抗凝冰填料瀝青混合料路用性能研究

吉玉梅，李耀業(yè)

（1.新疆路橋試驗(yàn)檢測(cè)研究所，新疆 烏魯木齊 831400；2.新疆交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司）

1 引言

路面冰凍是我國(guó)北方地區(qū)普遍存在的現(xiàn)象，尤其是在初冬或殘冬季節(jié)。該時(shí)期氣溫冷暖交替，路面表面的降雪在行車(chē)荷載作用下逐漸融化，在負(fù)溫作用下極易形成薄冰，且該現(xiàn)象具有出現(xiàn)頻率高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、不易清除、使路面抗滑性下降、對(duì)交通影響嚴(yán)重、導(dǎo)致路面損傷等特征[1]。路面冰凍不但會(huì)嚴(yán)重影響交通運(yùn)輸效率，給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)不便，甚至可能會(huì)造成生命和財(cái)產(chǎn)的損失[2，3]。

冰凍現(xiàn)象發(fā)生后，為了盡快恢復(fù)交通，通常會(huì)采取一定的除冰雪措施。目前，較為常見(jiàn)的抑制路面凝冰處理技術(shù)有被動(dòng)抑制路面凝冰技術(shù)和主動(dòng)抑制路面凝冰技術(shù)兩大類(lèi)[2]。被動(dòng)除冰雪措施主要采用人工、機(jī)械除雪方式進(jìn)行，傳統(tǒng)的除冰雪技術(shù)中人工除雪方式效率低，而機(jī)械除冰雪措施易對(duì)路面造成硬損傷，加速路面損傷松散細(xì)集料的剝落；主動(dòng)式融冰雪技術(shù)主要采用外能源熱力融冰雪和自能源融冰雪技術(shù)，自能源融冰雪技術(shù)主要是在混合料中添加橡膠顆粒、鹽化物和相變材料實(shí)現(xiàn)融雪功能[4-6]。

Mafilon抗凝冰材料是鹽化物系的一種，為粉末狀材料，具有與礦粉相似的級(jí)配，可以置換瀝青混合料中的部分或全部礦粉。置換量一般為5%-7%，文章通過(guò)Mafilon抗凝冰材料的使用，采取7%的礦粉置換量，研究抗凝冰材料瀝青混合料的路用性能，為除冰雪路面的研究提供參考。

2 作用機(jī)理

Mafilon抗凝冰材料為粉末狀物質(zhì)，其多孔結(jié)構(gòu)的火山巖包裹氯化物的多孔結(jié)構(gòu)具有使凝固點(diǎn)下降作用[7-9]。該材料替代礦粉后均勻分布在瀝青混合料中，由于瀝青混合料內(nèi)部濃度較高、空間狹小，在滲透壓和拉烏爾定律自然滲透下，鹽分逐漸向濃度較低的路面表面析出，并迅速溶于水中，使水的液相蒸汽壓下降，但冰的固態(tài)蒸汽壓不變。為達(dá)到冰水混合物的固液蒸汽壓的平衡，冰雪開(kāi)始融化，從而防止和延緩冬季路面的冰凍。

3 原材料

3.1 瀝青

采用東海SBS（I-C）改性瀝青，基本性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 抗凝冰填料技術(shù)指標(biāo)

3.2 抗凝冰材料

Mafilon抗凝冰材料由山東生態(tài)新材料有限公司生產(chǎn)，其主要特征與礦粉相似，具有與礦粉粒度相似的級(jí)配，由于其短時(shí)間難融與水，密度試驗(yàn)采用李氏瓶排油法測(cè)定，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表3 混合料級(jí)配組成

4 配合比設(shè)計(jì)

4.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

瀝青混合料級(jí)配結(jié)構(gòu)采用AC-13C型，混合料級(jí)配組成見(jiàn)表3。

表4 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表5 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4.2 最佳油石比確定

按照確定的集料級(jí)配，采用傳統(tǒng)馬歇爾設(shè)計(jì)法，根據(jù)瀝青混合料室內(nèi)拌和與擊實(shí)溫度規(guī)定，制備瀝青混合料，確定抗凝冰瀝青混合料的最佳油石比，最佳油石比結(jié)果見(jiàn)表4。

通過(guò)表4試驗(yàn)結(jié)果得出：最佳油石比確定在4.7%時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求。根據(jù)表4未摻加抗凝冰材料的AC-13C密級(jí)配瀝青混凝土混合料最佳油石比，筆者將抗凝冰材料以瀝青混合料質(zhì)量的7%置換混合料中的礦粉進(jìn)行了馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，并與未摻加抗凝冰材料瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

由表5可知，未摻加抗凝冰材料與抗凝冰材料置換量為7%的瀝青混合料各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求，且各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果相差不大，說(shuō)明抗凝冰材料以瀝青混合料質(zhì)量的7%置換混合料中的礦粉對(duì)混合料體積參數(shù)影響較小。

表6 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

5 路用性能研究

瀝青混合料是一種感溫性材料，高溫時(shí)表現(xiàn)為粘彈性狀態(tài)，低溫時(shí)為彈性玻璃體狀態(tài)，其性能受溫度影響較大，同時(shí)，路面長(zhǎng)期在行車(chē)荷載作用下以及環(huán)境等因素影響下極易產(chǎn)生各種病害，因此抗凝冰瀝青混合料路面不僅要滿(mǎn)足抗凝冰要求還必須具備良好的路用性能。為研究抗凝冰填料置換礦粉對(duì)混合料性能的影響，本文通過(guò)試驗(yàn)對(duì)抗凝冰填料瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性及低溫抗裂性能進(jìn)行了綜合分析。

5.1 高溫穩(wěn)定性

通過(guò)車(chē)轍動(dòng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)抗凝冰瀝青混合料高溫穩(wěn)定性，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E20-2011成型車(chē)轍板[10]，在60℃條件下保溫6h進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

從表6試驗(yàn)結(jié)果可以看出，瀝青混合料高溫性能指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求，均不小于2800次/mm，具有較好的高溫性能；以7%瀝青混合料質(zhì)量置換礦粉后，瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度較未置換礦粉條件下結(jié)果下降14.9%，說(shuō)明抗凝冰材料會(huì)對(duì)瀝青混合料高溫性能產(chǎn)生影響，分析其原因?yàn)榭鼓牧厦芏容^普通礦粉小，通過(guò)置換一定比例礦粉后瀝青混合料密度降低，空隙率增大，混合料動(dòng)穩(wěn)定度下降，車(chē)轍深度加深，混合料高溫抗車(chē)轍性能下降。

表7 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

圖1 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表8 瀝青混合料低溫性能指標(biāo)

5.2 水穩(wěn)定性

水損害為瀝青路面主要病害之一，嚴(yán)重危害路面使用性能。研究采用浸水馬歇爾試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)進(jìn)行抗凝冰瀝青混合料水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，按試驗(yàn)規(guī)程成型馬歇爾試件，在60℃分別保溫30min和48h進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，浸水馬歇爾試件結(jié)果如圖1所示；再成型2組馬歇爾試件，其中一組進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表9 冰點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

表10 融冰試驗(yàn)結(jié)果

由圖1和表7可以看出，馬歇爾殘留穩(wěn)定度在進(jìn)行礦粉置換后均出現(xiàn)下降。同時(shí)，進(jìn)行礦粉置換后凍融劈裂強(qiáng)度也有所降低，表明抗凝冰材料置換礦粉后混合料水穩(wěn)定性變差，但仍能滿(mǎn)足規(guī)范要求。

5.3 低溫抗裂性

通過(guò)低溫彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料低溫抗裂性能，按試驗(yàn)規(guī)程成型小梁減件進(jìn)行加載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

從表8試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，兩種瀝青混合料低溫性能指標(biāo)遠(yuǎn)大于規(guī)范值要求，瀝青混合料彎拉應(yīng)變相差不大，說(shuō)明采用抗凝冰材料置換混合料中礦粉不影響瀝青與礦料粘結(jié)強(qiáng)度及瀝青混合料均勻性，瀝青混凝土具有較好的低溫抗變形能力。

圖2 雪層剝離

圖3 路面積雪融

5.4 除冰效果評(píng)價(jià)

①冰點(diǎn)試驗(yàn)。

按輪碾法成型車(chē)轍試件，切割尺寸為100mm×100mm×50mm試驗(yàn)用若干試塊備用；試驗(yàn)溫度設(shè)置為-5℃、-10℃、-15℃和-20℃四檔，每檔溫度需2個(gè)試塊進(jìn)行平行試驗(yàn)。冰點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。

從表9可知，添加7% Mafilon的冰層與試件粘結(jié)強(qiáng)度明顯低于未進(jìn)行置換的試件，在-20℃時(shí)粘結(jié)強(qiáng)度差值達(dá)到最大0.34MPa，除冰效果較好。

②融冰試驗(yàn)。

為了評(píng)價(jià)鹽化物融冰雪能力，采用一定質(zhì)量的冰塊與摻加融雪劑低溫養(yǎng)生馬歇爾試件在-5℃環(huán)境箱內(nèi)進(jìn)行融冰試驗(yàn)，以2h融冰率即冰塊質(zhì)量損失率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，即融冰率。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10。

從表10試驗(yàn)結(jié)果可知：添加7%的Mafilon的試件融冰能力，質(zhì)量損失率達(dá)到23.8%，未置換的冰塊未融化，質(zhì)量未損失，表明添加Manon有助于更好地融冰。

③工程試驗(yàn)。

為觀察抗凝冰填料瀝青混合料融雪除冰效果，通過(guò)對(duì)試鋪路段的實(shí)際觀測(cè)來(lái)判別抗凝冰材料的抗凝冰性能，并結(jié)合氣候條件和冰雪狀態(tài)評(píng)價(jià)試驗(yàn)段的抗凝冰效果。

2018年11月22日，天氣多云，氣溫-10℃～-17℃，經(jīng)連續(xù)多日降雪，地面已被雪層覆蓋。本次觀測(cè)實(shí)地圖片如圖2、圖3所示。

由圖可看出，抗凝冰材料摻入瀝青混合料后使路面具備了抗凝冰功能，可在低溫下使雪層與路面發(fā)生剝離，并緩慢使冰雪融化。在該條件下，路面無(wú)附著冰面，使路面行駛操控性大幅提高，達(dá)到安全行駛條件。

6 結(jié)語(yǔ)

①抗凝冰材料（Mafilon）部分置換礦粉作為瀝青混合料的填料，其各項(xiàng)性能均能滿(mǎn)足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

②Mafilon置換瀝青混合料中的礦粉對(duì)瀝青混合料高溫性能、水穩(wěn)定性能具有一定影響，對(duì)低溫抗裂性能影響不大。

③從工程試驗(yàn)路面的除冰雪效果看，摻加了Mafilon的瀝青混凝土路面具有較好的除冰雪效果，抗凝冰材料的添加對(duì)瀝青混凝土路面融雪除冰具有的效果，但同時(shí)也對(duì)混合料其他性能產(chǎn)生一定程度的影響。建議結(jié)合材料特性，確定合理的評(píng)價(jià)周期、試驗(yàn)條件和評(píng)價(jià)方法近對(duì)混合料的耐久性進(jìn)行進(jìn)一步研究。