化鈣與憎水性油脂混合反應、經(jīng)化學濃縮工藝處理而得到的產(chǎn)品，可降低路面冰點到-20 ℃，從而有效地阻止和延緩路面結冰。國產(chǎn)“履信”和進口Verglimit物理性能指標如表4。

表4 緩釋型材料性能指標 Table 4 Performance indexes of sustained-release material

1.4 瀝青混合料配制

緩釋型防冰雪瀝青混合料主要用于瀝青路面的上面層，因此筆者選擇SMA-13瀝青混合料進行試驗。為避免緩釋型防冰雪材料破碎，先將集料、礦粉、瀝青充分的拌和均勻，在拌和終止前5～10 s再加入緩釋型防冰雪材料，摻量為礦料質量的5.0%。從而得到“SMA-13-普通”(未摻)、摻緩釋型防冰雪材料的瀝青混合料——“SMA-13-履信”“SMA-13-Verglimit”。

2 “SMA-13-履信”路用性能試驗

根據(jù)JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》及工程經(jīng)驗，用馬歇爾方法確定“SMA-13-履信”的油石比Pa=6.2%，測試瀝青混合料的空隙率VV、馬歇爾穩(wěn)定度MS、殘留穩(wěn)定度MS0、劈裂強度比TSR、動穩(wěn)定度DS和低溫破壞應變ε，試驗結果見表5。

表5 “SMA-13-履信”路用性能指標 Table 5 Road performance indexes of SMA-13-Lvxin

由表5看出，“SMA-13-履信”的各項路用性能指標均滿足要求，具有良好的綜合路用性能。

3 防冰效果評價試驗

緩釋型自融雪路面的防冰雪效果評價包括短期和長期兩部分，目前尚沒有標準的試驗評價方法。筆者參照破冰試驗[12]和鹽分溶析電導率試驗[13]，自主開發(fā)了撕裂試驗和不同層住電導率試驗，對比分析“履信”及Verglimit的防冰雪效果。

3.1 破冰試驗

破冰試驗可直觀、定性地評價進口和國產(chǎn)緩釋型材料的融冰雪效果[14]。試驗步驟如下：

1)用泡沫膠將“SMA-13-普通”“SMA-13-履信”及“SMA-13-Verglimit”試件四周圍成一個水槽，并用蠟密封，注入一定量的水；

2)將制作好的試件放在-5、-10 ℃高低溫箱內冰凍24 h，使試件表面形成5 mm厚的冰層。

3)用鋼尺劃破冰層，觀察試件表面冰層的紋理及冰層與混合料的結合面產(chǎn)生水膜情況。

3.2 撕裂試驗

利用測力裝置，在-5、-10℃條件下，對冰層與瀝青混合料在低溫下凍結形成的結合力進行測量，定量評價緩釋型防冰雪混合料除冰效果。試驗步驟如下：

1)準備寬70 mm、長200 mm的布條若干。浸濕布條和試件表面，將布條平鋪在試件表面上，然后將各個試件放入-5、-10 ℃高低溫箱中，待溫度恒定后冷凍2 h，再用噴水壺向試件上噴水使水自然淌下為止。

2)冷凍24 h后，將瀝青混合料試件從高低溫箱拿出，迅速安放在測力裝置上，同時將布條的一端放入兩塊夾板之間，旋緊螺母。

3)開動試驗機，以50 mm/min的速度向上拉動，直到布條從試件上完全脫離開，記錄數(shù)據(jù)的最大值，如圖1。當一組測定值中某個數(shù)據(jù)與平均值之差大于標準差的k倍時(試件數(shù)目為3/4/5時，k分別為1.15/1.46/1.67)，該測定值應予舍棄，并以其余測定值的平均值作為試件與冰的結合力。

圖1 撕裂測試Fig. 1 Tearing test

3.3 鹽分溶析電導率試驗

緩釋型防冰雪混合料中起到融雪效果的關鍵成分為氯化物，氯化物溶于水后產(chǎn)生氯離子，隨著時間的延長，氯化物析出增多，溶液中氯離子濃度增大，溶液導電性增強[13, 14]。因此，通過測試水溶液的電導率，判斷溶液中氯離子濃度的大小，可間接反映緩釋型防冰雪混合料試件中防冰雪劑的析出量，最終預估防冰雪混合料融冰雪效果的使用壽命。試驗步驟如下：

1)將“SMA-13-履信”“SMA-13-Verglimit”試件放入2 000 mL的大燒杯中，試件底部用墊塊墊起，加入800 mL蒸餾水。

2)開啟電導率儀，測定電導率記為K0，每隔24 h測定一次溶液的電導率，連續(xù)測量15天，如圖2。

圖2 鹽分融析電導率測試Fig. 2 Salt dissolution conductivity test

3.4 不同層位電導率試驗

筆者自行設計了不同層位的電導率試驗。試驗步驟如下：

1)采用密封溶析法，分別將“SMA-13-普通”“SMA-13-履信”“SMA-13-Verglimit”試件用密封材料(石蠟)封起來，只留一個表面，放入蒸餾水溶液中進行溶析，模擬路面實際工作狀態(tài)。

2)分別在浸泡10、20 d后，取出試件，將試件分層切割，切割厚度約1 cm。

3)將切割下的不同層位混合料放入800 mL蒸餾水中，浸泡24 h，然后測試溶液的電導率，如圖3。

圖3 不同層位的電導率測試Fig. 3 Conductivity test with different horizons

4 試驗結果分析

4.1 短期融冰性能評價

4.1.1 破冰試驗結果分析

-5、-10 ℃條件下，3種瀝青混合料試件表面和破冰試驗結果如圖4。

圖4 3種瀝青混合料破冰層試驗結果Fig. 4 Results of ice-breaking test of three asphalt mixtures

由圖4可知：

1)在相同的試驗條件下，試件的表面形成光滑致密的冰層，較薄的地方透明，可見路面黑色，冰層較為堅硬，用鋼尺很難劃破，說明冰層與試樣表面結合緊密。

2)“SMA-13-履信”試件，一方面，冰層并不像“SMA-13-普通”試件那般光滑致密，而是密密麻麻布滿了很多細小的紋理，冰層成冰渣狀；另一方面，相同的試驗條件下，冰層較“SMA-13-履信”試件容易清除得多，且-5、-10 ℃條件下，冰層與瀝青混合料間結合面均有明顯水膜，無結冰現(xiàn)象。說明“SMA-13-履信”可以有效地抑制路面結冰，有利于冰層的去除，具有良好的防冰雪效果。

3)“SMA-13-Verglimit”試件，在-5 ℃條件下未結冰；在-10 ℃條件下，試件冰層的紋理較“SMA-13-履信”試件更密。說明“SMA-13-Verglimit”的短期抗凝冰效果優(yōu)于“SMA-13-覆信”。

4.1.2 撕裂試驗結果分析

3種瀝青混合料撕裂試驗結果如表6。

表6 3種瀝青混合料撕裂試驗結果 Table 6 Tearing test results of three asphalt mixtures

從布條冰凍情況及表6可以看出：

1)-5 ℃時，在“SMA-13-普通”試件表面的浸濕布條結冰變硬，與冰層凍結成一個整體，很難將布條從試件表面分開，黏結力高達73.71 N；“SMA-13-履信”試件，雖然浸濕布條結冰，但與冰層的黏結力只有3.19 N，遠小于前者；“SMA-13-履信”表面有少量薄冰，布條未結冰，潮濕柔軟，防冰雪效果良好。

2)-10 ℃時，“SMA-13-履信”試件與冰層的黏結力較“SMA-13-普通”試件與冰層的黏結力降低60.4%，“SMA-13-Verglimit”與冰層的黏結力較“SMA-13-普通”試件降低75.1%。分析原因：緩釋型防冰雪混合料中鹽化物有效成分的析出導致表面冰點降低，破壞了布條與試件的黏結，使得布條與試件的黏結力降低。

綜合破冰試驗和撕裂試驗，-5、-10 ℃條件下，“SMA-13-履信”可以抑制路面結冰，具有明顯的短期防冰雪效果。3種瀝青混合料的防冰雪效果依次為：“SMA-13-Verglimit”>“SMA-13-履信”>“SMA-13-普通”。

4.2 長期防冰效果評價

4.2.1 析出速率分析

根據(jù)鹽分溶析電導率試驗繪制電導率K隨時間t的變化曲線，如圖5。

圖5 “SMA-13-Verglimit”“SMA-13-履信”電導率K與時間t的擬合曲線Fig. 5 Fitting curves of conductivity K and time t of SMA-13-Verglimit and SMA-13-Lvxin

由圖5可以看出，電導率K與時間t具有良好的線性關系：K=at+b。斜率a即電導率的變化率，在一定程度上代表了防冰雪劑析出速度，a越大，表示氯離子析出越快。

采用線性回歸方法對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，可得到電導率K與時間t呈線性相關，相關系數(shù)均超過99%：

“SMA-13-Verglimit”：

K進口=0.939t+ 13.81 (R2=0.997)

(1)

“SMA-13-履信”：

K國產(chǎn)=0.625t+ 13.05 (R2=0.994)

(2)

由式(1)、式(2)可以看出，“SMA-13-Verglimit”電導率的變化率比“SMA-13-履信”的大。

4.2.2 防冰效果壽命預估

鹽化物溶液質量濃度與電導率具有良好的線性相關性，電導率隨著溶液濃度增加而增大[13]。因此，根據(jù)鹽化物溶液濃度和電導率的標準曲線[13]可將電導率的變化率轉化為每天溶液鹽分濃度的變化n，按式(3)計算緩釋型防冰雪路面的使用壽命T(單位：a)，計算結果如表7：

(3)

式中：N為緩釋型防冰雪瀝青混合料防冰雪效果的有效天數(shù)，d；D為當?shù)氐哪昶骄邓鞌?shù)，d/a，可通過查詢當?shù)氐臍夂驐l件得出；m為每平方米路面防冰雪材料的質量，g/(m2·d)，與瀝青路面厚度、混合料密度、防冰雪材料的摻量有關；Q為每天每平方米路面表面鹽分析出量，g/(m2·d)；h為防冰雪瀝青路面厚度，cm；ρ為防冰雪混合料密度，g/cm3；Pa為油石比，%；k為防冰雪材料摻量占礦料質量的比值，%；c為防冰雪材料中易溶鹽含量，%；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為每天溶液鹽分濃度變化，1/d；S為馬歇爾試件的表面積，m2。

表7 “SMA-13-Verglimit”及“SMA-13-履信”壽命預估 Table 7 Service life prediction of SMA-13-Verglimit and SMA-13-Lvxin

由表7可以看出，“SMA-13-Verglimit”發(fā)揮防冰雪效果的有效天數(shù)為248 d，“SMA-13-履信”為310 d。以江蘇鎮(zhèn)江市區(qū)為例，常年平均降水日數(shù)119 d，“SMA-13-Verglimit”防冰雪效果可持續(xù)2～3年，“SMA-13-履信”防冰雪效果可持續(xù)3～4 年。

4.3 深層位(路面深度3～4 cm)有效性

“SMA-13-Verglimit”及“SMA-13-履信”浸泡0、10、20 d后，不同層位的電導率試驗結果如表8。

表8 “SMA-13-Verglimit”及“SMA-13-履信”不同層位電導率 測試結果 Table 5 Conductivity of SMA-13-Verglimit and SMA-13-Lvxin at different depths ms/cm

從表8可以看出：“SMA-13-Verglimit”及“SMA-13-履信”未浸泡時，不同層位的電導率差別不大，在2.3 ～3.0 ms/cm之間；浸泡10 d和20 d時，浸泡相同時間，不同層位的電導率從下到上依次減?。? cm層位 < 2 cm層位 < 3 cm層位；浸泡10 d較未浸泡，距頂面1、2 cm層位的電導率減小，距頂面3 cm層位的電導率增大。原因是：由于表面防冰雪材料中氯化物的析出，導致距頂面較近的1、2 cm層位的電導率減小，同時距離頂面3cm層位的防冰雪材料反應活躍。浸泡20 d較浸泡10 d，距頂面1、2 cm層位的電導率有所增加，距頂面3 cm層位的電導率略有降低，說明隨著浸泡時間的延長，路面深度3～4 cm深層位的防冰雪材料可以向表層移動，驗證了路面深度3～4 cm深層位的防冰雪材料能持續(xù)從內部遷移到路面表面發(fā)揮融冰雪的作用。

5 結 論

筆者對國產(chǎn)常州履信緩釋型防冰雪材料進行了防冰效果試驗研究，得到主要結論如下：

1)基于國產(chǎn)常州履信緩釋型材料的瀝青混合料路用性能試驗結果表明，摻加國產(chǎn)常州履信緩釋材料的瀝青混合料車轍動穩(wěn)定度DS、低溫彎曲破壞應變ε、殘留穩(wěn)定度MS0和劈裂強度比TSR均滿足技術指標要求。

2)破冰和撕裂試驗表明：在短期融冰方面，-5、-10 ℃條件下，國產(chǎn)常州履信緩釋材料可以抑制路面結冰，融冰雪效果：“SMA-13-Verglimit”>“SMA-13-履信”>“SMA-13-普通”。

3)鹽分溶析電導率試驗結果表明：不同緩釋型材料的析出速率：進口緩釋型材料 > 國產(chǎn)緩釋型材料。通過析出速率預估不同緩釋型材料的使用壽命，進口防冰雪混合料發(fā)揮防冰雪效果的有效天數(shù)為248 d，國產(chǎn)防冰雪混合料防冰雪有效天數(shù)為310 d。

4)自行設計包括蠟封溶析、分層切割、蒸餾水浸泡的不同層位電導率試驗方法，以評價深層位緩釋型防冰雪瀝青混合料的有效性。試驗結果表明，隨著浸泡時間從10 d延長至20 d，距頂面1、2 cm層位的電導率有所增加，距頂面更深層位(3 cm)的電導率略有降低。驗證了路面深度3～4 cm深層位的防冰雪材料能持續(xù)從內部遷移到路面表面，發(fā)揮融冰雪的作用。