环保型融雪剂对沥青混合料的侵蚀研究

郑存华、朱小康

（1.通辽市公路养护中心，内蒙通辽028000；2.武汉广益交通科技股份有限公司，湖北武汉430000）

0 引言

对于我国冬季的城市道路出行来说，受雨雪天气的影响是比较大的，而目前除雪最佳的方式是，使用融雪剂除雪。传统氯盐融雪剂在使用中极易对沥青和混凝土等设施造成不利的影响。使用农业生产过程中产生的大量废弃秸秆作为原料，通过水热反应，生产CMA(醋酸钙镁盐)环保型融雪剂，其融雪化冰能力和对环境腐蚀的影响比传统融雪剂低。CMA 环保型融雪剂与传统氯盐融雪剂相比，其优势体现在对生物形成良好的降解、较小的环境伤害和毒性、较高的融雪效率上，但其融冰能力相对融雪能力要弱，为传统氯盐融雪剂的90%。

1 环保型融雪剂的制备

选择麦、稻秸秆各10kg，将其投放到自制的焚烧箱体中进行燃烧直到烧尽，而在麦、稻秸秆烧尽的灰完全冷却之后，要通过相关的传送装置，将草木灰对氢氧化钾溶液进行投放，氢氧化钾溶液的体积浓度为8M，同时加入足量的缓蚀剂，并保证混合搅拌充分，而完全反应之后，要进行抽滤工序、相关的烘干，完全烘干之后要对相关的混合物进行研磨，这样就可以制备出环保、高效的融雪剂[1]。

2 试验材料

2.1 沥青

沥青为湿法制备的胶粉改性沥青，其中，基质沥青为盘锦90#沥青，胶粉改性剂为混合目(M，粒度组成为40 目∶60 目∶80 目=3∶3∶1)胶粉颗粒，掺量为基质沥青质量的20%。

2.2 冻融介质

冻融循环介质同水泥混凝土冻融介质，分别为水、环保型融雪剂溶液及传统氯盐融雪剂溶液。

2.3 试件制作

试件的直径和高度尺寸分别为（101.6±0.25）mm和（63.5±1.3）mm，其在试件的试制过程中需要结合沥青路面的冻融试验方法以及击实法的采用，进行双面的击打，而且要保证50 次的击打作业[2]。

3 试验结果及分析

3.1 沥青混合料空隙率分析

沥青混合料空隙率测试参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20—2011)，制作标准的马歇尔试件，将氯化钠、环保型融雪剂配制成浓度为3%、6%、9%的溶液，分别对试件进行冻融循环试验，在试件冻融1 次、4 次、8 次时，采用表干法测定每个试件的空隙率[3]。

下面的变化曲线分别是在传统型及环保型两种冻融介质中，马歇尔试件具体应用的空隙率是随冻融循环次数变化的规律曲线，如图1所示。

图1 空隙率随冻融循环次数的变化规律

由图1 可知：两种融雪剂的试样随着冻融循环次数的递增，孔隙率增大，在传统氯盐和环保融雪剂溶液中，冻融循环8 次后，孔隙率分别增大18.8%、1.4%，说明冻融循环增大了沥青混合料的空隙率，对沥青混合料造成不可逆损伤，但相比于传统氯盐融雪剂，环保型融雪剂可以缓解沥青混合料的冻融损伤。试件在三种冻融循环介质中，空隙率随冻融循环次数的变化曲线表现出在环保型融雪剂中具有最小的斜率，其次为水，表明环保型融雪剂对沥青混合料造成的损伤较传统氯盐更小[4]。

3.2 沥青混合料冻融劈裂试验

该实验参照规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20—2011)中沥青混合料冻融劈裂试验（T0729—2000）要求，采用马歇尔击实法（双面各击实50 次）成型φ101.6mm×63.5mm 圆柱体试件，按如下方法对试件进行冻融循环作用：试件真空饱水15min，恢复常压后在水中静置0.5h，后将试件放入塑料袋中，并在（-18±2）℃的恒温冰柜中放置16h，再除去试件外的塑料袋，并将其置于（60±0.5）℃恒温水箱中保温24h，完成一个冻融循环。当试件分别冻融1次、4 次、8 次时，在25℃下以50mm/min 的加载速率进行加载直至试件被破坏，记录破坏荷载（N），并计算劈裂抗拉强度。绘制沥青混合料劈裂抗拉强度随冻融循环次数的变化曲线，如图2所示[5]。

图2 抗拉强度随冻融循环次数变化规律

由图2 可知：在三种冻融介质中，沥青混合料的劈裂强度会随着冻融循环次数的递增，而逐渐降低，由此说明冻融循环作用降低了沥青混合料的劈裂抗拉强度，对沥青混合料造成了损伤。这是由于在冻融循环重复作用下，沥青混合料受溶液冻胀作用，使得材料内部孔隙逐渐增加，导致更多的溶液侵入孔隙中，产生更多的冻胀力，使得沥青混合料的劈裂抗拉强度降低，结构强度下降[6]。

3.3 沥青混合料小梁弯曲试验结果分析

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）进行小梁弯曲试验，将成型后的车辙板用切割机切割成250mm×30mm×35mm 的标准小梁试件，经冻融循环后，将小梁试件在-10℃下采用50mm/min 速率单点加载至小梁破坏，并根据规范计算抗弯拉强度RB、最大弯拉应变εB 及弯曲劲度模量，进行科学合理的计算[7]。

为了能够对在冻融循环作用下，胶粉改性沥青混合料的低温性能的变化规律进行有效分析，需要结合低温小梁弯曲试验的相关技术指标，相关的技术指标主要包含：最大抗弯拉强度、基本相关的弯拉应变量、弯曲劲度模量的具体数值、弯曲应变密度指标。此次所制作的（250mm×30mm×35mm）标准小梁试件其实是通过车辙板用切割机进行标准小梁试件的切割生产，而之后通过必要的冻融循环，通过50mm/min 速率以及-10℃的加载对其进行破坏，并实现对RB、εB 和E 的有效计算[8]。

3.3.1 基本性能指标分析

分析抗弯拉强度、最大弯拉应变、弯曲劲度模量三个指标随冻融循环次数的变化规律，结果，随冻融循环次数的增加，沥青混合料抗弯拉强度RB 及最大弯拉应变εB 逐渐降低，且指标变化幅度表现出从冻融4 次到8 次较冻融1 次到4 次更为明显，说明冻融循环作用降低了沥青混合料的抗弯拉强度及最大弯拉应变，低温抗开裂能力下降，且冻融循环作用使得材料劣化后，材料性能下降会逐渐加剧[9]。

3.3.2 弯曲应变能密度分析

由于沥青混合料是一种黏弹性材料，随着温度的降低，其主体出现了较为明显的弹性变形，而且在此过程当中，黏性变形所占比例还会逐渐减小。因此，在对沥青混合料的低温性能进行探究的过程中，需要综合考虑两方面的内容：第一，对沥青胶结料与集料的黏附力进行考虑；第二，对沥青胶结料的低温变形能力进行深度分析。结合具体的劲度模量的计算方法，不难看出，如果单纯的分析破坏过程当中的最大应变力以及最大变形，是不贴合现实情况的，也是不科学合理的[10]。

为了能够更好地对沥青混合料的低温性能进行表征，应当对弯拉应变及弯拉强度，进行综合的考量，要在能量使用的角度思考相关问题，要在小梁破坏的全过程当中，实现应变能密度临界值的有效引入[11]。

在混合沥青相关物料过程当中，其内会有弹性的应变能量出现，弹性应变能量的出现，导致沥青混合料中会有外部载荷抵御力的相继产生，而在此过程中，还有沥青混合料的低温开裂现象存在，也就是说如果抵御外部载荷能量越强，那么混合料其开裂的可能性其实是越低的。结合具体的材料损伤准则可知材料损伤包括三个阶段——裂缝的引发、亚临界状态增大、最终破坏[12]。

如果能够一一应对材料破坏形式与单位体积内的能量状态，则可以通过dw/dv 表示材料损伤的现实情况，公式（1）如下。

式（1）中：wf——应变能密度函数；

dw——材料应变能微分；

dv——材料体积微分；

σ(ε)——应力-应变曲线函数；

εB——最大弯拉应变；

dε——应变微分。

由式（1）可知：拟合出应力-应变曲线（σ-ε）函数即可得到弯曲应变能密度函数，进而求出弯曲应变能密度临界值[13]。

经拟合发现，小梁弯曲试验下的应力-应变曲线（σ-ε）满足式（2）的三次多项式：

式（2）中：a、b、c、d为通过对σ-ε曲线回归拟合得到的材料参数，并无实际意义。将式（2）带入式（1）即可得到应变能密度[14]：

针对本文材料进行相关计算，得到不同冻融循环次数作用下沥青混合料的弯曲应变能密度，具体结果见表1[15]。

表1 弯曲应变能密度

由表1 可知：在三种不同冻融循环介质中，随着冻融循环次数的增加，沥青混合料弯曲应变能密度均逐渐减小，由此不难看出，沥青混合料本身储存的弹性应变能主要还是来自冻融循环作用，冻融循环作用的存在，降低了材料自身抵御外部载荷的能力，这样沥青混合料的低温抗开裂能力也会随之降低。此种情况体现出冻融循环产生的冻胀力以及由于黏附性下降而发生损伤，导致沥青与集料的界面处产生裂缝；而如果存在着沥青混合料内部受应力作用，那么会有降低沥青与集料之间对力的传递能力及变形能力的情况，这样材料自身的弹性应变能力也不能形成有效提升，进一步就会存在着较差的抗开裂能力。相同冻融循环次数下，沥青混合料在三种不同的冻融介质中，其弯曲应变能密度大小均表现为水＞环保型融雪剂＞传统氯盐融雪剂，说明相同冻融循环作用下，环保型融雪剂对沥青混合料的冻融破坏较传统氯盐融雪剂具有一定的缓和作用，能降低冻融循环对沥青混合料的破坏作用[16]。

4 结论

第一，冻融循环作用增大了沥青混合料的空隙率及弯曲劲度模量，降低了其抗弯拉强度、最大弯拉应变及弯曲应变能密度，对沥青混合料的低温抗开裂能力造成不利影响。

第二，相比传统的氯盐融雪剂，环保型融雪剂使得沥青混合料试件经相同冻融循环作用后，其性能指标数值更优。该项目研发的环保型高效融雪剂可有效缓解冻融循环作用对沥青混合料的不利影响。