宁夏地区蓄盐类集料抗凝冰沥青路面设计方法研究

窦占双，韩方元*，郭书林，孙跃轩，刘 宁

（1.宁夏交通建设股份有限公司，宁夏 银川 750004；2.宁夏公路管理中心，宁夏 银川 750000）

冬季道路冰雪灾害问题困扰着大部分北方地区，宁夏冬季寒冷而漫长，雨雪天气后交通事故频发，严重影响人民群众生命安全及交通运输，仅依靠传统的被动融雪技术已经不能满足交通运输需求，有必要及时研究和发展主动抗凝冰沥青路面技术，保障冬季运输效率及通行安全。向路面中添加蓄盐缓释类材料是主动抗凝冰技术的主要技术路径之一，目前蓄盐缓释类材料主要有蓄盐类集料、蓄盐类填料两种[1]。谭忆秋等[2]分析了主动融冰雪路面的分类及路用性能，但是未对各主动融冰雪沥青路面的配合比设计方法进行说明。白艳君[3]、崔龙锡[4]提出了蓄盐类填料抗凝冰沥青路面的配合比设计方法。冯超[5]分析了蓄盐类填料对沥青混合料设计以及路用性能的影响。通过分析研究现状可知，目前研究人员对蓄盐类填料的配合比设计方法及性能有较为详致的研究，但是针对蓄盐类集料的配合比设计方法鲜有提及。现阶段蓄盐类集料均是以直接外掺的形式加入到沥青混合料中，由于其粒径较大，会对沥青混合料的级配、空隙率及性能等造成影响。而宁夏地区的高等级公路路面常用的红砂岩石料级配偏粗，受到的影响会更大。因此，本文针对宁夏地区蓄盐类集料抗凝冰沥青混合料级配以及性能进行研究，旨在得出适用于该地区的蓄盐类抗凝冰沥青路面设计方法。

1 材料与方法

1.1 原材料

（1）蓄盐类集料抗凝冰剂。蓄盐类集料抗凝冰材料为颗粒状盐化物，粒径与3～5 mm 集料相近，颗粒级配如表1 所示。现阶段蓄盐类集料抗凝冰沥青混合料的配合比设计主要有代替细集料和作为外掺剂使用这两种方式。

表1 蓄盐类集料抗凝冰剂颗粒级配

通过对蓄盐类集料抗凝剂进行试验可知，其压碎值为20%，强度较高，满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）[6]的要求，但其经过泡水后，基本没有强度。抗凝冰剂经沥青裹附后，强度衰减较慢，各种状态如图1 所示。

图1 抗凝冰剂各种状态

（2）红砂岩。宁夏地区高等级公路沥青面层使用的是该地区特有的红砂岩，其规格较单一，合成级配波动范围较小。取5 个不同公路项目的集料进行级配分析，各粒径的颗粒级配平均值如表2 所示，各筛孔通过率标准差均在4.5%以内。

表2 各档原材料颗粒级配

（3）抗剥落剂。由于红砂岩是酸性材料，与沥青的黏附性较差，经试验验证，本文采用外掺0.4%的抗剥落剂以提高红砂岩与沥青的黏附性。

1.2 级配设计方案

经过多组级配的调试以及工程经验，普通沥青混合料的掺配比例为10～15 mm 碎石∶5～10 mm 碎石∶3～5 mm 碎石∶0～3 mm 机制砂∶矿粉的比例为27∶32∶6∶31∶4，级配曲线如图2 所示。最佳油石比均为5.0%。由图2 可知，合成级配的4.75 mm 筛孔通过率靠近下限，级配偏粗，这是宁夏地区红砂岩AC-13 沥青混凝土的特有现象。

图2 普通混合料级配

采用第1 种添加方式，以蓄盐类集料全部替代3～5 mm 碎石，即10～15 mm 碎石∶5～10 mm 碎石∶蓄盐类集料抗凝冰剂∶0～3 mm 机制砂∶矿粉的比例为27∶32∶6∶31∶4，级配曲线如图3 所示。由图3 可知，4.75 mm的通过率超过下限明显偏粗，超出了级配的下限要求，容易造成空隙率偏大，易造成沥青路面水损害。采用第2 种添加方式，将抗凝冰剂作为外掺剂使用，外掺剂量同样为6%，将其换算成内掺后各档料的比例，即10～15 mm 碎石∶5～10 mm 碎石∶蓄盐类集料抗凝冰剂∶3～5 mm 碎石∶0～3 mm 机制砂∶矿粉的比例为25.47∶30.18∶5.67∶5.67∶29.24∶3.77，其级配曲线如图4所示。假设抗凝冰集料强度随着盐分的释放全部丧失，无骨料作用，其级配仍满足原有的碎石级配。

图3 替代集料混合料级配

图4 直接外掺混合料级配

2 结果与分析

2.1 盐分析出对空隙率的影响

随着盐分的逐渐释放，沥青混合料内部空隙率会不断增加，水分更容易进入沥青混合料内部，影响沥青与集料的黏附性，从而对沥青混合料的路用性能产生不利影响。因此对抗凝冰沥青混合料的空隙率研究至关重要。普通沥青混合料、抗凝冰剂替代集料沥青混合料和抗凝冰剂直接外掺沥青混合料的空隙率通过25 ℃泡水试验进行测定，试验结果如图5 所示。

由图5 可知：普通沥青混合料最为密实，空隙率最小，随着浸泡时间的增长，空隙率增长的速率也最低；替代集料方式的抗凝冰沥青混合料的空隙率最大，随着浸泡时间的增长，空隙率增长的速率也最高；以外掺方式加入抗凝冰剂的沥青混合料空隙率居中，增长速率也较为缓慢。空隙率均在4%左右，符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）[6]AC 类沥青混合料3%～5%的中值要求。

图5 空隙率变化

2.2 抗凝冰沥青混合料对路面性能的影响

沥青混合料的三大路用性能评价指标有高温抗车辙性、低温抗裂性和水稳定性。对于抗凝冰沥青混合料应重点关注其空隙率变化引起的水稳定性变化以及高温抗车辙性能[5]。

2.2.1 高温稳定性 高温稳定性通常采用车辙试验进行验证。抗凝冰沥青混合料的空隙率会随着盐分的释放而增大，尤其是抗凝冰剂以替代碎石方式的沥青混合料，盐分释放后集料能否起到骨架支撑的作用，会直接在车辙试验上反映出来。不同类型的车辙试件在不同浸水时间状况下的试验结果如图6 所示。由图6 可知：普通沥青混合料的动稳定度最为平稳；以抗凝冰剂直接替代碎石的沥青混合料的初始动稳定度最高，但下降速率也最快；直接外掺方式的抗凝冰混合料的初始动稳定度较普通沥青混合料略高，下降速率与普通混合料基本持平。分析原因如下：以抗凝冰剂替代碎石的沥青混合料在盐分释放后，抗凝冰剂的骨料作用衰减严重，造成高温抗车辙性能衰减严重；直接外掺方式的抗凝冰沥青混合料在盐分释放后，造成空隙率增大，但是原有级配发挥着骨架作用，其高温抗车辙性能衰减幅度较小。

图6 沥青混合料动稳定度

2.2.2 水稳定性 本文采用冻融劈裂强度比对3 种类型的沥青混合料进行水稳定性分析，试验结果如图7 所示。由图7 可知，普通混合料与两种添加方式的抗凝冰混合料的冻融劈裂强度比处于同一水平。冬季的反复冻融作用更加考验抗凝冰混合料的水稳定性，因此本文基于冻融劈裂试验进行沥青混合料的抗冻融循环研究。冻融试件首先在97.3～98.7 kPa 的真空度下饱水15min，接着在常压下的水中放置30 min，然后在塑料袋中洒水10 mL 进行密封，置于-18 ℃的温控箱中冷冻16 h，最后立即放入60 ℃的恒温水槽中浸泡24 h，此为1 个循环。将需要进行冻融循环的试件接着放入冰箱中继续冷冻，再进行恒温水浴，直至达到相应次数的冻融循环。在达到冻融循环次数后，将冻融试件与未冻融的试件在25 ℃恒温水槽中浸泡2 h，分别测试试件的劈裂抗拉强度[7]。不同循环次数试件的冻融劈裂强度比结果如图8 所示。

图7 冻融劈裂强度比

由图8 可知：初始冻融循环中不同级配设计方法下试件的冻融劈裂强度比衰减迅速；普通沥青混合料在10 次冻融循环后，冻融劈裂强度比逐渐趋于稳定；直接外掺方式的抗凝冰沥青混合料在经过大约10 次冻融循环后，衰减速率明显降低；替代集料方式的抗凝冰沥青混合料初始冻融劈裂强度比最低，其衰减幅度随着冻融循环次数的增加而增大。在真空饱水阶段，沥青混合料由于其多孔性，水分充满了内部孔隙。在冷冻阶段，当温度降低到冰点以下，孔隙中的水开始冻结，并且在冻结过程中，自由水分向冻结锋面不断迁移，在沥青混合料的孔隙通道内产生渗透压力，未冻水的迁移会使内部已冻结的冰继续膨胀，从而产生膨胀压力，在渗透压力和膨胀压力的复合作用下，沥青混合料冻结区域内的孔隙继续扩大。由于抗凝冰材料盐分的释放，混合料的空隙率逐渐增大，水分更加容易进入混合料内部，在最初的冻融循环中，混合料的劈裂强度衰减较快。但是在试验条件中自由水分有限，在经过足够的冻融循环后，冻结过程中水分的迁移量也逐渐减小，冻结冰对孔隙壁造成的膨胀力逐渐趋于稳定，沥青混合料内部的损伤也不再发展[8-9]。

图8 试件的抗冻融循环能力

2.3 抗凝冰沥青混合料融雪及路用性能分析

抗凝冰沥青混合料的抗凝冰能力主要采用冰点试验进行评价，按照《公路沥青混合料用融冰雪材料第2 部分：盐化物材料》（JT/T 1210.2—2018）[10]进行评定。首先，将吸饱水的海绵放在不同类型混合料的马歇尔试件上，一并放入低温温控箱中，在-5 ℃下恒温4 h；然后，使用人力将海绵与试块分离，记录海绵从试块表面分离的难易程度，每次降低2.5 ℃，重复上述过程直至达到海绵与试块表面在用手拿起海绵轻微抖动时海绵与试块分离为准的温度，以此温度作为冰点值，如图9 所示。

图9 冰点试验

经过测试，普通沥青混合料在-5 ℃时已经难以剥离，替代集料和直接外掺方式的抗凝冰沥青混合料冰点均达到了-17.5 ℃，因此两种添加方式的抗凝冰沥青混合料的抗凝冰效果基本处于同一水平。

3 结论

（1）通过试验可知，基于宁夏地区的原材料，蓄盐类抗凝冰剂以直接外掺的方式加入到沥青混合料中对级配的波动范围影响较小；抗凝冰沥青混合料随着盐分的释出，空隙率逐渐变大，直接外掺方式的抗凝冰沥青混合料的空隙率波动较小，符合规范的要求。

（2）直接外掺方式的抗凝冰沥青混合料在盐分释放后，对骨架作用的影响较小，对高温抗车辙能力无负面影响；不同级配设计方法的沥青混合料的冻融劈裂强度比处于同一水平，但经过冻融循环后，替代集料方式的抗凝冰沥青混合料水稳定性衰减严重；替代集料与直接外掺方式的抗凝冰沥青混合料冰点处于同一水平。

（3）综合级配波动、空隙率变化、路用性能以及抗凝冰效果可知，对于宁夏地区的沥青路面，蓄盐类集料抗凝冰剂以外掺的方式加入到沥青混合料中更为合适。