MFL沥青融雪路面盐溶出性能评价

孙玉齐，薛 茹

（1.杨凌职业技术学院 水利工程学院，陕西 杨凌 712100；2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064；3.陕西交通建设养护工程有限公司 陕西 西安 710064）

MFL 沥青融雪路面的出现，使得路面抗滑性和抗凝固性得到了显著提升，从而提升了车辆驱动性与安全性。MFL 沥青融雪路面是在沥青混合料中添加MFL（盐化物），其中有效成分主要为NaCl、CaCl2、MgCl2等氯盐［1］，区别于直接撒盐方式，盐化物作用于路面与上部冰雪覆盖面结合处，直接降低冰雪同路面的结合力，在压力作用下，起到破冰效果。若路面积雪较少，盐化物析出，进一步减少道路表层凝固的可能，从而减少积雪的形成［2-4］。

在国内，张丽娟［5］对盐化物融雪沥青混合料进行研究［5］，徐剑、龚演、薛成等［6］对性能指标进行研究，吴淑娟［7］对适应性分区进行研究，吴欣桐等［8］对盐化物材料中蓄盐载进行研究，以及韩亮等［9］对盐化物铺装方面进行研究。MFL 沥青融雪路面中盐溶出性能的评估主要根据有效融雪成分的可释性，或通过抗滑系数来间接反映其融雪性能［10］，但是由于缺乏一套完善的融雪性能测试和评估方法，无法准确反映出该路面的长期融雪效果。文章针对这一问题，以MFL 盐化物为例，利用设计的试验方法评价长期融雪效果。有科研者利用导电率法测盐分的溶出量，但达到一定浓度就超出测量范围。若利用密度计［11］测量盐浓度，就可解决这一问题。

1 原材料技术性质

1.1 沥青

使用武汉路翔牌SBS 改性沥青，技术指标见表1。

表1 沥青指标Tab.1 Asphalt index

1.2 集料

用玄武岩碎石做粗集料，用玄武岩机制砂做细集料。材料都应该保持清洁、干燥无雨淋、没有风化或其他污染，同时还应该保证它们的强度和抗磨损性。所有材料的物理、力学特征都应该符合相关规范要求。

1.3 盐化物和矿粉

以日本生产的盐化物MFL 为添加物进行指标检测，结果见表2。

表2 MFL检测结果Tab.2 MFL test results

2 常温浸泡溶出法

研究发现，MFL 沥青融雪路面融雪效果同盐化物溶出量密切相关。为了更好地评价这种材料的长期性能，需要研究其长期溶出效果，并对其中盐化物溶出量进行评价。

文章使用了京山石料厂制造的矿粉。具体技术指标可参见表3。

表3 矿粉试验结果Tab.3 Mineral powder test results

通过比重计测量盐化物溶解后的溶液密度，可以计算出盐化物的释放量。

利用在已有沥青混合料中添加盐化物的方法制作马歇尔试件，常温条件下，按规定时间间隔测量盐化物溶出量，以此说明融雪的长期性能。

马歇尔试件盐化物溶出采用单表面溶出法同去底面溶出法相对照的方式来表征。通过单表面溶出法，可以在一个特殊的容器内，密封后仅保留一个表面外露，添加500 mL的蒸馏水使其外露表面浸泡在液体内，以确保溶出的效果。然后，在容器表面进行一次完全覆膜，防止水分蒸发，并在5 d 后进行一次溶出量的检验。通过对4 个样品进行平行测量，可获得平均溶出数据。外露表面积计算按式（1）所示。

式中：A1为外露表面积，单位m2；d为直径，标准试件的直径为（101.6±0.2）mm。

试验过程中，单面溶出速率过慢，不适合测量。为了获得更精确的实际测量结果，选择去底面溶出法，这种方式使得实际样品表层外露面积增大，增大了实际样品和液体之间的接触面积，并且可以在相同时间里提高实际样品溶出盐分量。外露面积按式（2）计算。

式中：A2为去底面外露面积，单位m2；h为量取试件厚度，标准试件尺寸为（63.5±1.3）mm。

利用MFL 沥青混合料马歇尔试件有效成分的溶出量，表征自融雪沥青路面融雪的长期融雪效果。将MFL 沥青混合料马歇尔试件底部密封后，置于加入20 ℃的500 mL 蒸馏水的容器中，注意封闭后将容器放置在（20±1）℃恒温箱中，防止水分蒸发。每隔5 d 测量溶液密度，若溶液密度变化较小，可以适当延长时间。过程中每测量密度之前应先称容器、水和试件总质量，若小于最初总质量应添加蒸馏水至最初质量后测密度。测完后恢复密封继续放置至下次测量，按此方法循环进行试验。根据MFL 沥青混合料盐化物量，计算溶出量占添加量的比例。计算结果达到90%以上时停止实验。

根据上述实验方法，在常温状态下，测定溶液密度，确定常温下盐溶出速率，按式（3）～式（5）计算盐化物溶出比（%）。

式中：mi为单个测试体中MFL 盐化物的添加量，单位g；M为单个测试体质量，单位g；OAC 为 油石比，单位%；K为MFL 盐化物添加量与矿料的比值，单位%；q为MFL 盐化物中盐分含量，单位%；ρ1为20 ℃水密度，单位g/mL；ρ2为20 ℃浸泡溶液实测密度，单位g/mL；Fq为试件中有效融雪盐分质量，单位g；P为溶出盐分百分比，单位%。

试验结果见图1。

图1 自然状态盐化物溶出曲线Fig.1 Dissolution curve of salinized substances in natural state

根据图1，常温浸泡结果溶出可分3段：0～10 d，高速溶出；10～110 d，匀速溶出；110 d 以后，减缓溶出。

由于0～10 d 溶出时，有少量盐化物直接暴露在试件表面，当接触到蒸馏水时，会迅速溶解，而且表面上的盐化物有效成分也会随着蒸馏水的加入而逐渐溶解，从而加快溶出速度。10～110 d重点是将沥青结合料内部的盐化物有效成分溶解，从表面开始，一步步深入，最终将其转移到外部溶液中。表面盐化物的溶解速度逐渐减缓，而内部的溶解速度不断提升，两者之间的相互作用使得整个溶解过程变得更加均衡。110 d以后溶出速度明显减缓，这是因为表层的盐化物已经完全溶解，而沥青结合料内部的盐化物也有一定程度的溶解，但剩余有效成分比前两个阶段大幅度减少，使得溶解表面积显著缩小，从而降低溶解速度。

3 加速浸泡溶出法

自然溶出实验过程需要大量时间，使得评估长期融雪效果变得较为困难，因此为了提升实验效率，需采取创新方法，以便获得更准确的结果。

据A.G.Hoiberg 的研究，沥青透水性与沥青软硬相关，低温下沥青变硬、透水系数小，当温度升高透水系数会变大，分子的扩散也会更迅猛［12］。根据理论分析，升高浸泡溶液的温度，盐化物有效成分的释放将变得更为迅猛，因而可以通过提高浸泡溶液温度的方式，找到一个合适温度来加速溶出。

3.1 确定加速溶出温度

将样品放入不同溶液中，在40、50、60、70、80 ℃下试验，持续时间为48 h。根据测得的溶出结果，绘制趋势图，以确定溶出速率的最大值点所对应的温度，见图2。

图2 不同温度下溶出百分比Fig.2 Dissolution percentage at different temperatures

根据图2结果发现，随着实验温度上升，溶出速率先升高后下降。溶出速率最大值出现在62 ℃附近。为了保证同其他试验方法条件具有统一性和对比性，按60 ℃进行加速试验。

3.2 加速溶出试验

在60 ℃加速试验中，延长浸泡时长，了解试件内有效成分的溶解情况，并以此为基础，最终形成了试件内各组盐溶出百分比时间曲线，具体情况可参见图3。

图3 盐化物溶出百分比时间曲线Fig.3 Dissolution percentage time curve of salt compounds

根据图3中的曲线变化，可以推导出公式（6）。

对公式（6）求导，得到曲线的切线公式（7）。

式中：u1为加速溶出实验中盐化物的溶出率，单位%；t1为浸泡时间，单位为d，由于开始溶出速率变化大，取t1≥0.25；u1'为有效成分溶出百分比速率；R为拟合公式相关系数。

u1'随着t1延长而减小，这与常温环境条件下盐化物有效成分溶出规律一致。

3.3 长期融雪性能评价

根据前期实验结果，当将加速浸泡溶出时间扩大8 倍后，溶出百分比同自然浸泡对应时间溶出百分比相近。因此将加速时间扩大8倍后曲线与常温溶出曲线拟合，见图4。

图4 曲线拟合图Fig.4 Curve fitting diagram

根据图4中的曲线变化，可以推导出公式（8）。

式中：u2为综合常温浸泡及加速浸泡盐化物溶出百分率，单位%；t2为综合常温浸泡及加速浸泡的浸泡时间，单位d，由于开始溶出速率变化大，取t2≥8。

由回归系数R2推断，当取t2≥8时，加速溶出同常温溶出具有很好的相关性，利用加速溶出试验结果可以替代常温溶出试验结果，推断MFL 盐化物沥青路面作用时间，降低试验周期。

因此，用加速溶出试验预估MFL 盐化物沥青路面t（d）后融雪有效性，推断路面长期融雪性能。

将t1=t/8代入公式（6），得到：

通过路面积雪覆盖作用面积与溶出作用面积A2（去底面外露面积）进行路面表面面积预算，可以计算出道路上的盐分对道路的影响，具体可以参考公式（10）。

式中：t为盐化物有效持续作用时间，单位d；a、b分别为系数14.137、8.300 1；α为试件面积折算系数，取3.5。

当盐化物溶出量为100%，即u=100 时，按公式（11）预估MFL盐化物沥青路面作用时间。

对于不同配比MFL 盐化物沥青路面混合料试件，同样试验过程推导出如（9）的公式，进而得到不同的a、b值，代入公式（10）即可计算得出盐化物的有效连续作用时间，即雨雪天气不间断情况下盐化物沥青路面能持续作用的时间。假设在连续的雨水或雪水条件下，这种盐化物对道路的稳固性可保证600 d 以上。实际应用中，考虑到各个地区的降水量和降水天数，并通过这些信息来调整对这种盐化物的预期寿命。

4 结语

1）基于MFL 有效成分溶出后溶剂密度变化的特性，利用密度计测量溶液密度，确定MFL 有效成分溶出速率同时间变化关系，绘制曲线图并分析常温溶出3阶段特点。

2）由分子扩散确定加速溶出试验方法，确定加速条件后，利用加速溶出确定溶出关系曲线。对比常温浸泡，采用加速浸泡试验方法可以缩短试验时间。

3）试验结果经数据处理后，推导出长期评价公式，可以确定MFL沥青混合料路面的持续作用时间。