抗凝冰填料沥青混合料路用性能研究

吉玉梅，李耀业

（1.新疆路桥试验检测研究所，新疆 乌鲁木齐 831400；2.新疆交通建设集团股份有限公司）

1 引言

路面冰冻是我国北方地区普遍存在的现象，尤其是在初冬或残冬季节。该时期气温冷暖交替，路面表面的降雪在行车荷载作用下逐渐融化，在负温作用下极易形成薄冰，且该现象具有出现频率高、持续时间长、不易清除、使路面抗滑性下降、对交通影响严重、导致路面损伤等特征[1]。路面冰冻不但会严重影响交通运输效率，给人们的生产生活带来不便，甚至可能会造成生命和财产的损失[2，3]。

冰冻现象发生后，为了尽快恢复交通，通常会采取一定的除冰雪措施。目前，较为常见的抑制路面凝冰处理技术有被动抑制路面凝冰技术和主动抑制路面凝冰技术两大类[2]。被动除冰雪措施主要采用人工、机械除雪方式进行，传统的除冰雪技术中人工除雪方式效率低，而机械除冰雪措施易对路面造成硬损伤，加速路面损伤松散细集料的剥落；主动式融冰雪技术主要采用外能源热力融冰雪和自能源融冰雪技术，自能源融冰雪技术主要是在混合料中添加橡胶颗粒、盐化物和相变材料实现融雪功能[4-6]。

Mafilon抗凝冰材料是盐化物系的一种，为粉末状材料，具有与矿粉相似的级配，可以置换沥青混合料中的部分或全部矿粉。置换量一般为5%-7%，文章通过Mafilon抗凝冰材料的使用，采取7%的矿粉置换量，研究抗凝冰材料沥青混合料的路用性能，为除冰雪路面的研究提供参考。

2 作用机理

Mafilon抗凝冰材料为粉末状物质，其多孔结构的火山岩包裹氯化物的多孔结构具有使凝固点下降作用[7-9]。该材料替代矿粉后均匀分布在沥青混合料中，由于沥青混合料内部浓度较高、空间狭小，在渗透压和拉乌尔定律自然渗透下，盐分逐渐向浓度较低的路面表面析出，并迅速溶于水中，使水的液相蒸汽压下降，但冰的固态蒸汽压不变。为达到冰水混合物的固液蒸汽压的平衡，冰雪开始融化，从而防止和延缓冬季路面的冰冻。

3 原材料

3.1 沥青

采用东海SBS（I-C）改性沥青，基本性能指标见表1。

表1 沥青技术指标

表2 抗凝冰填料技术指标

3.2 抗凝冰材料

Mafilon抗凝冰材料由山东生态新材料有限公司生产，其主要特征与矿粉相似，具有与矿粉粒度相似的级配，由于其短时间难融与水，密度试验采用李氏瓶排油法测定，其技术指标见表2。

表3 混合料级配组成

4 配合比设计

4.1 级配设计

沥青混合料级配结构采用AC-13C型，混合料级配组成见表3。

表4 马歇尔试验结果

表5 试验结果对比

4.2 最佳油石比确定

按照确定的集料级配，采用传统马歇尔设计法，根据沥青混合料室内拌和与击实温度规定，制备沥青混合料，确定抗凝冰沥青混合料的最佳油石比，最佳油石比结果见表4。

通过表4试验结果得出：最佳油石比确定在4.7%时，各项指标均满足规范要求。根据表4未掺加抗凝冰材料的AC-13C密级配沥青混凝土混合料最佳油石比，笔者将抗凝冰材料以沥青混合料质量的7%置换混合料中的矿粉进行了马歇尔试验，试验结果见表5，并与未掺加抗凝冰材料沥青混合料试验结果进行对比。

由表5可知，未掺加抗凝冰材料与抗凝冰材料置换量为7%的沥青混合料各项技术指标均满足规范要求，且各项试验结果相差不大，说明抗凝冰材料以沥青混合料质量的7%置换混合料中的矿粉对混合料体积参数影响较小。

表6 试验结果对比

5 路用性能研究

沥青混合料是一种感温性材料，高温时表现为粘弹性状态，低温时为弹性玻璃体状态，其性能受温度影响较大，同时，路面长期在行车荷载作用下以及环境等因素影响下极易产生各种病害，因此抗凝冰沥青混合料路面不仅要满足抗凝冰要求还必须具备良好的路用性能。为研究抗凝冰填料置换矿粉对混合料性能的影响，本文通过试验对抗凝冰填料沥青混合料的高温稳定性、水稳定性及低温抗裂性能进行了综合分析。

5.1 高温稳定性

通过车辙动试验评价抗凝冰沥青混合料高温稳定性，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20-2011成型车辙板[10]，在60℃条件下保温6h进行试验，试验结果见表6。

从表6试验结果可以看出，沥青混合料高温性能指标均满足规范要求，均不小于2800次/mm，具有较好的高温性能；以7%沥青混合料质量置换矿粉后，沥青混合料动稳定度较未置换矿粉条件下结果下降14.9%，说明抗凝冰材料会对沥青混合料高温性能产生影响，分析其原因为抗凝冰材料密度较普通矿粉小，通过置换一定比例矿粉后沥青混合料密度降低，空隙率增大，混合料动稳定度下降，车辙深度加深，混合料高温抗车辙性能下降。

表7 冻融劈裂试验结果

图1 浸水马歇尔试验结果

表8 沥青混合料低温性能指标

5.2 水稳定性

水损害为沥青路面主要病害之一，严重危害路面使用性能。研究采用浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验进行抗凝冰沥青混合料水稳定性评价，按试验规程成型马歇尔试件，在60℃分别保温30min和48h进行马歇尔稳定度试验，浸水马歇尔试件结果如图1所示；再成型2组马歇尔试件，其中一组进行冻融循环试验，试验结果见表7。

表9 冰点试验结果

表10 融冰试验结果

由图1和表7可以看出，马歇尔残留稳定度在进行矿粉置换后均出现下降。同时，进行矿粉置换后冻融劈裂强度也有所降低，表明抗凝冰材料置换矿粉后混合料水稳定性变差，但仍能满足规范要求。

5.3 低温抗裂性

通过低温弯曲试验评价沥青混合料低温抗裂性能，按试验规程成型小梁减件进行加载试验，试验结果见表8。

从表8试验数据可以看出，两种沥青混合料低温性能指标远大于规范值要求，沥青混合料弯拉应变相差不大，说明采用抗凝冰材料置换混合料中矿粉不影响沥青与矿料粘结强度及沥青混合料均匀性，沥青混凝土具有较好的低温抗变形能力。

图2 雪层剥离

图3 路面积雪融

5.4 除冰效果评价

①冰点试验。

按轮碾法成型车辙试件，切割尺寸为100mm×100mm×50mm试验用若干试块备用；试验温度设置为-5℃、-10℃、-15℃和-20℃四档，每档温度需2个试块进行平行试验。冰点试验结果见表9。

从表9可知，添加7% Mafilon的冰层与试件粘结强度明显低于未进行置换的试件，在-20℃时粘结强度差值达到最大0.34MPa，除冰效果较好。

②融冰试验。

为了评价盐化物融冰雪能力，采用一定质量的冰块与掺加融雪剂低温养生马歇尔试件在-5℃环境箱内进行融冰试验，以2h融冰率即冰块质量损失率作为评价指标，即融冰率。试验结果见表10。

从表10试验结果可知：添加7%的Mafilon的试件融冰能力，质量损失率达到23.8%，未置换的冰块未融化，质量未损失，表明添加Manon有助于更好地融冰。

③工程试验。

为观察抗凝冰填料沥青混合料融雪除冰效果，通过对试铺路段的实际观测来判别抗凝冰材料的抗凝冰性能，并结合气候条件和冰雪状态评价试验段的抗凝冰效果。

2018年11月22日，天气多云，气温-10℃～-17℃，经连续多日降雪，地面已被雪层覆盖。本次观测实地图片如图2、图3所示。

由图可看出，抗凝冰材料掺入沥青混合料后使路面具备了抗凝冰功能，可在低温下使雪层与路面发生剥离，并缓慢使冰雪融化。在该条件下，路面无附着冰面，使路面行驶操控性大幅提高，达到安全行驶条件。

6 结语

①抗凝冰材料（Mafilon）部分置换矿粉作为沥青混合料的填料，其各项性能均能满足规范和设计要求。

②Mafilon置换沥青混合料中的矿粉对沥青混合料高温性能、水稳定性能具有一定影响，对低温抗裂性能影响不大。

③从工程试验路面的除冰雪效果看，掺加了Mafilon的沥青混凝土路面具有较好的除冰雪效果，抗凝冰材料的添加对沥青混凝土路面融雪除冰具有的效果，但同时也对混合料其他性能产生一定程度的影响。建议结合材料特性，确定合理的评价周期、试验条件和评价方法近对混合料的耐久性进行进一步研究。