沥青混合料用融冰雪盐化物材料性能指标探究

徐剑 刘凯 史德权 龚演

（1.交通运输部公路科学研究院，北京 100088；2.合肥工业大学，安徽 合肥 230009；3.中盐京津冀盐业有限责任公司，北京 100054)

一、引言

《交通强国建设纲要》明确了我国交通发展的总体思路，即构建安全、便捷、高效、绿色、经济的现代化综合交通体系，“交通安全”的理念也逐渐成为道路工程建设的重要发展趋势。随着气候变化，雨雾、冰雪和降温等恶劣天气极大地影响着交通系统，沥青路面表面出现结冰、积雪等现象，路表的抗滑性能下降，能见度降低，导致交通事故增加，严重威胁交通安全。

据统计，冬季15%～30%的交通事故与路面积雪结冰有关。另外，在冬季冻雨、冰雪等极端天气下，公路网通行能力受到显著影响，严重时将导致区间的交通中断、交通运输瘫痪，造成巨大的经济及社会影响。因此，冬季道路融冰雪是沥青路面养护的重点与难点[1-7]。

经过近十年不断地研究和实践，我国公路沥青混合料用融冰雪材料技术已日趋成熟。经过国内近20个省份的大量工程验证表明，公路沥青混合料用融冰雪材料技术的应用可有效提高道路行车安全，减少冬季交通事故发生[8,9]；极大程度上避免对基础设施的破坏和环境污染，降低冬季沥青路面的养护成本，为实现“绿色交通、平安交通”提供强大的技术支撑。

随着国内外研究者对盐化物材料的深入研究，盐化物材料的种类越来越多[10]，除常规的氯离子类盐化物外，还有非氯离子类盐化物，包括硫酸类及醋酸类等材料。我国现有行业标准《公路沥青混合料用融冰雪材料》（（JT/T 1210.2-2018））第2部分：盐化物材料[11]暂未考虑非氯离子类盐化物材料的评价指标，相关内容还需补充及修订。考虑到融冰率及冰点指标是沥青混合料融冰雪性能的主要评价指标，本文选择4种不同的盐化物材料，研究了盐化物的材料性能及融冰雪性能评价指标对沥青混合料的性能影响，开展了相关参数与设计方法的优化研究，为融冰雪盐化物材料在我国的应用和推广提供了参考。

二、材料与试验方案

（一）沥青

本次试验采用70号沥青，其基本性能参数如表 1所示。

表1 70号沥青的基本性能指标

表1 70号沥青的基本性能指标

（二）盐化物材料

本次试验选用4种不同的融冰雪盐化物材料，其中A与B分别为颗粒状，主要成分为氯化物盐，C为非氯化物盐，主要成分为有机醋酸类材料，D为氯化物盐与醋酸类材料组合而成的复合材料，均为国内比较常用的融冰雪盐化物材料。

（三）混合料设计

本次试验采用的混合料类型为AC-13，盐化物融雪剂为5%，采用原样设计的最佳油石比为4.9%。

三、试验方法

（一）有效阴离子含量试验

目前市面上存在的融冰雪盐化物材料种类繁多，包含氯化物盐、非氯化物盐或其组合而成的复合材料，其中非氯化物盐主要是指以醋酸类材料为代表的有机物材料。现有行业标准《公路沥青混合料用融冰雪材料》（（JT/T 1210.2-2018））中氯离子含量指标，主要用于检测有效成分氯离子的含量，而无法定量测量非氯化物盐的有效成分含量。本次试验针对不同的融冰雪盐化物材料，采取不同的试验方法：对于氯化物盐材料，根据现有行业标准《公路沥青混合料用融冰雪材料》（（JT/T 1210.2-2018））中的附录A方法进行试验，确定其氯离子含量；对于醋酸类材料，则根据标准《路用非氯有机融雪剂》(JT/T 973-2015)中的5.7方法[12]进行相对融雪化冰能力试验，通过相对融雪化冰能力计算出权衡因子的值，计算公式如式（1）、式（2）所示。

式中：W1是相对融雪化冰能力，m0、m1分别为非氯化物材料溶液试验前及试验0.5h后烧杯和冰块的总质量分别为氯化纳溶液试验前及试验0.5h后烧杯和冰块的总质量，烧杯体积为200mL。分别为本次相对融雪化冰能力试验中非氯化物材料溶液和氯化纳溶液的阴离子含量。

（二）碳钢腐蚀率试验

本次试验根据标准《路用非氯有机融雪剂》（JT/T 973-2015）中的5.9方法进行[12]。由于公路沥青混合料用融冰雪盐化物材料均具有疏水特征，无法直接溶于水中，且为了更好地模拟盐化物材料在沥青路面使用过程中的释放规律，需要快速冲洗掺有盐化物材料的沥青混合料马歇尔试件，使试件表面无可见融冰雪材料，冲洗总时间不宜大于10s。冲洗完成后，应将试件浸泡在5L的去离子水中24h，然后取浸出液进行碳钢腐蚀率测定。

（三）融冰率试验

融冰率试验是在一定温度条件下，评价盐化物融冰化雪能力的检测方法。现有行业标准《公路沥青混合料用融冰雪材料》（（JT/T 1210.2-2018））中以质量为40g的冰块进行融冰试验，本文中考虑将冰块的初始质量变为20g，与行业标准《公路沥青混合料用融冰雪材料》（（JT/T 1210.2-2018））[11]中的融冰率试验进行对比，研究不同初始质量对融冰率试验结果及对实际工况模拟准确性的影响。

四、结果与讨论

（一）有效阴离子含量试验

将4种融冰雪盐化物材料分别进行氯离子含量试验、醋酸离子含量试验及融雪化冰能力试验，试验结果如表2、表3所示。相对融雪化冰能力以融冰雪材料A为标准计算。

表2 4种融冰雪材料有效阴离子含量试验结果

表2 4种融冰雪材料有效阴离子含量试验结果

表3 4种融冰雪材料融雪化冰能力试验结果

表3 4种融冰雪材料融雪化冰能力试验结果

材料A与材料B均为氯化物材料，有效成分均为氯离子。材料B的相对融雪化冰能力与氯离子含量的比值（38.4：36.1）相吻合，证实了融冰雪材料的有效成分含量越高，其融冰雪效果越好。根据融冰雪材料A与C的试验结果可计算出权衡因子Q的值为0.72。为检验该计算结果的可信度，采用融冰雪材料D的试验结果进行验证。材料D为氯化物及醋酸类材料的复合类融冰雪材料，根据材料D的阴离子含量及权衡因子Q的值计算得出材料D的有效阴离子含量为47.2，材料D与材料A的相对融冰化雪能力为1.308，与试验结果吻合，证实权衡因子Q的值具有可靠性。

现有行业标准《公路沥青混合料用融冰雪材料》（（JT/T 1210.2-2018））中采用氯离子含量确定该融冰雪材料的有效成分含量，通过本次试验及讨论，建议采用权衡因子Q来修正非氯离子类盐化物的有效成分，将有效阴离子含量作为融冰雪材料性能评价指标，更具普适性。醋酸离子的权衡因子Q=0.72，对于复合类融冰雪材料，其有效阴离子含量计算公式为：

（二）碳钢腐蚀率试验

融冰雪材料中含有氯化钠、醋酸钾等盐化物，氯化钠与醋酸钾的析出是造成基础设施（主要是钢材）腐蚀的重要因素，且对基础设施具有很强的破坏性，会造成环境污染。在原行业标准《公路沥青混合料用融冰雪材料》（（JT/T 1210.2-2018））中，PH值被规定在7.0～9.0范围内，碳钢腐蚀率不大于0.11mm/年。

有研究表明[13]，当NaCl质量分数小于3.5%时，自腐蚀电位随溶液中NaCl量的增加而降低，更容易发生腐蚀；当NaCl质量分数达到4.5%时，腐蚀倾向减弱。不同浓度下融雪剂的腐蚀速度及相关结果如表4所示。

表4 不同浓度融雪剂碳钢腐蚀率试验结果

表4 不同浓度融雪剂碳钢腐蚀率试验结果

结果表明：在3.5%～15%的浓度范围内，碳钢腐蚀率影响受融雪剂浓度影响较大，超过15%时，融雪剂浓度对碳钢腐蚀率影响较小，碳钢腐蚀率趋于稳定。随着融雪剂浓度越大，碳钢腐蚀率越小，推测与融雪剂中有效成分的释放速率等有关。但是，目前尚未存在较成熟的融雪剂碳钢腐蚀率变化机制分析。

另外，根据北京大兴机场等实际工程经验，碳钢腐蚀率指标对环境的实际腐蚀情况影响较小。综上所述，考虑到溶液酸碱性对碳钢类材料腐蚀速度的影响，当溶液的PH值太大或者太小时，碳钢腐蚀缓慢，因此，根据实际施工中碳钢腐蚀率指标对环境的微弱影响，建议取消碳钢腐蚀率指标。

（三）融冰率试验

冰的初始质量和融冰时间对融冰率有重要影响，因此分别选取约40g和20g冰块作为初始质量开展融冰率试验。-5°C下的融冰率试验结果如表5所示，在室内试验条件下，当初始质量为40g时，4种混合物的融冰率数值基本在12%左右，不符合标准JT/T 1210.2-2018的要求；当初始质量为20g时，4种混合物的融冰的质量基本与初始质量为40g时差异不大，而融冰率的结果基本为24%左右，结果如表5所示。

为了验证试验结果的可靠性，通过对目前工程中广泛使用的融冰雪效果较好的盐化物材料产品进行融冰率试验发现，这些融冰雪盐化物材料的融冰率试验结果均不符合融冰率指标要求，但当冰块的初始质量为20g时，大部分融冰雪盐化物材料的融冰率指标不小于20%。因此，选用融冰率作为评价指标来评价混合料的融冰雪性能需要统一的试验标准，建议采用20g冰块开展融冰率试验，指标不小于20%。

表5 掺融雪剂沥青混合料的融冰率试验结果

表5 掺融雪剂沥青混合料的融冰率试验结果

五、结语

综上所述，建议采用权衡因子来修正非氯离子类盐化物的有效成分，提出将有效阴离子含量替代氯离子含量，作为融冰雪材料性能评价指标。醋酸离子的权衡因子Q=0.72，考虑到溶液酸碱性对碳钢类材料的腐蚀速度的影响，当溶液的PH值太大或者太小时，碳钢腐蚀缓慢，且由于实际施工中碳钢腐蚀率指标对环境的微弱影响，建议取消碳钢腐蚀率指标；建议采用20g冰块作为研究对象计算冰块的融冰率，且融冰率范围不小于20%。