融雪劑對(duì)瀝青路面水穩(wěn)定性的影響

龍穎輝

摘 要：為了探究不同路面狀態(tài)下，融雪劑類型、融雪劑溶液濃度、凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)瀝青路面水穩(wěn)定性的影響情況，通過(guò)設(shè)置靜態(tài)與動(dòng)態(tài)條件模擬路面良好以及路面出現(xiàn)裂縫2種情況。結(jié)果表明：在靜態(tài)條件下，路面的水穩(wěn)性能與融雪劑的冰點(diǎn)、凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系較大，冰點(diǎn)越高、循環(huán)次數(shù)越多，水穩(wěn)定性下降越明顯；在動(dòng)態(tài)條件下，溶液濃度是主要影響因素，融雪劑通過(guò)對(duì)裂縫中的集料產(chǎn)生作用，進(jìn)而影響路面水穩(wěn)定性，建議使用醋酸鹽型融雪劑。

關(guān)鍵詞：道路工程；瀝青路面；融雪劑；水穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：U418.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1000-033X（2017）03-0047-06

Abstract： In order to study the effect of the types of snow-melting agents， solution concentration of snow-melting agent and freeze-thaw cycles on the water stability of asphalt pavement under different conditions， roads in good condition and with cracks were simulated by setting statistic and dynamic conditions. The results show that under the static condition， the water stability of the pavement is related to the freezing point and freezing-thawing cycles. The higher the freezing point and the number of cycles， the more obvious the decline of water stability. Under dynamic condition， the solution concentration is the main influencing factor. Snow-melting agent affects the water stability of pavement by having an effect on the aggregate under the cracks. Therefore， the use of acetate-type snow-melting agent is recommended.

Key words： road engineering； asphalt pavement； snow-melting agent； water stability

0 引 言

目前，國(guó)內(nèi)常采用融雪劑除冰的方法清除冬天道路上的積雪，此法是利用物理、化學(xué)反應(yīng)降低水溶液的冰點(diǎn)，使水溶液在零度以下時(shí)為液體狀態(tài)，最終達(dá)到除冰的目的[1]。1996年，美國(guó)聯(lián)邦公路局（FHWA）研究報(bào)告顯示，融雪劑會(huì)降低瀝青混凝土路面的抗滑性能 [2-3]。SHI等人通過(guò)改進(jìn)的沸水試驗(yàn)對(duì)瀝青混凝土中的瀝青進(jìn)行研究，結(jié)果表明醋酸鹽會(huì)加速其乳化，從而使混凝土的力學(xué)性能受到不利影響[4-5]。傅廣文、馮超[6-7]研究融雪劑對(duì)瀝青及瀝青混合料路用性能的影響，發(fā)現(xiàn)混合料的路用性能指標(biāo)均有所下降。

國(guó)內(nèi)外廣泛研究了融雪劑對(duì)瀝青及其混合料性能的影響情況，但是對(duì)瀝青路面原始狀況考慮較少，由于水損害無(wú)地域性、無(wú)時(shí)限性，因此用融雪劑除冰后對(duì)路面的水穩(wěn)性能應(yīng)特別關(guān)注[8-10]。本文對(duì)不同路面狀況進(jìn)行模擬，通過(guò)凍融劈裂試驗(yàn)探究瀝青路面的水穩(wěn)定性與融雪劑類型、溶液濃度、凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，并推薦合適的融雪劑類型。

1 材料組成設(shè)計(jì)

1.1 原材料選擇

（1）瀝青。本文采用埃索90#瀝青作為結(jié)合料，其各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表1。

（2）集料與礦粉。集料采用內(nèi)蒙古錫林浩特日鑫礦料，礦粉采用內(nèi)蒙古立國(guó)礦粉，經(jīng)檢驗(yàn)礦料的技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

（3）融雪劑。

根據(jù)融雪劑的應(yīng)用范圍、成本不同，選取氯化鈉（NaCl）、氯化鈣（CaCl2）、醋酸鈉（NaAC）三種融雪劑進(jìn)行研究，3種融雪劑均為白色，屬分析純級(jí)別。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

（1）級(jí)配確定。選用AC-13型礦料級(jí)配，根據(jù)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)，確定礦料級(jí)配如表2所示。

根據(jù)礦料級(jí)配組成，從3.5%開(kāi)始，以0.5%為間隔，采用5個(gè)不同的油石比制作馬歇爾試件，測(cè)定并計(jì)算相關(guān)指標(biāo)，得到各設(shè)計(jì)指標(biāo)曲線如圖1所示。

由圖1可知：各指標(biāo)均符合要求的瀝青用量范圍為4.5%～4.9%?？伤愕米罴延褪葹?.72%?？紤]到融雪劑常在北方寒冷地區(qū)使用，為提高路面的低溫抗裂性能，應(yīng)采用較高的油石比，故確定最佳油石比為4.9%。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 試驗(yàn)選擇

本文采用凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)溫度控制在25 ℃，并以50 mm·min-1的加載速率向試件加載，劈裂直至破壞。

2.2 試驗(yàn)方案

為模擬“靜態(tài)”、“動(dòng)態(tài)”條件時(shí)融雪劑類型、溶液濃度、凍融次數(shù)對(duì)瀝青路面水穩(wěn)定性的影響，選擇NaCl、CaCl2、NaAC三種融雪劑，分別在溶液濃度為0%、5%、10%時(shí)進(jìn)行凍融循環(huán)靜態(tài)1次、5次、10次及動(dòng)態(tài)1次試驗(yàn)，并對(duì)最終結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

（1）對(duì)照組（清水，即溶液濃度為零）。將潔凈的集料按照選用的級(jí)配配料，成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件；按規(guī)范對(duì)試件進(jìn)行真空飽水15 min，恢復(fù)常壓后在水中靜置0.5 h；將試件放入塑料袋中，并在（-18±2）℃的恒溫冰柜中放置16 h后，除去試件外的塑料袋，并將其置于（60±0.5）℃恒溫水箱中保溫24 h；最后，將試件放入（25±0.5）℃恒溫水箱中保溫2 h，測(cè)量其劈裂強(qiáng)度。

（2）“靜態(tài)”模擬路面狀況良好的情況。先成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，然后將對(duì)照組（清水）中用到的水換成各種融雪劑在5%、10%時(shí)形成的溶液，按照規(guī)范實(shí)施相同步驟，經(jīng)1次、5次、10次循環(huán)后進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，此類試件稱為A。

（3）“動(dòng)態(tài)”模擬不利情況，即路面出現(xiàn)裂縫，瀝青與集料分離，融雪劑分子浸入到瀝青以及集料表面。先將已浸泡在0%、5%、10%濃度的溶液中1 h的集料取出，室溫晾干后成型馬歇爾試件，稱為B。其中取出部分5%濃度浸泡下的集料沖洗干凈，然后制備馬歇爾試件，并按照規(guī)范實(shí)施1次凍融循環(huán)后進(jìn)行試驗(yàn)，此類試件稱為C。

3 不同條件下瀝青混合料的水穩(wěn)定性研究

3.1 “靜態(tài)”下瀝青混合料的水穩(wěn)定性

3.1.1 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

未經(jīng)凍融循環(huán)前，在清水狀態(tài)下對(duì)4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件按規(guī)范進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，得到RT1=1.21 MPa。其他情況下的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3中數(shù)據(jù)容易看出以下幾點(diǎn)。

（1）相同條件、不同濃度時(shí)，試件的劈裂強(qiáng)度相差不大，甚至在濃度為5%或10%時(shí)的劈裂強(qiáng)度要大于清水時(shí)的強(qiáng)度值。循環(huán)1次時(shí)，在濃度為10%的CaCl2溶液影響下的試件劈裂強(qiáng)度比濃度為0的試件劈裂強(qiáng)度高4.6%。這主要與融雪劑冰點(diǎn)相關(guān)，NaCl、CaCl2、NaAC融雪劑的冰點(diǎn)分別為-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃，因此經(jīng)冰凍處理后，CaCl2、NaAC溶液仍以液態(tài)存在，并且在前期2種溶液中的試件不會(huì)受到液體結(jié)冰產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力作用，故在凍融循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，這2種溶液中試件的水穩(wěn)性能均有一定提高。

（2）隨著循環(huán)次數(shù)的增加，不同溶液、不同濃度下試件劈裂強(qiáng)度差異顯著。如循環(huán)10次時(shí)，在濃度為10%的NaCl、CaCl2溶液影響下的試件劈裂強(qiáng)度比清水時(shí)試件劈裂強(qiáng)度低，而NaAC溶液影響下的試件卻高出15%以上。為進(jìn)一步研究這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，下面對(duì)試件A的空隙率進(jìn)行測(cè)定。

3.1.2 空隙率測(cè)定

采用具有代表性的溶液濃度為5%時(shí)形成的試件A，對(duì)不同情況下的瀝青混合料空隙率進(jìn)行對(duì)比，如表4所示。

由表4可知以下幾點(diǎn)。

（1）各試件空隙率隨著循環(huán)次數(shù)的增加均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但增加的幅度不同。在水、NaCl、CaCl2溶液影響下的試件，5次循環(huán)后空隙率分別提高了12.1%、15.9%、9.2%，10次循環(huán)后空隙率分別提高了19.7%、28.6%、17%，而在NaAC溶液影響下試件的空隙率基本沒(méi)有變化。

分析原因可能包括2方面：一方面由于試件內(nèi)部存在微小孔隙或者比較薄弱、容易貫通的部分，在低溫狀態(tài)下孔隙內(nèi)的水會(huì)結(jié)冰發(fā)生體積膨脹，從而產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，貫穿試件內(nèi)部比較薄弱的部分，加大試件的空隙率；另一方面因?yàn)r青混合料各成分之間溫縮特性差異較大，在溫度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)發(fā)生不同的體積縮脹，進(jìn)而在材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致試件發(fā)生不均勻變形，加大空隙率[11-15]。

（2）對(duì)比不同類型融雪劑影響后的試件空隙率可知，各溶液對(duì)空隙率的影響程度由大到小依次為：NaCl、CaCl2、NaAC。

這主要是因?yàn)椋涸冢?18±2）℃的恒溫冰柜中放置時(shí)，各融雪劑因冰點(diǎn)不同產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力也會(huì)不同。NaCl的冰點(diǎn)最大且高于試件冷凍處理的溫度，因溶液結(jié)冰產(chǎn)生膨脹應(yīng)力使試件空隙率增大，且當(dāng)試件取出并置于60 ℃恒溫箱時(shí)，試件內(nèi)部溶液濃度與恒溫箱溶液濃度造成的濃度差會(huì)使試件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，致使空隙率較大；CaCl2融雪劑的冰點(diǎn)是-20 ℃，在冰柜中為冰水混合形態(tài)，產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力較小，所以其空隙率不會(huì)有較大變化；NaAC融雪劑的冰點(diǎn)低至-30℃，在冰柜中時(shí)仍為液態(tài)，不會(huì)對(duì)試件產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，因而其空隙率也沒(méi)有較大變化。

3.1.3 “靜態(tài)”條件下劈裂試驗(yàn)結(jié)果探討

（1）根據(jù)NaCl、CaCl2溶液影響下的試件A劈裂強(qiáng)度的變化趨勢(shì)（圖2）可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其劈裂強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度比在不斷下降。這是因?yàn)閮鋈谘h(huán)次數(shù)的增加導(dǎo)致試件空隙增多，致使其承受荷載能力下降，因此劈裂強(qiáng)度降低。

圖2 不同條件下試件A的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

（2）在NaAC溶液影響下，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加試件劈裂強(qiáng)度也降低，但降低趨勢(shì)與在水、NaCl、CaCl2溶液的影響下相比較緩，可知主要原因還是與冰點(diǎn)有關(guān)；NaAC溶液影響下的試件一直沒(méi)有受到結(jié)冰膨脹應(yīng)力影響，因此降低趨勢(shì)并不明顯。

3.2 “動(dòng)態(tài)”條件下瀝青混合料的水穩(wěn)定性

對(duì)試件B、C進(jìn)行水穩(wěn)定性分析，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

3.2.1 氯鹽溶液的影響

（1）隨溶液濃度的增加，NaCl、CaCl2溶液影響下的試件劈裂強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度比下降明顯，如圖3所示。

這主要因?yàn)椋杭媳砻娲嬖贜aCl、CaCl2分子，但其并不與瀝青發(fā)生反應(yīng)，反而阻礙瀝青與集料的吸附作用，降低了水穩(wěn)定性；而且試件在NaCl溶液中會(huì)受到Na+的乳化作用、Cl-的腐蝕作用以及水的結(jié)冰膨脹作用，使瀝青與集料的黏附性降低。

（2）NaCl、CaCl2溶液濃度在5%～10%時(shí)對(duì)試件的影響進(jìn)一步加大，但幅度有所降低，劈裂強(qiáng)度均降低了13.2%?？紤]“靜態(tài)”時(shí)NaCl、CaCl2對(duì)混合料性能的影響，可知在外部環(huán)境較差時(shí)，瀝青容易與集料分離，進(jìn)而融雪劑浸入并損害路面，特別是在出現(xiàn)裂紋的路面上，融雪劑溶液會(huì)不斷進(jìn)入到集料表面，從而降低瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

（3）雖然集料受NaCl、CaCl2融雪劑腐蝕后性能下降，但沖洗后對(duì)混合料的水穩(wěn)性能影響不大，僅比溶液濃度為零時(shí)降低了5.6%、3.7%。這說(shuō)明在氯鹽溶液條件下，瀝青與集料間的黏附性是影響瀝青混合料水穩(wěn)性能的主要因素。

3.2.2 NaAC溶液的影響

（1）試件受到不同NaAC溶液濃度的影響后，劈裂強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度比都會(huì)下降，但與氯鹽情況有所差異。在濃度為0～5%時(shí)，其劈裂強(qiáng)度降低了14%，而隨著溶液濃度提高到10%，試件的劈裂強(qiáng)度比濃度為5%時(shí)增加了0.01 MPa，如圖4所示。

試件劈裂強(qiáng)度降低是因?yàn)镹a+會(huì)產(chǎn)生乳化作用，降低瀝青與集料的黏附性，且NaAC溶液呈堿性，集料具有活性，故而發(fā)生堿集料反應(yīng)，導(dǎo)致集料性能降低，進(jìn)而降低混合料的水穩(wěn)定性。試件的劈裂強(qiáng)度隨溶液濃度增加而有所提高，是由于CH3COO- 離子的存在促進(jìn)了混合料劈裂強(qiáng)度的增長(zhǎng)，抵消了Na+乳化作用帶來(lái)的負(fù)面影響，從而提高劈裂強(qiáng)度[16-19]。

（2）試件受到NaAC溶液腐蝕后再洗凈，劈裂強(qiáng)度相對(duì)于清水狀態(tài)降低了16.8%。這主要是由于NaAC溶液的腐蝕造成的，洗凈后的集料上有殘留的NaAC溶液，此時(shí)濃度較低，Na+乳化效果明顯，使瀝青從集料上剝落，進(jìn)而導(dǎo)致水穩(wěn)性能降低。

綜上所述，NaCl、CaCl2、NaAC融雪劑對(duì)A、B、C混合料水穩(wěn)定性的影響情況表明：隨著路面使用時(shí)間的延長(zhǎng)，在長(zhǎng)期動(dòng)載、水、融雪劑作用下，路面的水穩(wěn)定性都會(huì)下降。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）本文通過(guò)配合比設(shè)計(jì)，確定了礦料的合成級(jí)配，并通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)確定最佳油石比為4.9%。

（2）“靜態(tài)”時(shí)，融雪劑類型和循環(huán)次數(shù)對(duì)混合料水穩(wěn)定性影響較大，相同條件下，隨著循環(huán)次數(shù)增加，混合料水穩(wěn)定性能會(huì)逐漸降低，而此時(shí)使用冰點(diǎn)低的融雪劑可以達(dá)到減緩水穩(wěn)定性下降幅度的效果，甚至在一定程度上提高混合料水穩(wěn)定性。3種融雪劑中NaAC冰點(diǎn)最低，對(duì)路面的水穩(wěn)定性影響最小，建議將其作為最佳融雪劑。

（3）“動(dòng)態(tài)”時(shí)，溶液濃度對(duì)水穩(wěn)定性的影響程度較大。隨著3種融雪劑的濃度增加，混合料的水穩(wěn)定性都會(huì)下降，但在濃度為10%時(shí)， NaAC溶液與瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成瀝青膠漿，提高了集料與瀝青的黏附作用，從而增強(qiáng)了混合料的水穩(wěn)性能。

（4）NaAC溶液呈堿性，可與集料發(fā)生堿集料反應(yīng)，即便對(duì)集料進(jìn)行清洗，其性能也不可恢復(fù)，成型后的試件劈裂強(qiáng)度低，水穩(wěn)定性差，因此不宜使用較低濃度的醋酸鹽型融雪劑。

（5）通過(guò)對(duì)路面優(yōu)劣狀態(tài)的模擬及相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果，建議使用對(duì)水穩(wěn)性能影響小、環(huán)保且除冰效果佳的醋酸鹽型融雪劑，并且濃度應(yīng)接近或達(dá)到飽和濃度。

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[責(zé)任編輯：杜敏浩]