缓释型抗冰冻SMA混合料的优化设计及路用性能研究

王文峰，吴冬生，吴春颖，章荣福，牛晓伟，朱浩然

（1.苏交科集团股份有限公司，江苏南京 210000；2.镇江市五凤口高架工程现场指挥部，江苏镇江 212000）

缓释型抗冰冻SMA混合料的优化设计及路用性能研究

王文峰1，吴冬生1，吴春颖1，章荣福2，牛晓伟1，朱浩然1

（1.苏交科集团股份有限公司，江苏南京 210000；2.镇江市五凤口高架工程现场指挥部，江苏镇江 212000）

通过对级配组成、添加方式及制备工艺进行调整，确定了缓释型抗冰冻SMA混合料的设计方法，通过高温车辙、浸水马歇尔、低温小梁弯曲、析漏试验、肯塔堡飞散等试验并对抗冰冻混合料的路用性能进行验证。并研究了抗冻剂掺量和水泥对混合料水稳定性能的影响。结果表明：添加抗冰剂，普通SMA混合料的空隙率明显增加，水稳定性能降低。当添加1.5%水泥，基础目标空隙率控制为3%，油石比6.2%时，SMA混合料的抗水损害能力改善，高温性能显著提高，析漏飞散等其它路用性能皆符合JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求，同时具有良好的主动除冰雪性能。

道路工程；沥青混合料；抗冰冻技术；优化设计；路用性能

0 引言

缓释型抗冰冻铺装技术，也称盐化物自融雪技术，是在路面铺装材料中添加一定量的化学类抑制冻结的添加剂（盐化物等），路面遇到降雪同时受到压缩、振动、磨损等因素时，盐化物缓慢的向路表进行释放，从而破坏冰雪与路表的粘结，达到融冰化雪的目的。瑞士、欧洲等国家早在20世纪60年代开始研究应用缓释型抗冰冻路面[1]，日本于20世纪70年代引入该种路面形式，并于20世纪90年代初期成功地进行了创新性研究[2]。目前国际上主要的抗冻结材料有瑞士的Verglimit（以下简称LLM）和日本的Mafilon。我国直到2008年才开始引入此项技术。孙玉齐[3]对添加Mafilon的抗冰冻沥青路面进行了研究，结果表明，Mafilon采用填料体积等效置换法修正配合比设计，制备的缓释型抗冰冻沥青混合料常规路用性能均能满足要求；崔龙锡[4]对缓释型抗冰冻AC混合料进行了研究，采用LLM材料作为抗冻剂，结果表明，抗冻剂的缓释并没有对密级配沥青混合料路用性能产生显著影响。

而目前针对SMA结构的抗冰冻混合料相关研究较少，本文选用SMA结构的沥青混合料和LLM，通过对级配组成、添加方式及制备工艺进行调整，确定了缓释型抗冰冻SMA混合料的设计方法，通过高温车辙、浸水马歇尔、低温小梁弯曲、析漏试验、肯塔堡飞散等试验，对抗冰冻混合料的路用性能进行验证，并研究了抗冻剂掺量和水泥对混合料水稳定性的影响。

1 原材料

采用自制的SBS改性沥青，技术指标如表1所示；粗集料来自兴源采石厂，细集料来自茅迪采石厂，矿粉填料出产自泉水采石厂，集料的各项技术性能如表2所示，均满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求；木质素纤维，JLS-SMA-1，长度均值0.8 mm，灰分含量15.3%，pH值7.1，含水率3.5%，吸油率5.46倍，耐热温度230℃。

表1 沥青的技术指标

表2 集料的技术性能

试验所用抗冻结材料为瑞士生产的LLM，毛体积密度1.8 g/cm3，粒径0.1～5.0 mm，融点260℃，溶液pH值11～12。LLM具有良好的温度稳定性，根据厂商使用要求，LLM可直接以外掺的方式加入路面混合料拌和过程。

2 初试配合比设计及性能验证

2.1 配合比设计

试验选用的LLM可采用外掺法直接添加到沥青混合料中，其余设计与普通SMA混合料设计方法相同，其中木质素纤维掺量为SMA混合料的0.3%。依据JTG F40—2004中对SMA-13混合料的级配范围要求选取矿料级配，具体见表3。通过马歇尔试验方法确定最佳沥青用量为6.0%。

表3 沥青马蹄脂混合料SMA-13的矿料级配

2.2 马歇尔试验及水稳定性能验证

2.2.1 马歇尔试验

根据国内外调研[5]，确定LLM掺量5.5%，直接外掺加入到普通SMA混合料中制备缓释型抗冰冻SMA混合料。依据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》制备2种混合料的马歇尔试件，通过试验计算试件的空隙率及其体积指标，具体如表4所示。

表42 种混合料的体积指标

由表4可知，掺入5.5%LLM后，SMA混合料的体积指标明显发生变化。普通SMA混合料的空隙率为3.9%，符合JTG F40—2004的要求，而添加LLM后，混合料空隙率增至5.7%，增加46%；矿料间隙率增加7%。由此看出，LLM的加入影响沥青混合料的体积指标，尤其是大大增加了混合料的空隙率。

2.2.2 水稳定性能试验

张玉福等[6]的研究指出，随着空隙率的增大，SMA混合料的水稳定性逐渐降低，空隙率与水稳定性指标存在显著的线性相关性，相关系数高达0.98以上。故本文首先对添加LLM的抗冰冻混合料进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，以验证混合料的水稳定性能，试验结果见表5。

表5 抗冰冻混合料水稳定性能试验结果

表5结果表明，加入LLM后，沥青混合料的残留稳定度和劈裂强度比均大幅度下降，劈裂强度比下降为75.6%，而残留稳定度下降为67.8%，均不符合JTG F40—2004要求。

综上可知，LLM对SMA混合料的体积指标有很大的影响，其中空隙率明显增大，导致其水稳定性能快速下降，严重影响了混合料的抗水损害能力[7-8]。所以在制备抗冰冻混合料时直接外掺LLM的方法需进行调整，本文通过对空隙率以及油石比的控制，同时对添加制备工艺调整，进行抗冰冻SMA混合料的优化设计。

3 抗冰冻SMA混合料优化设计

3.1 级配优化思路

LLM的粒径为0.1～5.0 mm，试验表明，抗冻结材料质地较软且具有缓释性、吸湿性，不满足JTG F40—2004对集料的要求，所以仍采用外掺的方式添加，其混合料设计在普通沥青混合料基础上进行。根据上述实验，本研究考虑降低SMA混合料的设计空隙率，首先依照规范以4.75 mm筛孔为控制筛孔，选择未添加LLM的SMA混合料的2种级配组成，级配组成如表6所示。并测试2种试验级配在干燥状态下的堆积密度，结果如表7所示。

表6 SMA混合料的矿料级配组成

表72 种试验级配在干燥状态下的堆积密度

根据2种级配组成成型马歇尔试件，按表干法（T0705—2000）测试沥青混合料密度，计算沥青混合料各项体积指标，结果如表8所示。

表8 设计级配的马歇尔试验结果

JTG F40—2004对SMA混合料的空隙率要求为3%～4%，由表8可知，级配A的空隙率为4.8%，不符合优化初衷。同时根据2.2试验结果可知，LLM的添加会显著增加混合料的空隙率，级配B空隙率为3.0%，满足基础配合比设计降低空隙率和VMA的最低要求。所以试验确定级配B为抗冰冻混合料的级配设计值。

3.2 最佳油石比的确定

国内设计SMA混合料一般以设计空隙率为确定沥青混合料最佳沥青用量的控制指标[9]。由于SMA混合料透水性强，空隙率不宜超过4.5%，同时为避免发生泛油或车辙严重的现象，空隙率不宜太低。本文以设计空隙率为关键控制因素，在我国交通气候条件下，综合考虑高温稳定性及水稳定性能将设计空隙率定为4%。根据3.3的制备要求，分别采用5.9%、6.2%、6.5%的油石比进行马歇尔试验，计算其体积指标，结果见表9。

表9 不同油石比下的2种混合料的体积指标

由表9可以看出，按照设计空隙率为4%的要求，普通SMA混合料的沥青用量为5.9%时，空隙率为4.1%，而掺加5.5%LLM后抗冰冻SMA混合料的最佳沥青用量为6.2%，掺加LLM后混合料的油石比需增加约0.3个百分点。

3.3 抗冰冻材料的添加要求

经过多次试验研究发现，制备缓释型抗冰冻混合料可以外掺的方法将LLM加入到沥青混合料中，但在混合料设计和制备过程中应该进一步调整设计方法及掺加工艺，以满足制备要求。

（1）LLM的质地不坚硬，在拌和过程中需注意拌和时间，一般实验室拌和时间为30～40 s，同时要保证充分裹覆；

（2）添加LLM的过程中需要考虑其对拌和及制备工艺的影响，严格控制烘料、拌和及压实温度，LLM以冷料添加时可适当提高拌和温度5～10℃。

3.4 路用性能验证及影响因素分析

3.4.1 路用性能验证

依照JTG E20—2011的规定对抗冰冻混合料的水稳定性能及高温稳定性能进行验证，由于LLM的吸水性及缓释性对低温性能试验有较大影响，故低温抗裂试验选择将试件进行空气浴保温至-10℃，然后进行测试，结果见表10。

从表10可以看出，通过设计方法的调整，掺加5.5%LLM后，抗冰冻SMA混合料的路用性能基本符合JTG F40—2004要求，但水稳定性能有所降低，其中劈裂强度比下降为80.2%。3.4.2影响因素分析

基于LLM添加降低了SMA混合料的水稳定性能，考虑调整LLM的用量以及添加适当的水泥作为抗剥落剂，研究抗冰冻SMA混合料水稳定性能的变化，测试结果见表11。

表11 不同抗冰冻SMA混合料的水稳定性能试验结果

由表11可知，与掺5.5%LLM相比，掺4.5%LLM的抗冰冻SMA混合料水稳定性能变化不大。说明在4.5%～5.5%的掺量范围内，改变LLM掺量对SMA混合料的水稳定性能影响不大。而用1.5%的水泥替换部分矿粉填料后，抗冰冻SMA混合料的水稳定性能有了较大幅度的提高。说明添加一定量的水泥作为抗剥落剂能明显提高SMA混合料的抗水损害能力。

4 除冰雪性能验证

本文设计冰层与路面粘结试验以模拟冬季寒冷气候下路面凝冰情况，通过定性的测试路面与冰雪的凝固力。为了方便直观地观察抗冰冻路面的除冰雪效果，采用普通SMA混合料和抗冰冻SMA混合料配合，用轮碾法各成型1块车辙板养护24 h后，表面洒水，在-5℃的条件下冰冻16 h，观察车辙板的冰冻情况，结果如图1、图2所示。

图1 抗冰冻SMA混合料的冰冻情况

图2 普通SMA混合料的冰冻情况

从图1、图2看出，经过在-5℃冰冻保温16 h后，普通混合料车辙板表面已结冰，添加LLM后，沥青混合料车辙板表面没有明显的结冰情况，除冰雪效果良好，能延迟并持续融化路表面冰雪，并能够减少积雪冰层与路面的粘结强度，提高人工机械除雪效率。

5 结论

（1）添加LLM可以改变普通SMA混合料的体积指标，混合料的空隙率明显增加，从而导致SMA混合料的水稳定性能大幅度降低。

（2）抗冰冻SMA混合料的设计可以在普通SMA混合料的基础配合比上进行设计，其目标空隙率比最终抗冰冻SMA的设计空隙率降低1%～2%，最佳油石比增加0.1～0.3个百分点。LLM的添加过程中需控制拌和时间和温度，为保证充分裹覆拌和时间在30～40 s，而因LLM以冷料添加可适当提高拌和温度5～10℃。

（3）缓释型抗冰冻SMA混合料的路用性能基本符合JTG F40—2004要求，但添加LLM后，SMA混合料的水稳定性能有所下降。LLM的掺量在4.5%～5.5%时，改变其掺量对SMA混合料的水稳定性能变化不大。而添加一定量的水泥作为抗剥落剂时，可以明显提高抗冰冻SMA混合料的水稳定性能。

（4）优化后的混合料抗冰冻性能亦较为理想。抗冰冻混合料在-5℃条件下结冰较少，具有一定的除冰雪性能。

[1]王联果，张建华，刘洋.冰雪路面冻滑抑制的技术对策[J].公路交通技术，2008（3）：28-32.

[2]张传良，张丽娟，吴喜荣，等.化学类冻结抑制路面在国外公路中的应用[J].交通标准化，2010（15）：49-52.

[3]孙玉齐.盐化物自融雪沥青路面性能研究[D].西安：长安大学，2011.

[4]崔龙锡.蓄盐类沥青混合料研究[D].重庆：庆交通大学，2010.

[5]Dan Han-Cheng，He Lin-Hua，Zou Jin-Feng，et al.Laboratory study on the adhesive properties of ice to the asphalt pavement of highway[J].Cold Regions Science and Technolo gy，2014，7（13）：104-105.

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[8]谭忆秋，孙嵘蓉，郭猛，等.蓄盐沥青混合料除冰雪性能研究[J].中国公路学报，2013（1）：23-29.

[9]王俏，孟勇军，时建刚，等.抗凝冰集料沥青混合料性能研究[J].新型建筑材料，2012（6）：62-64.

Research on road performance and optimal design of sustained-release anti-freeze SMA

WANG Wenfeng1，WU Dongsheng1，WU Chunying1，ZHANG Rongfu2，NIU Xiaowei1，ZHU Haoran1
（1.JSTI GROUP，Nanjing 210000，China；2.Zhenjiang Wufengkou Elevated Project Headquarters，Zhenjiang 212000，China）

Design method of sustained-release anti-freeze SMA is determined by adjusting its graduation，adding mode and preparation process.Road performance of freezing-proof mixture is evaluated through rutting test，immersed Marshall test，beam bending test，leakage test and Cantabro test etc.And impact of the amount of freezing-proof agent and addition of cement on water stability is researched.The results show that with the addition of anti-icing agent，the void fraction of the common SMA mixture was significantly increased，and water stability was decreased.When adding 1.5%cement，3%basic target porosity and 6.2% asphalt-aggregate ratio respectively，water stability and high temperature performance are improved and other road performance of sustained-release anti-freeze SMA basically meet the requirements of JTG F40—2004"Technical code for road asphalt pavement construction".Sustained-release anti-freeze SMA has a certain anti-ice-snow ability.

road engineering，asphalt mixture，freezing-proof technology，optimal design，road performance

TU528.37；U414.7+5

A

1001-702X（2016）07-0042-04

交通运输部应用基础研究项目（2014319775130）；

江苏省自然科学基金（青年基金）项目（BK20150074）

2015-10-26；

2015-12-10

王文峰，男，1981年生，黑龙江佳木斯人，硕士，主要从事新型道路材料研究。