耐久型自融冰雪沥青路面的制备及其路用性能研究

段掌玺 张明虎

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

在低温环境下，冰雪黏附于路表面，引起车轮与路面的附着力急剧下降，特别是在桥面、隧道出入口、山坡背阴处等特殊路段，常常引发连环交通事故。若深夜突发雨雪状况，养护人员无法及时对路面上的冰雪进行清理，交通事故的发生率则大幅度提升。

目前路面的除冰雪技术多为被动式清除冰雪，其代表方式有撒布融冰雪盐、人工除冰雪和机械除冰雪技术等[1-6]。采用撒布融冰雪盐的方式进行路面除冰雪，会腐蚀道路基础设施的结构，降低其使用寿命，而且严重污染环境。人工除冰雪技术效率低，无法及时对偏远地区的路面进行清理；机械除冰雪技术是一种强行清理方式，清理过程中可能会对路面造成损坏，而且能耗较大不经济，因此，业内人士亟待寻求一种主动式路面除冰雪技术。

随着研究的不断深入，在1960年初瑞士研究出了一种融雪抑冰材料V-260，其融雪抑冰能力及路用性能均相对较优[7-8]，因此，在国内也得到了部分推广运用。1970年末日本开发出了一种自融冰雪材料MFL，并铺筑了试验段，试验段的融冰雪效果较明显。我国对于自融冰雪路面的研究相对较晚，但是在借鉴国外先进技术的基础上，同时也开发出了多种融雪抗凝冰材料，其中较有代表性的产品有ICB、IGD和中交抗暗冰填料。

通过对国内外路面自融冰雪产品的调研，发现其成分大多为氯化物，主要原因是氯化物来源广、价格低和稳定性好。自融冰雪路面通常为析出式，路面在水和车辆的综合作用下，融雪剂中的盐分逐渐析出到路表面，降低了路表水冰点及冰雪与路面之间的黏附力，从而达到自融冰雪的效果。由于在沥青混合料掺加融雪剂的量及融雪剂的组分对路面的融雪效果有着关键性的影响，国内研制的融雪抑冰材料大多处于室内研究验证阶段。而目前较为成熟的MFL和V-260存在着造价高和路用性能差等劣势，因此，本文研发出一种新型融雪剂A，研究思路为利用钢渣将盐分包裹，然后对包裹有盐分的钢渣进行疏水处理，以提高融雪剂的耐久性。实验证明，该方法可以实现固体废弃物再生利用、盐分缓释的效果，同时具有较好的路用性能。

1 融雪剂研发

1.1 材料选择

钢渣是一种多孔结构，可以充分吸附融雪剂，本文选择山东日照钢铁厂的钢渣为融雪剂载体。目前市场上融雪剂主要分为氯盐和非氯盐2类。氯盐类包括氯化钙、氯化钠、氯化镁等；非氯盐类包括乙酸盐、醋酸盐等。通过调研对比不同盐分的融冰雪能力，优选出天津某公司生产的氯化钠为融雪剂的主要成分。在雨季时，盐分的的加速析出，造成水中盐分质量浓度增大，污染环境，为了延缓融雪剂的析出速率和降低产品对环境的危害，选用聚甲基硅氧烷为疏水剂对包裹有融雪剂的钢渣进行处理。另外为解决经疏水剂处理后的钢渣与沥青黏附力差的问题，本文采用硅烷偶联剂对钢渣的表面进行二次裹附，以增强有机物与无机物之间的黏结强度。

1.2 融雪剂制备

融雪剂制备工艺如下：①将钢渣和氯化钠在160 ℃环境下加热烘干4～6 h；②将偶联剂溶于乙醇与水混合液中，使偶联剂发生水解缩合反应，进一步生成网状聚合物结构；③将干燥的钢渣与氯化钠充分搅拌，使盐分充分进入钢渣的孔隙中；④在钢渣与氯化钠的混合物中加入疏水剂充分搅拌，使疏水剂裹覆在混合物的表面；⑤再加入水解之后的偶联剂溶液，使得偶联剂充分包裹混合物的表面；⑥将制备的混合料放入保温箱中进行陈化30 min；⑦将混合物加入球磨机进行研磨，制备不同粒度的成品融雪剂。

采用上述制备工艺，制备出4种不同成分比例的融雪剂A(包括A(1)、A(2)、A(3)、A(4))，其中钢渣的质量分数为55%～72%，氯化钠质量分数为20%～30%，偶联剂溶液质量分数为3%～6%，疏水剂质量分数为5%～10%。融雪剂成分见表1。

表1 不同含量融雪剂成分 %

2 自融冰雪路面混合料配合比设计

利用球磨机将融雪剂制成粒径约为0.075 mm的颗粒，虽然自制融雪剂与0.075 mm石料的粒径很接近，但因密度存在差异性，采用等质量置换易造成混合料拌和功率增大、施工和易性变差、空隙率降低，进而影响盐分析出，增加施工难度。因此，在配合比设计过程中采用等体积完全置换的方法替换矿粉，制备出混合料类型为AC-13的马歇尔试件，以计算添加融雪剂A的沥青混合料最佳沥青用量,试验结果见图1。

图1 油石比试验

由图1马歇尔试验结果可知，空隙率中值的油石比为4.75%，密度最大值的油石比为5.1%，稳定度最大值的油石比为5.0%，沥青饱和度中值的油石比为4.73%，由此可得，OAC1(最佳油石比1)为4.90%；所有指标均满足要求时OACmin(最小最佳油石比)为4.05%，OACmax(最大最佳油石比)为4.99%，由此可得，OAC(最佳油石比2)2为4.52%；综上可得，最佳油石比为4.71%。

3 融冰雪效果评价

3.1 融冰效果评价

在-5 ℃的环境条件下，以多组对照为原则进行室内融冰实验，进而评价自融冰雪路面的融冰效果，首先将一定质量的冰块同时置于添加和未添加有融雪剂A的马歇尔试件表面，测试1 h后试件表面冰块的质量变化，结果见表2。

由表2可知，未添加融雪剂的试件融冰百分率为6.5%，添加融雪剂A的试件，融冰百分率分别为16.0%、19.7%、22.2%和17.2%，从数据上可知，融雪剂A具有超强的融冰能力，其融冰效果大约是正常试件的2.4～3.4倍。

3.2 融雪效果评价

结合2018年贵阳降雪状况，进行室内融雪实验。以降雪4 h之后车辙板表面的裸露面积为评价指标，对比分析添加融雪剂A的路面融雪效果。

在小雪环境下，4 h之后未添加和添加融雪剂A的车辙板表面裸露状况见图2。

图2 小雪4小时之后板式试件表面积雪状况

由图2可知，在小雪4 h之后，以试件表面的裸露面积为评价指标，对比分析未添加和添加融雪剂A的板式试件表面积雪状况可知，未添加融雪剂的板式试件被一层薄薄的积雪完全覆盖，而添加了融雪剂的板式试件表面几乎全部处于裸露状态，说明研发出的融雪剂在小雪环境下具有较好的融雪效果。

在中雪环境下，4 h之后未添加和添加融雪剂A的车辙板表面裸露状况见图3。

图3 中雪4 h之后板式试件表面积雪状况

由图3可知，在中雪环境下4 h之后，以试件表面的裸露面积为评价指标，对比分析未添加和添加融雪剂A的板式试件表面积雪状况可知，未添加融雪剂的车辙板式试件被一层厚的积雪完全覆盖，而添加了融雪剂的板式试件表面可以明显看出试件的颜色，特别是A(2)和A(4)2种比例的融雪剂，在中雪的环境下仍能裸露出路面，说明其具有极好的融雪效果。

4 路用性能研究

一种新材料和新技术的推广和应用，都不能破坏原有材料的使用性能，因此本文研发出的自融冰雪混合料不但要具备融冰雪的功能，而且还必须满足路用性能的各项指标。本研究采用等体积替换法，将融雪剂等体积替换0.075 mm的集料，从而制备出一种具有融冰雪功能的沥青混合料。由于加入融雪剂之后的沥青混合料高低温稳定性没有太大的变化，本文就不做赘述。但是在冬季或雨季，由于盐分的不断析出，而引起混合料内部空隙率不断增大，在冬季冻融循环作用下会引起沥青混合料的内部结构加速破坏；同时由于空隙率的增大，水与沥青的接触面积变大，造成沥青的黏附力下降，从而加速促使集料剥落，继而产生松散、剥落和坑槽等一系列病害水损害，降低了路面的使用寿命。

由于在沥青混合料中加入融雪剂之后，对沥青混合料的水稳定性和耐久性影响较大，因此需要采用一定措施提高沥青与集料之间的黏附性，从而保证沥青混合料的水稳定性和耐久性。本研究选择消石灰改善自融冰雪沥青路面的水稳性能，利用消石灰代替部分矿粉，用于增强自融冰雪沥青混合料的水稳性，主要是因为：①消石灰可改善集料的表面性质；②石灰粉的比表面积比矿粉的大，还可提高沥青与集料之间的分子力；③消石灰具有活性，通过消石灰与沥青成分发生反应生成表面活性剂，提高与集料表面之间的黏附力，从而使沥青不易剥落[9-10]。

采用多组对照实验，将配置的4种融雪剂依次添加比例为1%，1.5%和2%的消石灰，制成试件后进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，对比分析在加入不同比例的消石灰条件下自融冰雪路面试件的水稳性能，试验结果见图4。

图4 添加消石灰后水稳定性实验结果

由图4可知，消石灰可以提高自融雪沥青混合料水稳性能。研究结果发现，加入消石灰之后，4种自融冰雪路面初始阶段残留马歇尔稳定度和冻融劈裂抗拉强度比均有明显的改善，其残留马歇尔稳定度和冻融劈裂抗拉强度比值均提高4～5个百分点。对比添加1.5%和2.0%消石灰的4种自融冰雪路面，其残留稳定度和冻融劈裂强度变化不大，因此，推荐消石灰掺量为1.5%。

5 结论

1) 本试验以钢渣、氯化钠、聚甲基硅氧烷和硅烷偶联剂为主要原材料，研发出了一种新型融雪剂，并推荐4种配合比例。

2) 通过对自融冰雪沥青路面的融雪和抗凝冰效果进行室内评价，本文研发的自融冰雪材料其融冰能力是正常路面的2.4～3.4倍，在小雪和中雪环境下可以快速融化冰雪，具有较大的使用价值。

3) 针对自融冰雪混合料的水稳定性和耐久性差的缺点，提出添加质量分数为1.5%的消石灰，实验证明，其残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比值均提高4～5个百分点。