路用蓄盐除冰纤维配比设计及除冰性能确定

阳恩慧,廖苑淞,张晓靖,李 杰,马博男,袁飞云,邱延峻

(1.西南交通大学 土木工程学院,成都 610031;2.西南交通大学 道路工程四川省重点实验室,成都 610031;3.四川雅康高速公路有限责任公司,成都 610041;4.四川高速公路建设开发集团有限公司,成都 610041)

蓄盐除冰雪作为一种主动的道路除冰技术被各国青睐。Wu等[1]采用除冰盐Mafilon,以等体积取代矿物填料的方式设计蓄盐抗冻沥青混合料,采用定性观察法、倾斜剪切试验和剥离试验来评估其抗冻性能。Chen等[2]总结以往学者研究,针对一种蓄盐抗冻混合料,基于准液层理论的冰粘附模型很好地解释了蓄盐抗冻沥青混合料可以显著减弱冰的粘附强度。Shan等[3]通过向改性乳化沥青中添加除冰盐,研发一种抗凝冰乳化沥青,该种沥青可以使冰-路附着力降低约50%。Luo等[4]采用除冰剂替换改性沥青混合料中的矿物填料,制备蓄盐除冰混合料,此混合料不仅在融冰性能方面表现出显著优势,而且在抗车辙和低温性能方面的表现也明显优于常规SBS混合料。以往研究表明,蓄盐除冰是一种极具前景的路面除冰技术,近年来此项技术不断发展并应用于实际路面,但仍存在诸多不足。张丽娟等[5]通过等体积替换法将融冰雪添加剂MFL掺加到沥青混合料中,优化其配合比设计,但由于材料为非自主研发而缺乏创新性。孙玉齐[6]提出不同分区蓄盐自融雪沥青混合料配合比设计的指导原则,对材料的本身没有进一步研究。孙嵘蓉[7]从蓄盐载体、制备工艺、表面改性等方面进行蓄盐材料的研制,研发了具备一定融冰雪效果且满足路用性能的主动除冰路面。冯雷[8]综合融冰雪效果、经济和环保等多方面因素,选择一种多孔复合材料作为蓄盐载体,无机盐作为主要的有效除冰雪成分,使其代替部分沥青混合料中矿粉,制备自融冰雪沥青混合料,材料具备一定的缓释和除冰效果,但制备工艺较复杂。

目前的蓄盐路面添加剂主要成分多为氯盐产品,会对环境产生不可逆的影响。基于此现状,研究者开始研发生态友好型抗凝冰材料,以此替代现有产品[9-13]。张航[14]首次将路用纤维作为蓄盐载体,制备了蓄盐复合纤维沥青胶浆,并对蓄盐复合纤维进行了微观试验,测试了混合料冰附强度,验证其材料具备除冰能力和良好的路用性能,但未对其缓释性能进行测试。零立山[15]采用醋酸钠和醋酸钾作为有效除冰成分,选择硅藻土为蓄盐载体,以缓释性、融冰量等性能作为评价指标,确定环保除冰添加剂的成分比例,并研究环保除冰填料对沥青和沥青混合料的影响。张亚贤[16]通过融冰试验确定了有机盐的复配比例,对环保除冰材料进行表面包膜、造粒处理,制备出路用抑凝冰材料,但其缓释性能欠佳。

为制备兼具环保、经济、缓释的除冰路用材料,文中选取乙酸钠、乙酸钾、甲酸钠作为有效抗凝冰成分,木质纤维和海泡石纤维作为蓄盐载体。通过融冰试验和电导率试验确定各成分配比,选择自干渗透型有机树脂做表面改性剂,对制备工艺进行研究,研制出环保除冰材料,并对其性能进行分析。

1 材料选择和试验方法

1.1 材料选择

1.1.1 环保抗凝冰材料

目前,可用的环保型抗凝冰材料有甲酸钠、乙酸钠、乙酸钾等有机盐。

甲酸钠(HCOONa)作为一种有机盐,具有一定的抗凝冰作用,对路面的使用寿命基本没有大的影响。甲酸钠可作为除冰路面的添加剂,具有降低溶液冰点功能,且毒性低,低浓度溶液可以直接排入污水系统中,其熔点为253 ℃,对土壤的侵蚀性也远小于氯化钠。

乙酸钠(CH3COONa)也是一种有机盐,呈白色粉末状,通常作为机场跑道除冰剂的一种,没有腐蚀性。相比甲酸钠,乙酸钠同浓度下具备更优秀的融冰能力,因为溶液的冰点更低。研究表明,乙酸钠可明显减小冰与路面的粘附力,其熔点为324 ℃。此外,乙酸钠毒性低,低浓度的乙酸钠甚至可以添加进食品中作为食品添加剂。

乙酸钾(CH3COOK)同样是醋酸盐的一种,呈无色结晶或者白色粉末状,也可用作抗凝冰物质,代替氯化钙和氯化镁之类的传统氯化物。它对土壤的侵蚀和腐蚀性更小,尤其适用于机场跑道除冰,但缺点是价格较昂贵。

1.1.2 纤维载体

当前,用于道路建设的纤维材料包括木质素、玄武岩、聚酯类和海泡石等。聚酯纤维和玄武岩纤维都是通过化学处理和机械加工制成的合成高聚物和矿物纤维。它们通常为白色,带有光泽,呈圆柱形,但长度较长,达到厘米级别。由于表面光滑,不适合用作蓄盐载体。

木质素纤维是植物纤维中的一种,它们具有浅绿色或灰色的外观,是一种有机纤维,是由天然可再生木材经过化学处理等加工得到的絮状纤维物质,耐酸耐腐蚀,对人体无害,且比重小,比表面积大,对沥青有很好的吸附作用。海泡石纤维作为非金属矿物纤维的一种,通常为白色,有时为红色或浅灰色等,通常呈致密状或土状。由于该纤维具有层链状特殊结构,孔容和比表面积很大,吸附性能和流变性能都很好,表现出多孔介质特性,可有效吸附和储存盐类物质。

综合考虑宏观和微观特性,选用木质素纤维和海泡石纤维作为蓄盐载体。木质素纤维富有毛状且状似绒毛的外观(见图1),而海泡石纤维则呈现高比表面积和孔隙度、致密土的形态(见图2)。

图1 木质素纤维

图2 海泡石纤维

1.1.3 沥青

通过以往的研究,由于沥青种类不同产生路面冻粘强度的变化很小,为避免不同沥青对数据的影响,文中统一采用SBS改性沥青,并参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)对该沥青的各项指标进行检测,检测结果表明,SBS改性沥青的各项指标均满足要求。检测结果如表1所示。

表1 沥青性质

1.1.4 表面改性剂和骨料

文中表面改性剂采用自干醇溶性有机树脂(SJ-140M),选用的粗、细集料均为玄武岩矿料,矿粉和集料均满足《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)。

1.2 试验方法

1.2.1 蓄盐纤维及沥青混合料制备

1)蓄盐纤维制备。首先将自来水加热到50～60 ℃,再加入适量的复合有机盐,通过搅拌使盐充分溶解,制成盐溶液;先后加入一定质量的海泡石纤维和木质素纤维到盐溶液中,并按照固定的纤维与盐的质量比例添加,然后在微沸状态下持续搅拌,使纤维与盐溶液充分混合,得到共混物;将共混物倒进0.075 mm的筛子过滤掉多余水分,随后放在130 ℃的烘箱里进行烘干,取出并将其打碎,通过 0.6 mm 筛网过筛后得到蓄盐纤维粉体;将蓄盐纤维粉体加入到单组分高温型有机树脂中,将其充分搅拌后放进130 ℃的烘箱里烘干2 h,将烘干后的混合物打碎,通过0.075 mm筛孔,得到表面改性过后的蓄盐纤维。

2)沥青混合料制备。级配与沥青用量如表2所示,蓄盐纤维采用等体积法掺入沥青混合料中,替换率为66%。试件成型参照旋转压实方法。

表2 矿料级配和沥青组成 %

1.2.2 成分配比试验

1.2.2.1 基于单纯形重心设计的融冰试验

1)首先准备21个直径为10 cm的不锈钢杯子。使用这种杯子可以使冰块更快地冻结且有较大表面积,以便更容易测定融冰效果。接着将相同体积的水加入到杯子中,使用量筒将水量控制在100 mL。然后将装有等量水的不锈钢杯子放入到-12 ℃的冰箱中,冷冻约5 h以保证冰块完全冻结。

2)根据表3中各物质占比,制备出不同比例且总质量等于10 g的主物料混合料,为减小试验的系统误差和偶然误差,确保数据的准确性,每种比例混合物均需制备3份,因此需准备21份预先冻结好的冰块,然后将不同占比的混合物均匀铺洒在冻结好的冰块上,将冰箱温度调节为-10 ℃。

表3 融冰试验测试结果

3)2 h后,将各杯子中的溶液倒进量筒中量取冰融化后水溶液的体积,取其平均值。用融化后溶液的体积作为评价复合盐融化冰雪的功效。

1.2.2.2 电导率试验

纤维对有机盐的吸附能力有限,为确保混合纤维的吸附能力,避免多余的有机盐产生无谓耗散,按照混合有机盐(乙酸钠∶乙酸钾∶甲酸钠=7∶2∶1)∶混合纤维比例为5∶1～1∶1的比例制备含有混合有机盐的蓄盐纤维。取每个比例样品的1 g放于200 g的水中,测定其随时间变化的电导率。

1.2.3 蓄盐纤维沥青混合料融冰除冰试验

1)融冰试验。通过旋转压实方法制备6个高度相同,其中3个为蓄盐纤维替换率为66%的沥青混合料试件,3个为普通沥青混合料试件备用。准备一个铁盘,将马歇尔试件模具放入其中,向模具中倒入200 mL自来水,将铁盘放置在-14 ℃的低温试验箱中保温8 h,使其完全结冰,然后将模具放于室温下30 min,取下直径为101.6 mm且高度相同的饼状冰块。将冰块放置于准备好的沥青混合料试件上方,然后将其放入-1 ℃的低温箱中保温2 h,取出试件表面的残留冰块并称量其质量。

2)冻粘剪切试验。将试件置于温控箱中降温,随后向冰筒中加水并保持在温控箱中一定时间,以确保水柱冻结在试样表面。将冻结好的试件快速转移到UTM机的操作台上,进行直剪试验,记录剪切破坏时的最大荷载为剪切应力。试件选取蓄盐纤维沥青混合料AC-13作为试验组,普通沥青混合料作为对照组。试验组的冻结时间选择为8 h,冻结温度为-10 ℃,对照组在相同条件下进行试验。充分结冰后,通过冻粘剪切试验测定冰与路面的冻粘剪切强度。

2 结果与讨论

2.1 蓄盐填料的成分配比确定

2.1.1 有机盐复配比例确定

通过基于单纯形重心设计的融冰试验,测定了部分不同材料内部占比配方的融冰能力,并将数据代入回归公式,计算出各成分占比的融冰能力,如表3所示。

根据表3的结果,如果不考虑成本,将融冰能力作为最终评价指标,可以选则m(A1)=0%、m(A2)=70%、m(A3)=30%;综合考虑到环保性能、经济性能和融冰性能,防止单一离子堆积过多对生态环境造成影响,同时控制材料的成本,宜选择A1占比较多,其余离子共存的配方作为最终配方。当m(A1)=70%、m(A2)=20%、m(A3)=10%时,其融冰效果也相对较好,同时A1为主要成分,并且环保性能较好,所以确定配方为m(A1)=70%、m(A2)=20%、m(A3)=10%。

此配方的融冰效果虽然不是最佳,但相对较好。经调查,项目所在地四川省康定市2022年最低气温为-12 ℃,相比北方不具备长期的低负温环境,而且项目绝大部分路段周围都有植被覆盖,对配方的环保性要求较高,选择此配方能够满足融冰雪或降低冰和地面冻粘的要求,且对生态环境友好。

2.1.2 纤维复配比例确定

针对不同比例混合纤维的样品溶液进行电导率试验,试验结果如图3所示。

图3 电导率试验结果

由图3可知,随着混合纤维的占比增大,样品溶液的初始电导率和最终稳定的电导率均增大。电导率初始值表示简单吸附于纤维表面的有机盐溶于水的数量,最终值代表样品中盐的总量多少。随着时间的增加,比例为5∶1、4∶1和3∶1的溶液电导率逐渐增大,意味着吸附于纤维孔道的盐逐步析出,最终达到稳定。比例为2∶1和1∶1的溶液电导率随着时间增加,基本保持不变,说明大部分盐吸附于纤维的表面,很快就析出达到稳定。比例为5∶1的溶液电导率增加幅度最大,初始值和最终值相差3倍,说明纤维很好地吸附了有机盐,但由于纤维比例并没有达到上限,部分有机盐未被充分吸附,因制备工艺的误差而耗散掉。比例为4∶1的溶液电导率达到稳定需要的时间最长,具有优秀的缓释作用,但最终的电导率与4∶1相差不多,有机盐的无谓耗散仍较多。比例为3∶1的溶液电导率随时间逐步增加,在40 min时达到稳定,并且稳定的电导率为1 780 μs·cm-1,接近几个比例最大的电导率。综上所述,选择复合有机盐和混合纤维比例为3∶1作为最终的配方比例,该比例下纤维能充分吸附有机盐,并具有初步的缓释效果,有机盐的耗散较小。

2.2 蓄盐纤维沥青混合料融除冰性能分析

由表4可知,蓄盐纤维替换率为0%的普通沥青混合料,由于试件本身温度高于0 ℃,冰块在接触后发生了吸热融化,2 h后的融冰速率为123 g·(h·m2)-1。蓄盐纤维替换率为66%的沥青混合料的融冰速率为1022 g·(h·m2)-1,远远超过了普通沥青混合料,这是由于试件表面的盐分析出,降低了表面溶液的冰点,导致冰块的融化,这也验证了蓄盐纤维沥青混合料具备一定的除冰能力。

表4 普通试件和蓄盐纤维试件融冰结果

由表5可知,在-10 ℃的较低温度且凝冰充分条件下,添加了蓄盐纤维的混合料冻粘剪切强度相较于普通的沥青混合料降低了33%,这说明即便环境温度低于溶液的冰点,蓄盐纤维仍具备降低冰与路面粘附的能力。通过分析破坏面可以知道,沥青混合料表面附着一层冰沙,这是复合有机盐溶解于水后,降低了试件表面和冰体之间的冰层本身强度,使路表出现一层质地疏松的冰,在荷载作用下变得更易破碎。

表5 普通试件和蓄盐纤维试件冻粘强度

3 结 论

1) 综合其融冰功效和经济效益选择最佳复合有机盐配合比为乙酸钠∶乙酸钾∶甲酸钠=7∶2∶1。

2) 当纤维内部比例为1∶1、复合有机盐∶纤维=3∶1时,该比例下纤维吸盐缓释效果最佳。

3) 在融冰试验中,蓄盐纤维沥青混合料的融冰速率为1 022 g·(h·m2)-1,表明其融冰能力良好。

4) 在较低温度条件下凝冰后,蓄盐纤维沥青混合料表面冻粘强度比普通沥青混合料下降33%,路面冰体更易破碎,其除冰降粘效果良好。

文中仅对蓄盐纤维实际运用的短期抗凝冰性能进行探索,未对其长期抗凝冰性能进行验证,后续可以建设道路试验段,检验其耐久及缓释性能,研究方法可为同类型研究提供参考。