蓄鹽瀝青混合料路用性能及析出規(guī)律

（日照市交通運(yùn)輸事業(yè)管理中心，山東日照 276800）

0 引言

調(diào)查表明，15%～30%的交通事故是由寒冷地區(qū)路面積雪或結(jié)冰引起的[1]。蓄鹽瀝青路面在冬季道路養(yǎng)護(hù)中具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。蓄鹽瀝青路面指在瀝青混合料中加入蓄鹽物質(zhì)，降雪結(jié)冰時(shí)蓄鹽物質(zhì)主動(dòng)析出，從而達(dá)到融雪目的。該技術(shù)在歐亞國家得到了大范圍的應(yīng)用。1975年奧地利布倫納公路上鋪筑了蓄鹽瀝青路面（V-260），18年后對(duì)其鉆芯取樣發(fā)現(xiàn)截面處仍有蓄鹽顆粒。日本鋪筑的蓄鹽瀝青路面（MFL）的有效作用年限只有6年。我國從2008年開始鋪筑蓄鹽瀝青路面，融雪效果良好[2]。

MFL可以替代礦粉，為粉末狀，添加量為6%～8%。長安大學(xué)[3-4]研究了MFL瀝青混合料的性能，分別替代不同質(zhì)量的礦粉，可滿足規(guī)范要求。浙江理工大學(xué)[5]和重慶交通大學(xué)[6]研究了V-260的路用性能，但未對(duì)兩種蓄鹽物質(zhì)的性能進(jìn)行對(duì)比。Mogawer等人[7]測試了蓄鹽物質(zhì)Verglimit對(duì)瀝青混合料抗車轍性、低溫抗裂性和抗水損害性能的影響，結(jié)果表明，Verglimit可以改善瀝青混合料的溫度敏感性，提高抗水損傷能力，但是由于試驗(yàn)方法、級(jí)配設(shè)計(jì)方法、瀝青類型等不同，無法在我國推廣。Zheng等人[8]測試了蓄鹽瀝青混合料（IGD、MFL）的路用性能、短期融雪效果及水分對(duì)鹽分析出的影響，路用性能滿足要求，鹽分析出在一定時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定，但測試時(shí)間較短。大多研究者致力于融冰雪性能的研究，Zheng等人[9]制備冰或雪，按一定質(zhì)量置于試件表面，測量冰或雪的質(zhì)量變化，從而反應(yīng)其融雪功能，或?qū)⒃嚰菰谒?，測量蓄鹽物質(zhì)的析出，但是實(shí)際上路面并不會(huì)一直接觸水，浸泡時(shí)間無法轉(zhuǎn)換成降雪或降雨的實(shí)際時(shí)間，結(jié)果存在偏差。日本采用AgCl滴定法測定蓄鹽瀝青混合料的融雪壽命，但該方法多用于現(xiàn)場測試。然而，降雨對(duì)蓄鹽物質(zhì)的析出較少有研究，無法評(píng)價(jià)蓄鹽瀝青混合料的融雪壽命。

針對(duì)目前研究，本文首先對(duì)比V-260和MFL兩種蓄鹽瀝青混合料的路用性能，然后開發(fā)設(shè)備，分析降雨對(duì)蓄鹽物質(zhì)析出的影響，為評(píng)價(jià)蓄鹽瀝青混合料融雪壽命提供依據(jù)。

1 材料與設(shè)計(jì)

1.1 材料

1.1.1 瀝青與集料

選用SBS I-D改性瀝青，其密度為1.025g·cm-3，25℃的針入度為57，軟化點(diǎn)為85℃，5℃的延度為23.3cm，25℃的彈性恢復(fù)為88%。

蓄鹽物質(zhì)析出后溶液中的氯離子會(huì)加速瀝青的剝落，應(yīng)優(yōu)選集料，要求黏附性5級(jí)，吸水率較小。粗集料為閃長巖（密度2.898g·cm-3），產(chǎn)自陜西商州，細(xì)集料為石灰?guī)r（密度2.665g·cm-3），產(chǎn)自山西蒲城，中國京和石廠生產(chǎn)的石灰?guī)r磨細(xì)礦作為礦粉（密度2.468g·cm-3）。其他指標(biāo)符合要求。

1.1.2 蓄鹽物質(zhì)

V-260 的主要成分是CaCl2，含量為94.6%，表面裹附有一層NaOH粉末，溶液的pH值為11～12，外觀為白色顆粒，熔點(diǎn)為260℃，粒徑在0.1～5mm之間。

1.2 蓄鹽類瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

采用馬歇爾設(shè)計(jì)法進(jìn)行密集配瀝青混合料設(shè)計(jì)，礦料級(jí)配如表1所示。在蓄鹽瀝青混合料中，V-260直接加入混合料內(nèi)，MFL按照等體積法替換礦粉，摻加量均為5%。

表1 礦料級(jí)配表

蓄鹽瀝青混合料的制備過程：首先，拌鍋溫度為165℃，礦料溫度為175℃，按照普通熱拌瀝青混合方法拌和均勻，共拌和180s；然后，將蓄鹽物質(zhì)加入攪拌鍋中，再攪拌90s；最后，將熱瀝青混合料在145℃下?lián)魧?shí)，得到馬歇爾試件（d=101.6mm，h=63.5mm）或車轍板試件，然后切割成小梁。

蓄鹽瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 蓄鹽類瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)方案

2.1 路用性能測試

根據(jù)蓄鹽瀝青混合料的融雪機(jī)理，在荷載作用下，伴隨著毛細(xì)管抽提，蓄鹽物質(zhì)不斷析出，導(dǎo)致路面空隙率發(fā)生變化，路用性能下降。根據(jù)JTG E-20-2011測試蓄鹽瀝青混合料的水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和抗飛散性，分別用殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比、動(dòng)穩(wěn)定度、最大彎拉應(yīng)變和飛散損失表示。

2.2 模擬降雨沖刷試驗(yàn)

夏季降雨導(dǎo)致蓄鹽物質(zhì)析出，降低了蓄鹽瀝青混合料的融雪壽命，因此，本研究設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置，如圖1所示，評(píng)價(jià)降雨的影響。試驗(yàn)過程分為如下步驟：

圖1 模擬降雨的試驗(yàn)裝置圖

1）試件準(zhǔn)備。制備馬歇爾試件，以V-260為例。試件的底面及側(cè)面用防水材料密封，如圖2所示，靜置48h后進(jìn)行雨水沖刷試驗(yàn)。

圖2 密封的試件

2）確定降水量。1h或24h的降水量較小，試驗(yàn)誤差較大，因此采用年降水量。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》，按照年降雨量，我國分為干旱、半干旱、濕潤和潮濕四個(gè)區(qū)，每個(gè)分區(qū)的降水量如表3所示。試驗(yàn)過程中，打開盛水容器的閥門，使水順利流出，防止蓄鹽物質(zhì)從試件側(cè)面析出，這與路面的實(shí)際情況類似。用定量的水重復(fù)沖刷試件，以增加溶液中蓄鹽物質(zhì)的濃度，提高準(zhǔn)確性。當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定后結(jié)束沖刷，記錄循環(huán)次數(shù)，收集沖刷后的溶液，測量密度和溫度。

表3 降水量分區(qū)表

3）按式（1）計(jì)算蓄鹽物質(zhì)的析出百分率。

式中：M1為析出的蓄鹽物質(zhì)的質(zhì)量（g）；ρ為沖刷溶液的密度（g/ml）；ρ0為水的密度（g/ml）；m為沖刷液的質(zhì)量（g）；T為蓄鹽物質(zhì)析出百分率（%）；M2為馬歇爾試件的質(zhì)量（g）；r為鹽化物添加量（%）。

3 結(jié)果與分析

3.1 路用性能

3.1.1 水穩(wěn)定性

采用殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂殘留強(qiáng)度比表征水穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

圖3表明，摻加蓄鹽物質(zhì)后，水穩(wěn)定性下降明顯，但可以滿足規(guī)范要求。摻加V-260后，與未摻加時(shí)比，殘留穩(wěn)定度下降了7.1%，凍融劈裂強(qiáng)度比下降了5.8%，摻加MFL后，殘留穩(wěn)定度下降了10.2%，凍融劈裂強(qiáng)度比下降了6.6%。摻加MFL的瀝青混合料水穩(wěn)定性下降得更快。分析原因可知，馬歇爾試驗(yàn)試件必須在60℃水中浸泡0.5-48h，高溫加速了蓄鹽物質(zhì)的溶解，導(dǎo)致試件表面出現(xiàn)了較大的空隙率，水穩(wěn)定性下降。從微觀分析，集料表面含有高價(jià)陽離子,如Fe4+、Al3+等，可以與瀝青形成吸附層，發(fā)生化學(xué)吸附，而蓄鹽物質(zhì)析出后，形成了低價(jià)陽離子，如Na+、Ca2+等，與瀝青產(chǎn)生的吸附層不夠穩(wěn)定，使瀝青與集料剝離，造成水穩(wěn)定性下降。

3.1.2 高溫穩(wěn)定性

三種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度如圖4所示。與密集配瀝青混合料相比，摻加V-260后，動(dòng)穩(wěn)定度提高了23%，而摻加MFL后，動(dòng)穩(wěn)定度降低了16%，但均超出規(guī)范要求很多。分析原因可知，V-260的溶液呈堿性，且為外摻方式，礦粉的用量不變，保證了瀝青與集料之間的粘結(jié)，而MFL瀝青混合料降低的原因在于其本身的結(jié)構(gòu)，可分為兩部分，一部分是具有多孔結(jié)構(gòu)的礦物填料，為蓄鹽物質(zhì)的制備提供了載體，另一部分為氯基除冰劑。前者與瀝青粘結(jié)劑和常規(guī)填料具有良好的親和性，而后者對(duì)瀝青粘結(jié)劑的效果較差。特別是小于0.075mm的顆粒大小改變了混合物的結(jié)構(gòu)類型。因此，其動(dòng)穩(wěn)定度較V-260低。

圖4 高溫穩(wěn)定性

3.1.3 低溫抗裂性

三種瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變?nèi)鐖D5所示。其由大到小的順序依次如下：摻加V-260蓄鹽瀝青混合料（4834）、摻加MFL蓄鹽瀝青混合料（4440）和密集配瀝青混合料（4062）。與密集配瀝青混合料相比，摻加V-260后最大彎拉應(yīng)變提高了16.5%，摻加MFL瀝青混合料提高了9.3%，均滿足要求。分析原因，蓄鹽物質(zhì)析出后，削弱了骨料與瀝青膠黏劑之間的粘結(jié)性，降低了自愈能力，導(dǎo)致低溫抗裂性降低。

3.1.4 抗飛散損失

從圖6可以看出，在摻加V-260 之后，標(biāo)準(zhǔn)飛散損失沒有發(fā)生變化，而摻加MFL后，飛散損失增加了3.16%,但與規(guī)范值相比，標(biāo)準(zhǔn)飛散損失較小。從浸水飛散損失試驗(yàn)可以看出，摻加V-260后，飛散損失增加了0.78%，而摻加MFL后，飛散損失增加了5.28%。分析原因可知，標(biāo)準(zhǔn)飛散試驗(yàn)采用20℃浸水20h，而浸水飛散試驗(yàn)采用60℃浸水48h，在常溫水下且浸水時(shí)間較短，蓄鹽物質(zhì)析出較少，混合料的空隙變化較小，混合料之間粘結(jié)良好，而在高溫下，加速了蓄鹽物質(zhì)的析出，造成空隙率變化較大，尤其是MFL在60℃時(shí)析出最快，因此，浸水飛散試驗(yàn)對(duì)MFL的影響最大。

圖5 低溫彎曲試驗(yàn)

圖6 抗飛散損失

3.2 降雨對(duì)蓄鹽物質(zhì)析出的影響

3.2.1 模擬降雨試驗(yàn)結(jié)果分析

以循環(huán)次數(shù)為橫坐標(biāo)，析出百分率為縱坐標(biāo)，一個(gè)循環(huán)指一年的降水量，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同循環(huán)次數(shù)時(shí)鹽化物析出百分率圖

從圖7可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，蓄鹽物質(zhì)的析出百分率逐漸增加，并且趨于穩(wěn)定。以半干旱區(qū)為例，蓄鹽物質(zhì)的析出可以分為如下三個(gè)階段：第一階段為快速釋放期，在第10個(gè)循環(huán)之前；第二階段為平穩(wěn)釋放期，在第10-第25循環(huán)之間；第三階段為穩(wěn)定釋放期，在第25個(gè)循環(huán)之后。

其中，第一階段主要是在制備試件過程中，試件表面有一部分蓄鹽物質(zhì)，當(dāng)水沖刷試件時(shí)，快速溶解，導(dǎo)致析出。第二階段是表面和內(nèi)部較淺層次的蓄鹽物質(zhì)的析出，主要是在毛細(xì)管作用及分子熱運(yùn)動(dòng)的作用下持續(xù)不斷地溶解。第三階段是較深層次蓄鹽物質(zhì)的析出，這一階段的蓄鹽物質(zhì)析出較緩慢，這與路面實(shí)際情況一致，保證了蓄鹽瀝青路面融雪效果的長期性。

3.2.2 鹽分析出規(guī)律擬合

對(duì)圖7的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果顯示在表4中。

表4 蓄鹽物質(zhì)析出規(guī)律

從表4可以看出，鹽分的析出符合對(duì)數(shù)的形式T=alnx + b ，可根據(jù)該擬合函數(shù)預(yù)測降雨導(dǎo)致的蓄鹽物質(zhì)析出。雖然影響鹽分析出的因素很多，比如荷載、降雨量、降雨時(shí)長等，但這為其析出規(guī)律的研究提供了一定的價(jià)值。

4 結(jié)語

通過對(duì)比不同蓄鹽瀝青混合料的路用性能，并開發(fā)試驗(yàn)設(shè)備分析降雨對(duì)蓄鹽物質(zhì)析出的影響，得出以下結(jié)論：

1）蓄鹽瀝青混合料水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和抗飛散性均滿足要求，且高、低溫性能較好。

2）開發(fā)的試驗(yàn)設(shè)備可評(píng)價(jià)降雨對(duì)蓄鹽物質(zhì)析出的影響。

3）蓄鹽物質(zhì)的析出分為三個(gè)階段，符合對(duì)數(shù)公式。