有机融雪剂对SBS改性沥青混合料路用性能的影响

梁 纪，穆荣芳，严 钊，张旭景，张 倩

(1.陕西省高速公路建设集团公司，陕西 西安 710065； 2.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055； 3.安徽省建设工程测试研究院有限责任公司，安徽 合肥 230051；4.陕西省岩土与地下空间工程重点实验室，陕西 西安 710055)

0 引 言

冬季冰雪严重影响道路交通运行，氯盐融雪剂因冰点低、取材丰富和价格低廉等优点，被广泛应用于路面融雪化冰。但是大量地撒布氯盐融雪剂会给道路材料、附属结构及周围环境带来诸多负面影响。目前，融雪剂的腐蚀性研究已成为国内外道路学者的重点课题。已有研究发现在冻融作用下，尿素腐蚀性高于氯盐，甲酸和醋酸类新型融雪剂对沥青混合料侵蚀作用较小[1]；氯盐融雪剂会引起水泥和沥青混凝土结晶破损[2-4]，降低沥青低温和抗老化性能[5-6]；氯盐能渗入集料和沥青接触面，弱化面层混合料的路用性能[7]。

如今的融雪剂腐蚀研究主要集中于氯盐融雪剂，较少涉及新型融雪剂的腐蚀情况和作用机理。随着对氯盐融雪剂腐蚀性和环境影响的认知，新型低腐蚀性有机融雪剂的研发和推广已成为趋势。为探究有机融雪剂对沥青路面的作用机理，本文以自主研发的3种以醋酸钙镁为主、其他组分特征不同的有机融雪剂为主体，对比分析腐蚀前后沥青混合料路用性能的变化，以期完善有机融雪剂腐蚀性的客观评价和理论基础。

1 原材料和试验方案

1.1 原材料

原材料包括闪长岩粗、细集料，最大粒径16 mm；石灰岩矿粉；70#SBS改性沥青，各项技术指标见表1。

表1 SBS改性沥青的技术指标

混合料采用AC-13级配，见表2。依据马歇尔设计法，确定SBS改性沥青混合料的最佳油石比为4.6%。

表2 矿料级配组成

有机融雪剂分别为NA-cma(亚硝酸型融雪剂，全称Nitrous Acid Calcium Magnesium Acetate)、BDS-cma(卤水复盐型融雪剂，全称Brine Double Salt Calcium Magnesium Acetate)、GA-cma(甘醇型融雪剂，全称Glycerin Alcohol Calcium Magnesium Acetate)，选用氯盐融雪剂(NaCl)作对比，融雪剂各项技术指标见表3。

表3 融雪剂的主要技术指标

图1 沥青混合料路用性能试验

1.2 试验方案

分别采用车辙试验、小梁弯曲试验、冻融劈裂试验和摆式摩擦仪试验(图1)研究融雪剂对沥青混合料高低温性能、水稳定性和抗滑性能的影响。制备车辙和马歇尔试件，各试件成型后浸入融雪剂溶液中，并设置清水浸泡对照组，测定混合料试件浸泡腐蚀前后路用性能的变化，具体试验方案如下。

1.2.1 车辙试验

车辙试件成型48 h后泡入20%融雪剂溶液和清水中，如图1(a)所示，以浸泡6 d、干置1 d为一个周期，干湿循环28 d后进行车辙试验。

1.2.2 小梁弯曲试验

车辙试件成型48 h后，按照长(250±2)mm、宽(30±2)mm、高(35±2)mm的尺寸切制小梁试件，小梁试件在20%融雪剂溶液和清水中分别干湿循环浸泡28 d和56 d后，进行弯曲试验，如图1(b)所示，试验温度为(-10±0.5)℃。

1.2.3 冻融劈裂试验

试验采用增加浓度的冻融循环方法，在除雪过程中多次撒布融冰雪剂，使路面残留融雪剂浓度增大。第1次冻融循环：马歇尔试件在10%浓度融冰雪剂溶液或自来水中饱水120 h、(-18±2)℃的恒温冰柜中保温16 h、60 ℃水浴8 h，如图1(c)所示。在冻融循环试验中，60 ℃水浴前称取一定量融雪剂固体加入溶液，使浓度增加1%，确保5次冻融循环后融雪剂溶液浓度为15%。测定1次和5次冻融循环后的试件劈裂强度，试验温度为(25±0.5)℃。

1.2.4 摆式摩擦仪试验

在车辙试验中干湿循环浸泡28 d后的车辙板上进行抗滑测试，如图1(d)所示。

2 融雪剂对混合料路用性能的影响

2.1 高温稳定性

沥青路面作为典型的柔性结构，在高温下表现出黏弹性，在车辆荷载的重复作用下，容易产生车辙、拥包、推移、泛油等病害[8]。因此，研究融雪剂对沥青混合料高温抗车辙性能的影响具有重要意义。在不同融雪剂溶液中干湿循环浸泡28 d后的车辙试验结果如图2所示。

图2 浸泡后车辙试件的动稳定度

除去清水浸泡的影响，氯盐和BDS-cma溶液浸泡后车辙试件的动稳定度分别增大4.20%和3.28%，NA-cma和GA-cma浸泡后试件的动稳定度分别降低3.26%和4.77%。原因是BDS-cma中含有与氯盐类似的低分子无机盐，该盐离子会逐渐渗入沥青混合料中，提高沥青结合料软化点。NA-cma和GA-cma中的有机组分与沥青极性相似溶解，造成混合料稳定度降低。

2.2 低温稳定性

沥青混合料的低温抗裂性能是路用性能的一项重要技术指标，低温开裂是路面出现裂缝的重要原因[9]。本研究利用小梁低温弯曲试验分析融雪剂对沥青混合料低温稳定性的影响。

由图3可知，随着干湿循环浸泡时间增加，小梁试件的抗弯拉强度逐渐降低。试件在清水、氯盐、NA-cma、BDS-cma和GA-cma溶液中浸泡56 d后，抗弯拉强度分别降低4.71%、10.59%、0.33%、5.33%和6.20%。

图3 小梁弯曲试验结果

干湿循环浸泡后，沥青混合料的低温性能均有所降低，其中以氯盐融雪剂的腐蚀性最为显著。究其原因，一方面是氯盐与沥青作用，降低了沥青胶浆的低温变形能力；另一方面，氯盐离子渗入小梁试件孔隙中，离子结晶降低了沥青混合料的整体黏附性。NA-cma、BDS-cma和GA-cma为有机融雪剂，可与沥青混合料发生乳化作用，使其低温抗弯拉强度降低，但影响比氯盐融雪剂小。

2.3 水稳定性

本文通过冻融劈裂试验，研究不同融冰雪剂对沥青混合料水稳定性的影响[10-11]。

由表4可知，随着冻融循环次数增加，马歇尔试件空隙率增大，混合料黏结力开始下降，沥青从集料表面脱落，力学性能上表现为劈裂强度和冻融劈裂强度比均降低。融雪剂溶液冰点较低，冻融循环过程中结冰冻胀作用较弱，因此经清水冻融循环后劈裂强度变化最大。除了水的物理冻胀作用之外，氯盐融雪剂溶液中的离子会破坏沥青与集料的黏结，因此它对混合料水稳定性的降低效应比3种有机融雪剂更显著。

表4 冻融劈裂强度试验结果

2.4 抗滑性能

按照路面摆式摩擦系数的试验方法，在室温下对干湿浸泡28 d后的车辙板进行抗滑性能测试。

干湿浸泡后，沥青混合料抗滑摩擦系数存在轻微波动，与清水浸泡后车辙板的抗滑值相比，NA-cma和GA-cma溶液浸泡后混合料摆式摩擦系数略有降低，BDS-cma浸泡后抗滑值基本不变，氯盐融雪剂可轻微提高沥青混合料的抗滑值。

NA-cma、BDS-cma和GA-cma溶液中的有机组分具有较大表面张力，亲油，易置换集料表面的沥青，导致沥青与集料黏附性降低，沥青混合料黏滞摩擦力减小。氯盐离子作为微凸体附着于沥青混合料表面，会增强摩擦、切削作用。BDS-cma溶液中含有有机组分和无机盐离子，二者作用互相抵消。

3 结 语

以3种有机融雪剂NA-cma、BDS-cma和GA-cma腐蚀后的SBS改性沥青混合料AC-13为研究对象，选取氯盐融雪剂作对比，在干湿浸泡、冻融循环后进行车辙、弯曲、劈裂和抗滑试验，分析有机融雪剂对其路用性能的影响，得到以下结论。

(1)有机融雪剂中因含有亲油性有机组分，对SBS改性沥青混合料的影响机理主要是相似相溶和乳化作用，而氯盐融雪剂的腐蚀主要以离子侵蚀为主。

(2)融雪剂通过孔隙进入沥青混合料内部，发生乳化、溶解和离子结晶作用，均会降低沥青胶结料与集料之间的黏附性，建议实际工程中严格控制沥青混合料的空隙率。

(3)与氯盐融雪剂相比，NA-cma、BDS-cma和GA-cma三种有机融雪剂对沥青混合料路用性能的影响较小，且冰点较低，可以在实际工程中推广使用；高温地区推荐使用BDS-cma。