低冰點瀝青混合料應用試驗

張朝旭

（石家莊市公路橋梁建設集團有限公司，河北 石家莊 050090）

冬季公路易積雪結冰，抗滑能力下降，嚴重危害交通安全。針對路面積雪結冰問題，傳統方法采取的是機械清除和撒布融雪劑等被動手段，效率低且污染環境。低冰點路面是一種新型路面，能夠抑制路面結冰。其原理是通過在瀝青混合料中添加低冰點填料，降低路面水的冰點。該填料在日常公路的使用過程中，會緩慢釋放到路面。

瀝青混合料路用性能的驗證是目前低冰點路面的主要研究方向，但對低冰點材料的抗凝冰、抗冰黏、吸附、滲透和擴散機理的研究尚不深入，對其使用壽命的評價和預估也并不統一。本文研究了低冰點材料在不同級配類型混合料中的釋放特性，討論了影響其釋放和擴散的因素，同時基于冰-路黏結特性討論了低冰點瀝青路面的使用壽命。

一、材料特性和試驗方法

此次試驗采用工程中常用的3mm～5mm、5mm～10mm和10mm～20mm的安山巖，0mm～3mm機制砂、石灰巖礦粉、70號基質瀝青、市售低冰點填料作為原材料。其結果表明，試驗所用的各項材料均符合有關規范要求。根據實際工程經驗，試驗采用常用的AC-13、SMA-13和OGFC-13混合料，選擇規范推薦的級配中值，并確定最佳瀝青用量。成型馬歇爾試件后切割為厚度2cm的薄片，并測試低冰點材料的釋放特性及其與冰層的界面黏結力。

釋放特性試驗是先把切割所得的薄片置于直徑14cm、深度8cm的容器中，并倒入150ml蒸餾水，以兩天為測試間隔，再測試各周期結束后溶液中有效成分的濃度。界面黏結力試驗是先通過控制材料測試系統開展拉拔試驗，再測試馬歇爾試件與表面冰面之間的冰-路界面黏結力。

二、有效成分釋放特性

本文在20℃、靜水壓力、低冰點填料摻量為3%的條件下，測試了各種類型低冰點混合料在各浸泡時長下所釋放的低冰點有效成分的釋放濃度，測量溶液中低冰點材料的單次濃度并計算其累積濃度。單次濃度為一次泡水循環中混合料釋放的低冰點材料濃度，可表征其釋放速率，而累積濃度為從泡水起至某一時間點時所有單次濃度的累加，可代表其釋放總量。

試驗結果表明，隨著時間增加，累計釋放濃度逐漸增加且增速隨著時間延長而降低，單次濃度逐漸減小且降速隨著時間延長而降低。隨著時間進一步延長，累計釋放濃度和單次濃度最終進入釋放平臺期，并保持穩定。

三、有效成分釋放影響因素

由文獻調研和前期試驗觀察可知，低冰點填料中有效成分的釋放規律復雜，可能受多方面因素共同影響。考慮到混合料的成型過程和級配特性，本文主要把混合料的級配類型、低冰點填料摻量和浸泡時的環境溫度作為主要影響因素，討論各因素單獨作用下低冰點材料的釋放特點。

各類型混合料中，AC-13與SMA-13有效成分的釋放速度十分接近。而OGFC-13前期有效成分的釋放速度明顯快于AC-13和SMA-13，后期釋放速度則與前述二者接近。通過對比不同溫度下AC-13中低冰點填料的釋放過程發現，溫度會影響多孔介質中分子擴散和對流傳質運動從而影響釋放速度。溫度越低，低冰點材料的釋放速度越慢，越高則越快。通過對比3%和6%兩種低冰點填料摻量下AC-13中低冰點填料的釋放過程發現，填料的摻量越大，浸泡溶液中的累積濃度越大。對于摻量為6%的實驗組，累積濃度約為0.50mol/L，相反參量為3%的實驗組累積濃度約為0.25mol/L，前者與后者的累計釋放濃度比值約為2。

四、融雪抑冰功能的壽命評估

壽命評價方法包括兩方面，一是確定壽命評價指標，二是根據確定的指標指定合理的評價標準。本文以冰-路界面黏結力恢復常規值時的單次濃度作為臨界有效成分濃度，并以其作為評價標準，評價不同類型低冰點瀝青混合料的使用壽命。

路面的冰分為降雪結冰和凍雨凝冰，前者是指車輛在行駛過程中碾軋積雪，導致其結冰并黏附在路面；后者是指降雨過程中自然下落的雨水入滲道路表面的紋理中，在低溫環境下結成冰層并黏附在路面。盡管二者的成因有所差異，但最后形成的冰-路界面狀態是近似的，因此選擇冰-路界面黏結力作為低冰點瀝青路面的壽命評價指標，可準確評估低冰點有效成分是否仍然能夠起到抑制路面結冰的作用。控制填料摻量按一定間隔變化，選用兩種不同濃度的低冰點填料，按照規范要求制備30cm×30cm×5cm的車轍板試件，對比融雪效果可以發現，其他條件一定時，低濃度填料所成型的車轍板的融雪能力弱于高濃度填料；對于同種填料而言，融雪能力隨著有效成分的釋放總量增加而增加，可見融雪抑冰能力取決于有效成分濃度，說明臨界有效成分濃度作為評價標準是合理有效的。

首先，測試普通瀝青混合料的黏結力，以各級配類型混合料的平均值作為其對應的參考值。隨后，對不同類型的低冰點瀝青混合料開展重復結冰和融化試驗，測試結冰狀態下的冰-路界面黏結力，并測試冰面融化中所含的低冰點有效物質濃度。隨著重復次數增加，低冰點有效成分逐漸流失，低冰點混合料的冰-路界面黏結力逐漸增加，最后趨于與普通瀝青混合料一致。該重合點即為低冰點混合料的壽命失效點。根據該點的有效成分濃度值，結合前文所述的有效成分釋放特性，可計算出低冰點路面在經歷多少次降雨后會失效，同時考慮降雨頻率雨量大小統計數據，即可將低冰點路面壽命的單位轉化為年，便于直觀比較。由于黑龍江省哈爾濱市屬于典型的北方冰雪地區，后續換算均按照該地區的氣候條件。

不同級配類型低冰點混合料的界面黏附力均隨著循環穩步上升，最后達到普通混合料所處的水平并保持穩定。低冰點AC-13試件的冰-路界面黏結力從最低值到與普通AC-13持平維持了9個凍融周期，根據有效成分釋放特性估算需要浸泡試件為39天，統計降雨量和降雨頻次可得低冰點AC-13的使用壽命為2.5年。同理，換算得到低冰點SMA-13的使用壽命為2.2年，低冰點OGFC-13的使用壽命為1.7年。可見，OGFC-13由于具備較大的孔隙率和豐富的連通孔隙，受水侵蝕顯著，其融雪抑冰的使用壽命顯著低于AC-13和SMA-13。而SMA-13盡管具有和AC-13近似的孔隙率與密實的內部結構，但其表面構造深度較大，與水的接觸面積更大，因此其受水的侵蝕較AC-13更嚴重，融雪抑冰的使用壽命較AC-13要短。

五、結語

本文通過室內試驗，研究了低冰點瀝青混合料中低冰點材料的有效成分釋放特性，得出釋放速度先快后慢的特點；分析了有效成分的釋放影響因素，發現孔隙率增加和溫度升高會提高釋放速度，填料摻量增加會提高累積濃度；評價了低冰點瀝青混合料的使用壽命，得出低冰點AC13、SMA-13和OGFC-13的使用壽命分別約為2.5年、2.2年和1.7年。