盐化物融雪沥青混合料路用性能及应用研究

(河北省高速公路荣乌管理处，河北 保定 072550)

0 引言

我国北方地区天气寒冷，受冰雪危害的影响较为严重，特别是在冬季大部分公路路面基本处于积雪和结冰状态，为保证道路的安全运行需及时对路面积雪进行清除[1]。目前，我国采用的除雪技术主要为人工加机械辅助的方式，该方法不仅会耗费大量人力和物力，更会对路面结构和环境造成一定破坏。因此，深入研究融雪沥青混合料在公路工程中的应用具有重要意义[2-5]。

近年来，国内学者关于融雪沥青混合料的性能及材料特性等进行了大量研究。如张争奇等[6]关于储盐类融雪抑冰材料对沥青混合料性能影响展开研究，分析了融雪抑冰的主要材料类型、作用机理、评价方法及应用效果等，并探讨了材料对沥青混合料融雪抑冰功能和路用性能的影响；肖劲松等[7]关于物理-化学综合融雪除冰沥青混合料展开研究，分别就盐化物融雪剂的选择、橡胶颗粒的掺入方法、物理-化学融雪除冰沥青混合料配合比设计、物理-化学融雪除冰沥青混合料的成型工艺等4个方面进行了深入研究，为解决冬季道路冰雪问题提供了新的思路和途径；刘子铭等[8]关于超薄盐化物自融雪沥青混合料融雪性能展开研究，以溶液电导率作为评价指标来表征溶液中盐分浓度大小，间接评价自融雪沥青混合料的融雪化冰效果；采用灰熵法分析不同影响因素对融雪性能的显著性，并对其融雪机理进行探讨；李根等[9]关于融雪沥青混合料融雪效果长效性评价方法进行研究，选择了两类融雪填料，在材料路用性能研究的基础上，基于相似性原理建立了饱水模型，采用溶液电导分析法研究了融雪沥青混合料中融雪填料的析出变化规律，并提出融雪长效性预估模型。上述研究主要是针对融雪防冰材料、物理-化学融雪除冰方法及融雪长期性效果展开分析，而关于盐化物融雪沥青混合料的应用研究仍需进一步完善。基于此，本文针对盐化物融雪沥青混合料的路用性能及实际工程应用效果展开试验研究，其成果可为公路融雪路面研究提供有益参考。

1 原材料

沥青混合料中掺入盐化物主要是为了起到降低冰点及破冰融雪的作用，通过利用盐化物部分或全部替代混合料中的矿粉来制作盐化物融雪沥青混合料，其主要材料如下：

盐化物：采用由日本生产的Mafilon材料，是一种通过特殊工艺将氯化钠灌入火成岩多孔结构后所得的新型材料，主要化学成分包含：MgCI、CaCI、SiO2及NaCI等，其中NaCI作为有效成分占比在55%左右。MFL主要技术参数见表1。

表1 MFL主要技术参数Table 1 MFL main technical parameters材料密度/(g·cm-3)含水量/%含盐量/%pH值颗粒含量筛选结果/%<0.6 mm<0.15 mm<0.075 mmMFL2.2860.28578.210091.274.9

沥青：试验选用SBS改性沥青，SBS改性沥青主要技术指标见表2。

集料：粗集料采用骨料粒径为10～15、5～10 mm的玄武岩碎石，与沥青粘附性为5级，表观密度为2.76 g/cm3，压碎值为12.2%，洛杉矶磨耗损失为12.5%，吸水率为1.42%，针片状含量为7.2。细集料采用骨料粒径为0～3 mm的玄武岩机制砂，表观密度为2.82 g/cm3，砂当量为69%，吸水率为1.28%。

表2 SBS改性沥青技术指标Table 2 Technical indicators of SBS modified asphalt项目15 ℃密度/(g·cm-3)闪点/℃针入度(25 ℃,100g,5s)/0.1mm针入度指数PI规范取值实测≥23040～60≥0试验结果1.082342520.11延度(5℃,5 cm/min)/cm软化点/℃135 ℃动力粘度/(Pa·s)薄膜烘箱试验质量损失/%针入度比25℃/%延度5℃/cm≥25≥65≤3≤±0.6≥70≥2032752.40.147323

矿粉：采用由石灰岩碎石打磨后所得矿粉，其主要技术参数见表3。

表3 矿粉主要技术参数Table 3 Main technical parameters of mineral powder材料密度/g·cm-3 含水量/%亲水系数塑性指数颗粒含量筛选结果/%<0.6mm<0.15mm<0.075mm矿粉2.6620.60.723.110092.179.3

2 配合比设计

盐化物沥青混合料的设计工艺和制备流程等与基质沥青混合料基本一致，唯一区别是盐化物沥青混合料需采用MFL材料部分或全部代替矿粉。根据对比盐化物和矿粉物理参数发现，盐化物的密度要大于矿粉密度，在设计配合比时若采用等质量置换法进行替代，将会导致矿粉体积增大，容易造成沥青混合料流动性下降，因此替代过程选用不会对矿粉体积造成影响的等体积置换法，同时对沥青混合料配合比的合成级配及时进行修正。为了研究盐化物掺量对沥青混合料路用性能的影响及确定最佳盐化物掺量，同时设计盐化物掺量分别为0%、2%、4%及6%的4种配合比方案进行沥青混合料路用性能对比试验，确定材料设计比例见表4[9-12]。

表4 盐化物沥青混合料配合比设计Table 4 Mixing ratio design of salted asphalt mixture设计方案盐化物/%矿粉/%沥青含量/%粗集料含量/%5～10mm10～15mm细集料含量/%木质纤维含量/%一0962742150.4二2762742150.4三4562742150.4四6362742150.4

3 路用性能分析

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)规范要求，盐化物融雪沥青混合料高温稳定性、低温稳定性及水稳定性分别采用动稳定度车辙试验、小梁弯曲试验以及劈裂强度测试的试验方法，对冻融循环作用下不同配合比方案的沥青混合料路用性能展开综合比较，试验结果如下：

3.1 低温稳定性

盐化物沥青混合料低温稳定性的好坏主要通过劈拉强度和最大拉应变进行评价，通过对4种配合比方案进行小梁弯曲试验，并针对冻融作用下不同设计方案的沥青混合料弯拉强度及最大拉应变变化规律展开对比分析，结果如图1所示。

(a) 弯拉强度

(b) 最大拉应变

Figure 1 Low temperature stability performance curve of asphalt mixture under freeze-thaw action

根据图1(a)可知，沥青混合料中掺入盐化物对提高劈拉强度效果显著，随着盐化物掺量的增加，沥青混合料的劈拉强度呈不断增大趋势，其中采用方案二、三的沥青混合料劈拉强度增强效果要远小于方案四，说明盐化物掺量过少时，对沥青混合料劈拉强度的提升效果较小，而采用方案四时，对沥青混合料劈拉强度的提升效果显著。不同方案的盐化物沥青混合料劈拉强度均随着冻融循环次数的增加而不断减小，原因是由于冻融循环的作用，空气中介质通过沥青混合料的孔隙结构渗入其中，导致混合料内部原材料之间的粘结强度下降，从而降低了沥青混合料的劈拉强度。

根据图1(b)可知，盐化物的掺入对提高沥青混合料最大拉应变效果同样显著，随着盐化物掺量的增加，沥青混合料的最大拉应变呈不断增大趋势，其中采用方案二、三的沥青混合料最大拉应变增强效果要远小于方案四，说明盐化物掺量过少时，对沥青混合料最大拉应变的提升效果较小，而采用方案四时，对沥青混合料最大拉应变的提升效果显著。不同方案的盐化物沥青混合料最大拉应变均随着冻融循环次数的增加而不断减小，原因是由于冻融循环的作用，空气中介质通过沥青混合料的孔隙结构渗入其中，导致混合料内部原材料之间的粘结强度下降。沥青混合料最大拉应变越大表明在冻融作用下可以承受的应变越大，因此盐化物掺量采用方案四时，沥青混合料的低温稳定性最强。

3.2 高温稳定性

盐化物沥青混合料高温稳定性的好坏主要通过动稳定度进行评价，通过对4种配合比方案进行动稳定度车辙试验，并针对冻融作用下不同设计方案的沥青混合料动稳定度变化规律展开对比分析，结果如图2所示。

根据图2可知，盐化物的掺入对提高沥青混合料动稳定度效果显著，随着盐化物掺量的增加，沥青混合料的动稳定度呈不断增大趋势，说明增加盐化物掺量可以增强沥青混合料高温稳定性。当盐化物掺量由方案二增至方案四时，沥青混合料动稳定度增长趋势逐渐变大，说明随着盐化物掺量的增加，对沥青混合料动稳定度的提升效果越大。不同方案的盐化物沥青混合料动稳定度均随着冻融循环次数的增加而不断减小，且随着盐化物掺量的增大，不同冻融循环次数的沥青混合料动稳定度变化趋势越来越稳定，说明虽然冻融作用会导致沥青混合料动稳定度下降，但盐化物的掺入提升了沥青混合料的动稳定度，且经冻融次数越多提升效果越明显。因此，盐化物掺量采用方案四时，沥青混合料动稳定度最高且在冻融作用下最稳定，表明此时沥青混合料的高温稳定性最强。

图2 冻融作用下沥青混合料动稳定度变化曲线Figure 2 Dynamic stability curve of asphalt mixture under freeze-thaw action

3.3 水稳定性

盐化物沥青混合料水稳定性的好坏主要通过劈裂强度进行评价，通过对4种配合比方案进行劈裂强度测试试验，并针对冻融作用下不同设计方案的沥青混合料劈裂强度变化规律展开对比分析，结果如图3所示。

图3 冻融作用下沥青混合料劈裂强度变化曲线Figure 3 Curve of splitting strength of asphalt mixture under freeze-thaw action

根据图3可知，在采用无盐化物掺入的方案一时，沥青混合料的冻融劈裂强度呈最小值，采用掺入少量盐化物的方案二后，沥青混合料的冻融劈裂强度显著提升，说明盐化物的掺入可以有效增强沥青混合料冻融劈裂强度。当盐化物掺量由方案二增至方案四时，沥青混合料的冻融劈裂强度增长趋势逐渐变大，说明随着盐化物掺量的越大，对沥青混合料冻融劈裂强度的提升效果越大。不同方案的盐化物沥青混合料冻融劈裂强度均随着冻融循环次数的增加而不断减小，原因是遇水后盐化物材料中的含盐颗粒会产生化学效应，造成沥青与集料之间的粘聚力下降，最终导致沥青混合料冻融劈裂强度降低。盐化物掺量采用方案四时，沥青混合料冻融劈裂强度均呈最大值，表明此时沥青混合料的水稳定性最强。

4 应用效果

根据比较以上4种设计方案的盐化物融雪沥青混合料在冻融作用下，低温稳定性、高温稳定性及水稳定性的分析结果，得出采用盐化物掺量为6%的方案四制备盐化物沥青混合料的路用性能最好。为验证方案四在实际工程的融雪、破冰效果，对某公路采用方案四制备的盐化物融雪沥青混合料进行路面铺装，施工过程中沥青混合料流动性较好，无凝结和摊铺困难等现象。养护阶段完成后对路面融雪效果进行现场观察，在停雪1 d后，积雪层表面无明显变化，拨开积雪层路面呈潮湿状态且无冻结现象；停雪3 d后，积雪层呈现明显融化现象，路面两侧出现大量融水；停雪5 d后，除路面两侧还有少量积雪外，路面积雪基本完全融化。由此表明，采用方案四铺设的融雪路面在抑制结冰及加速融雪方面效果显著，同时验证了该方案的实际应用效果。

5 结语

上文介绍了组成盐化物融雪沥青混合料的主要成分以及原材料的技术指标，设计了不同盐化物掺量配合比方案，通过试验对比分析了沥青混合料的高温稳定性、低温稳定性及水稳定性变化规律。盐化物的掺入对提升冻融作用下沥青混合料的路用性能有显著效果，随着盐化物掺量的增加，沥青混合料的高温稳定性、低温稳定性及水稳定性均不断提升，其中采用方案四制备的盐化物融雪沥青混合料路用性能最佳。同时，通过对方案四在实际工程中的应用效果观察发现，盐化物沥青混合料在施工过程中无凝结、摊铺困难等现象，流动性较好，在抑制路面结冰及加速融雪方面效果显著，验证了该方案的实际应用效果。