缓释型抗冰冻混合料铺装路面抗凝冰效果及长效保持机制研究

摘 要：【目的】针对冬季冰雪天气桥面结冰导致的交通安全问题，开展缓释型抗冰冻沥青混合料研究。【方法】通过融化试验、撕裂试验和电导率试验，对比评价SMA-13-国产和SMA-13-MFL的短期融冰和长期防冰效果。【结果】融化试验表明，进口MFL抗冰冻剂的融冰能力优于国产抗冰冻剂。撕裂试验表明，国产抗冰冻剂的融冰性能优于进口MFL抗冰冻剂。盐分融析电导率试验表明，进口MFL抗冰冻剂的析出速率大于国产抗冰冻剂；进口MFL抗冰冻的融雪除冰效果可持续2～3年，国产抗冰冻剂的融雪除冰效果可持续3～4年。【结论】缓释型抗冰冻混合料在桥面铺装中具有较好的推广应用前景。

关键词：MFL；国产抗冰冻剂；融化；撕裂；电导率

中图分类号：U414     文献标志码：A      文章编号：1003-5168（2024）08-0071-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.08.014

Study on Anti-Icing Effect and Long-Term Maintenance Mechanism of Slow-Release Anti-Freezing Mixture Pavement

ZHAO Luxia

（Jiangsu Provincial Transportation Engineering Group Co.， Ltd.， Zhenjiang 212143，China）

Abstract： [Purposes] This paper aims address the traffic safety issues caused by bridge decks being prone to freezing during winter ice and snow weather， it is necessary to conduct research on slow-release anti freezing asphalt mixtures. [Methods] This article compares and evaluates the short-term ice melting and long-term anti icing effects of SMA-13 domestic and SMA-13-MFL through melting tests， tear tests， and conductivity tests. [Findings] The research results show that the melting test shows that the melting ability of imported MFL anti freezing agent is better than that of domestic anti freezing agent. The tear test shows that the melting performance of domestic anti freezing agents is better than that of imported MFL anti freezing agents. The salt thawing conductivity test shows that the precipitation rate of imported MFL antifreeze is higher than that of domestic antifreeze; the imported MFL anti freezing snow melting and deicing effect can last for 2～3 years， while the domestic anti freezing agent's snow melting and deicing effect can last for 3～4 years. [Conclusions] The slow-release anti freezing mixture has good prospects for promotion and application in bridge deck pavement.

Keywords： MFL; domestic anti-freezing agent; melting; tear; conductivity

0 引言

冬季桥面通常先于路面产生薄冰层，导致其抗滑性能急剧下降，严重危害车辆的行车安全。常见的融雪技术主要为被动融雪和主动融雪。被动融雪包括机械、人工和融雪剂除雪；主动除雪主要包括缓释型融冰雪技术、橡胶颗粒除冰雪技术、热力融冰雪技术等［1-3］。近些年来，缓释型抗冰冻混合料的研究较多。彭智宇等［4］研究了不同融雪剂对沥青混合料水稳定性能的影响，研究表明，NaCl的含量对混合料影响较大。于国功等［5］开发了一种环保缓释微胶囊自融冰剂，并在京雄高速公路施工中进行应用，取得了不错的融雪效果。葛浩［6］提出将防冻剂加入沥青路面进行主动抑冰除雪，并在桥面铺装工程中进行应用。目前，国内学者的研究主要聚焦于缓释型抗冻剂和沥青混合料的配伍性，而针对抗冻混合料的融雪除冰效果方面的研究还较少，尚没有标准的试验评估方法。本研究对进口MFL和国产抗冰冻剂，通过撕裂和融化试验，从融化能力以及冰层与混合料的黏结情况等方面，评估不同抗冰冻剂的短期融冰雪效果。同时，采用盐分溶析电导率试验方法，评估抗冰冻剂融雪除冰效果的长效性。

1 融化试验

采用马歇尔击实的方法，成型3组标准的马歇尔试件，分别为普通SMA-13、SMA-13-MFL、SMA-13-国产。抗冰冻剂的融冰效果试验步骤如下：①准备3个容积、大小、刻度等参数相同的塑料量筒，并称量各自的重量；②将3个量筒内分别加入800 mL蒸馏水，将制作好的马歇尔试件放入量筒中，称取三者的重量；③将三者同时放入环境温度为-5 ℃的恒温箱中冰冻24 h；④24 h后取出量筒，观察试件与冰层的黏结情况，将3组试件置于23 ℃的恒温环境中，自然融化；⑤每隔1 h倒去融化的水，并称重剩余重量，利用重量差得出各组试件的融冰能力大小。观察试验结果可见：SMA-13-国产试件的黏结层有较密的白色小气泡；SMA-13-MFL试件的黏结层有部分白色小气泡；普通SMA-13试件的表面几乎无气泡。

为对比3组试件的融冰效果，项目组每隔1 h测量冰融化的质量损失，根据冰的融化情况，得到最终3组试件的融化时间，具体试验记录见表1。比较3组试件的融冰效果可知，普通SMA-13试件融化时间共计595 min，SMA-13-国产试件融化时间共计580 min，SMA-13-MFL试件融化时间共计571 min。由融冰时间可知，SMA-13-MFL试件总融化时间最短，SMA-13-国产试件次之，普通SMA-13试件最长。

由表1可知，普通SMA沥青混合料试件起初融冰能力高于掺国产抗凝冰剂的沥青混合料试件，但后期能力急速降低，表面未掺加缓释型抗冰冻剂的融冰能力较低，靠自然融化为主。掺加MFL的沥青混合料试件的融冰能力初期较高，后期一直处于较平稳状态，而掺国产抗凝冰剂的沥青混合料试件初期融冰能力较差，后期逐渐恢复至平稳状态。结合总融冰时间，可得出结论：MFL抗冰冻剂的融冰能力优于国产抗冰冻剂，同时，黏结层表面的白色小气泡说明掺国产抗凝冰剂的沥青混合料与冰层的黏结力低于掺MFL的沥青混合料试件，当车辆行驶在上面时，冰层更易于破碎。

2 撕裂试验

为了定量分析掺加抗冰冻剂与不掺加抗冰冻剂的沥青混合料试件的除冰效果，本研究开展了撕裂试验，利用测力装置，针对-5 ℃和-10 ℃环境下沥青混合料试件与冰在低温下冻结形成的黏结力进行测量。撕裂试验的步骤如下：①采用马歇尔击实的方法，成型标准的马歇尔试件；②选取试件表面粗糙度相近的试件进行试验，以控制变量，保证试验的准确性；③将布条铺在试件表面，用水淋湿布条和试件，然后将试件置于高低温环境箱中（勿移动布），等待环境箱的温度稳定后，用水壶将试件淋湿；④冷冻24 h后，将试件从高低温箱中取出，迅速安装在试验机上；⑤开动撕裂试验机以40 mm/min的速率向上拉动，当布条完全从试件表面剥落时，记录撕拉试件表面数据的最大值作为试件与冰的结合力。在撕拉试验进行中，注意布条与马歇尔试件的接触情况，当布条与马歇尔试件表面分离时，停止试验。3组沥青混合料试件的撕裂试验结果见表2。

由表2可知，随着温度的降低，布条与沥青混合料试件表面的黏结力均有所上升，其中普通沥青混合料的增加尤为明显；SMA-13-国产试件的黏结力低于SMA-13-MFL试件，说明SMA-13-国产的路面与冰层黏结力更低，在外加荷载的作用下，冰层更易于破碎。

在-5 ℃的试验条件下，普通SMA-13试件的黏结力为52.80 N。SMA-13-国产试件布条与冰层的黏结力为7.90 N，远小于普通SMA-13试件，SMA-13-MFL试件黏结力为27.92 N。

在-10 ℃的试验条件下，普通SMA-13试件开始用设备撕拉时，利用人工力量并不能压住，经过1 min的自然融化，测出的黏结力为188.34 N，而SMA-13-国产试件与冰层的黏结力仅为普通SMA-13试件与冰层黏结力的15.2%，SMA-13-MFL试件与冰层的黏结力为普通SMA-13试件与冰层黏结力的20.5%。分析原因可知，缓释型抗冰冻剂析出至试件表面，降低了试件的冰点，减小了冰层与试件的黏结力，使得冰层与试件的黏结力降低。

因此，在-5℃和-10℃低温环境下，国产抗冰冻剂材料与进口MFL均有较好的融冰雪效果，且国产抗冻剂优于进口MFL。由-5℃和-10℃下的撕裂试验可知，布条与试件的黏结力大小为：普通SMA-13>SMA-13-MFL>SMA-13-国产，即融冰效果大小为：国产抗冰冻剂>MFL抗冰冻剂。

3 长期融冰效果评价

采用全溶法测试SMA-13-MFL沥青混合料和SMA-13-国产沥青混合料的盐分溶析情况，具体试验步骤如下：①制作SMA-13-MFL和SMA-13-国产的沥青混合料马歇尔试件，冷却至室温后脱模；②将SMA-13-MFL和SMA-13-国产沥青混合料的马歇尔试件分别放入2 000 mL的大烧杯中，加入600 mL蒸馏水，在电导率仪底部放垫块；③开启电导率仪，测定烧杯中抗冰冻沥青混合料的电导率记为K0；④每隔8 h测定溶液的电导率，连续测量一段时间，并绘制电导率K与浸水时间T的关系曲线。

3.1 试验结果分析

根据上述试验方法，对SMA-13-MFL和SMA-13-国产沥青混合料溶液的电导率进行测定，试验环境温度为23 ℃。SMA-13-MFL和SMA-13-国产沥青混合料的电导率随时间T的变化结果，如图1所示。

由图1可知，SMA-13-国产和SMA-13-MFL沥青混合料的溶液电导率由0增加到0.94 ms/cm和1.026 ms/cm，再到后来的8.95 ms/cm和3.96 ms/cm，电导率变化较大，这是由于缓释型抗冰冻沥青混合料试件成型过程中，部分抗冰冻剂通过裸露在试件表面，初期迅速溶解在溶液中，而不是通过空隙扩散到溶液中导致的。随着浸泡时间的延长，当试件表面的抗冰冻材料完全溶解后，电导率的增长逐渐放缓，且增长速率稳定。

随着缓释型抗冰冻沥青混合料中抗冰冻剂的有效析出，溶液的电导率随着时间的延长逐渐增大，采用线性回归分析对试验数据进行拟合，可得到SMA-13-MFL和SMA-13-国产沥青混合料电导率K与时间T的线性方程分别见式（1）、式（2），相关系数近似于98%。

K进口=0.797T+1.47（R2=0.980） （1）

K国产=0.617T+7.80（R2=0.984） （2）

根据盐分融析电导率试验，SMA-13-MFL沥青混合料的电导率变化率为0.797 ms/cm，而SMA-13-国产沥青混合料的电导率变化率为0.617 ms/cm，得到盐分析出速率为：SMA-13-MFL沥青混合料>SMA-13-国产沥青混合料。

3.2 路面使用寿命预估

本研究在装有1 000 mL水的烧杯中加入不同质量的进口MFL和国产抗冰冻剂，可以测定不同抗冰冻剂的电导率，建立进口MFL、国产抗冰冻剂溶液浓度和电导率的函数关系，如图2所示。

由图2可知，电导率K与抗冰冻剂溶液浓度n的函数关系见式（3）。

K=1 061n+10.004（R2=0.996） （3）

将这一结果作为进口MFL和国产抗冰冻剂沥青混合料盐分溶析试验的标准曲线，并根据标准曲线计算每天盐分的浓度变化，进一步计算出路表盐分的析出量。路表盐分的析出量按式（4）计算。

Q=[Vρw×nS] （4）

式中：Q为每平方米路表盐分析出量，g/m2；V为加入蒸馏水的体积，V=800 mL；ρw为蒸馏水的密度，ρw=1.0 g/cm3；n为计算出的每天溶液盐分浓度变化，%；S为马歇尔试件的表面积，按式（5）计算，m2。

S=（2πr2+2πrh）×10-6 （5）

式中： r为马歇尔试件的半径，mm；h为马歇尔试件的高度，mm。

经计算，马歇尔试件的表面积S=0.036 m2，SMA-13-MFL和SMA-13-国产抗冰冻剂沥青混合料路面每天盐分析出量分别为19.67 g/m2和13.09 g/m2，具体见表3。

缓释型抗冰冻路面的使用寿命T按式（6）进行计算。

T=[mQt] （6）

式中：m为路面防冻材料的质量，g，计算公式见式（7）；Q为每平方米盐分析出量，g/m2；t为当地的年平均降水天数，d。

m=[h×ρ×1041+OAC]×k×c （7）

式中：h为缓释型抗冰冻SMA-13混合料桥面厚度，cm；ρ为缓释型抗冰冻SMA-13混合料密度，g/cm3；OAC为油石比，%；k为抗冰冻剂掺量占矿料质量的比值，%；c为抗冰冻剂中易溶盐含量，%。

进口MFL和国产抗冰冻剂易溶盐的含量分别为98%和86%，掺量为矿料的5.0%，防冰雪混合料SMA油石比为6.0%，进口和国产防冰雪混合料的毛体积密度按2.5 g/cm3计算，防冰雪路面厚度为4 cm时，每平方米防冰雪材料的质量为：进口MFL抗冰冻剂m进口=[4×2.5×1041+6.0%]×5.0%×98%=4 622.6 g；国产抗冰冻剂m国产=[4×2.5×1041+6.0%]×5.0%×86%=4 056.6 g。进口和国产防冰雪材料在路面能够发挥防冰雪效果的时间分别为：进口MFL抗冰冻剂D进口=4 622.6/19.67=235.01 d；国产抗冰冻剂 D国产=4 056.6/13.09=309.90 d。

因此，SMA-13-MFL混合料桥面融雪除冰效果的有效天数为226 d，SMA-13-国产混合料桥面融雪除冰效果的有效天数为310 d。以江苏省南部为例，年平均降雨天数为116 d，则进口MFL抗冰冻剂的融雪除冰效果可持续2～3年，国产抗冰冻剂的融雪除冰效果可持续3～4年。

4 结论

本研究基于缓释型抗冰冻沥青混合料，通过破冰试验、撕裂试验和盐分溶析电导率试验，对比评价SMA-13-MFL和SMA-13-国产的短期融冰、长期防冰效果，主要结论如下。

①通过室内模拟研究不同缓释型抗冰冻剂的融雪除冰效果和缓释型抗冰冻沥青混合料的融化试验结果可知，进口MFL抗冰冻剂的融冰能力优于国产抗冰冻剂。而撕裂试验表明，国产抗冰冻剂的融冰性能优于进口MFL抗冰冻剂。

②根据盐分融析电导率试验可知，进口MFL抗冰冻剂的析出速率大于国产抗冰冻剂。

③通过盐分融析速率预估混合料的服役年限，以江苏省南部为例，年平均降雨天数为116 d，则进口MFL抗冰冻剂的融雪除冰效果可持续2～3年，国产抗冰冻剂的融雪除冰效果可持续3～4年。

参考文献：

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［5］于国功，赵全胜，陈玉帅.沥青路面绿色缓释微胶囊自融冰剂的研究与测试［J］.河北科技大学学报，2023，44（1）：93-102.

［6］葛浩.抗冰冻材料在桥面铺装中的应用研究［J］.现代交通技术，2022，19（5）：22-26，36.

（栏目编辑：孙艳梅）

收稿日期：2023-08-22

作者简介：赵录霞（1987—），女，本科，工程师，研究方向：交通工程。