氯化物基瀝青混合物長(zhǎng)期融冰雪性能評(píng)價(jià)

根據(jù)資料，冬季路面的交通事故與冰雪相關(guān)的占30%以上[1]。路面上的黑冰不僅對(duì)交通的平穩(wěn)和安全構(gòu)成了很大的威脅，而且還導(dǎo)致了高維護(hù)預(yù)算。因此，除冰和防冰技術(shù)一直是路面工程的核心問題。氯化物基融冰雪瀝青路面是在瀝青混合料中添加某些防冰劑（通常為氯鹽），使其具有主動(dòng)融冰雪功能[2]。20世紀(jì)60年代主動(dòng)融冰雪路面在歐洲進(jìn)行研究，之后在瑞士、日本等國(guó)也進(jìn)行了大面積的研究及使用[3]。這些化學(xué)物質(zhì)對(duì)冰雪融化至關(guān)重要，主要采用的化學(xué)填料是氯化鈉、氯化鈣和氯化鎂[4]。當(dāng)受到交通荷載作用時(shí)，路面內(nèi)部的這些成分在毛細(xì)吸引作用下逐漸溶解，然后沉積在路面上，降低融水的凝固點(diǎn)，抑制冰雪積聚。在20世紀(jì)90年代，日本的研究人員開發(fā)了一種新型多孔防結(jié)冰填料MFL，這種填料在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。一些學(xué)者通過確定鹽溶液的電導(dǎo)率來分析鹽含量、溫度和空隙率對(duì)溶出規(guī)律的影響[5]。劉等人重點(diǎn)研究了含有防凍劑的瀝青混合料的體積替代方法的性能，并通過實(shí)驗(yàn)方法研究了空隙率、高低溫性能和水分損傷的敏感性[6]。

因此，本研究旨在評(píng)估氯化物基瀝青混合料的長(zhǎng)期融冰雪性能。在本研究中，制備了添加MFL粉末的瀝青混凝土樣品，并進(jìn)行了兩個(gè)試驗(yàn)方案（自然浸泡試驗(yàn)和加速浸泡試驗(yàn)）。本研究使用比重計(jì)測(cè)量溶液密度來計(jì)算鹽化物的溶出率。以溶出百分比和時(shí)間之間的對(duì)數(shù)為基礎(chǔ)，提出了預(yù)測(cè)氯化物基瀝青路面長(zhǎng)期融冰雪性能模型。

1 材料與試驗(yàn)

1.1 瀝青與集料

本試驗(yàn)采用武漢路翔牌SBS改性瀝青，其試驗(yàn)結(jié)果見表1。

粗骨料選擇玄武巖碎石，細(xì)骨料為玄武巖機(jī)制砂，礦粉為石灰石礦粉。主要技術(shù)性能見表2、表3和表4。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 粗集料試驗(yàn)結(jié)果

1.2 鹽化物

本研究選擇日本生產(chǎn)的MFL，主要由氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂等氯鹽以及二氧化硅組成，其中氯化鈉為最有效的部分，占質(zhì)量分?jǐn)?shù)55%以上。主要技術(shù)性能和MFL粉末的級(jí)配如表5和表6所示。

1.3 混合料設(shè)計(jì)

MFL粉末與礦物填料具有相似的級(jí)配，可用于部分或全部替代礦粉。但MFL的密度要小于礦粉。當(dāng)以相同的重量進(jìn)行更換時(shí)，混合物中填料的體積增加，混合物的流動(dòng)性降低，從而導(dǎo)致混合物團(tuán)塊不易混合和鋪筑。因此，使用體積當(dāng)量替代方法來修改MFL含量。原始級(jí)配與修正的級(jí)配如表7所示。

根據(jù)修正后的級(jí)配進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，確定最佳瀝青用量，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表3 細(xì)集料試驗(yàn)結(jié)果

表4 礦粉試驗(yàn)結(jié)果

表5 MFL性能指標(biāo)

表 6 MFL顆粒級(jí)配

表7 氯化物基融冰雪瀝青混合料原始和修正級(jí)配

從表8可以看出，MFL加入混合料后，空隙體積滿足要求，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求。因此，本研究采用修正后的級(jí)配和最佳瀝青含量來評(píng)價(jià)含有MFL填料的瀝青混合料的長(zhǎng)期性能。

表8 摻加MFL的混合物的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)方案

2.1 自然浸泡試驗(yàn)

將馬歇爾試件在環(huán)境溫度（25℃）下浸入500mL蒸餾水中并密封。氯鹽逐漸從混合物中析出并溶解在水中，通過比重計(jì)測(cè)定溶液濃度變化，從而確定鹽的釋放量，預(yù)測(cè)混合物的融冰雪性能。在鹽溶解率達(dá)到90%以上時(shí)，停止試驗(yàn)。當(dāng)溶液體積不足時(shí)，加入蒸餾水補(bǔ)足。

計(jì)算公式如下：

式中：M—試件的質(zhì)量為(g)；

r—鹽化物添加量與礦料比(%)；

m1—試件中添加鹽化物的量(g)；

OAC—油石比(%)；

ρ1—固定溫度下水的比重(g/ml)；

ρ2—浸泡溶液比重(g/ml)；

A—試件中鹽化物有效成分含量(g)；

T—析出有效成分百分量(%)；

m2—溶劑量 (g)；

c—氯化物基的含量(%)。

2.2 加速浸泡試驗(yàn)

自然浸泡法比較耗時(shí)，提出了加速浸泡法。

為了確定最佳溫度，在五個(gè)不同的溫度（40℃，50℃，60℃，70℃和80℃）下浸泡試件，并計(jì)算它們的48h溶出百分比。結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同溫度下析出百分比

從圖1中可以看出，隨著溫度的升高，溶解百分比逐漸增加，在60℃達(dá)到峰值。當(dāng)測(cè)試溫度超過60℃時(shí)，鹽溶解百分比降低。因此加速浸泡試驗(yàn)最終采用60℃。通過加速浸泡試驗(yàn)縮短試驗(yàn)時(shí)間。

3 結(jié)果與討論

3.1 自然浸泡試驗(yàn)結(jié)果

自然浸泡試驗(yàn)的結(jié)果如圖2所示。

圖2 自然浸泡鹽化物析出曲線

從圖2可以看出，鹽溶出過程可以分為三個(gè)階段。第一階段是從開始到第十個(gè)測(cè)試日的快速消失期。二是穩(wěn)定釋放期，持續(xù)時(shí)間從第10d到第110d。最后一個(gè)階段是第110d后緩慢消失的時(shí)期，溶出率逐漸降低。

最初鹽溶解迅速的原因是，制備樣品時(shí)，在樣品表面有一小部分鹽化物，一旦遇到水，它們迅速溶解。此外，樣品內(nèi)部的鹽化物同時(shí)溶解，導(dǎo)致第一階段快速溶解。

在第二階段，鹽化物以恒定的速度溶出，這主要是由兩種平衡作用造成的。一個(gè)是通過毛細(xì)管吸引力增加了混合物內(nèi)鹽化物的釋放，另一個(gè)是樣品表面上的鹽化物逐漸減慢分離。

第三階段溶出速率減慢，這主要是由于樣品表面和試件內(nèi)鹽分已經(jīng)基本析出，而位于內(nèi)部的有效成分已經(jīng)很少，因此鹽溶解的過程也相應(yīng)減緩。

對(duì)圖2曲線進(jìn)行擬合，得到擬合公式：

式中：t1—浸泡時(shí)間，d。

y1—鹽分溶出百分比，%。

3.2 加速浸泡試驗(yàn)的結(jié)果

根據(jù)2.2的結(jié)果進(jìn)行加速浸泡試驗(yàn)，溫度為60℃。如圖3所示。

圖 3 加速溶出曲線

根據(jù)圖3進(jìn)行擬合：

式中：t2—浸泡時(shí)間，d。

y2—鹽分溶出百分比，%。

加速溶出試驗(yàn)中鹽分溶出率與自然溶出試驗(yàn)中的趨勢(shì)是一致的。

3.3 預(yù)測(cè)有效的融冰雪時(shí)間

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，加速溶出量約為自然溶出試驗(yàn)的8倍。因此，通過將加速浸泡的測(cè)試時(shí)間乘以8，將結(jié)果重新繪制曲線。如圖4所示。

圖4 自然溶出同加速溶出擴(kuò)大倍數(shù)后曲線擬合圖

從圖4可以看出，自然溶出與加速溶出結(jié)果擬合情況很好。因此可以利用加速浸泡試驗(yàn)來判斷鹽化物的析出，并進(jìn)行面積換算，計(jì)算實(shí)際路面有效作用時(shí)間。

對(duì)圖4曲線進(jìn)行擬合：

式中：t3—浸泡時(shí)間，d。

y3—鹽分溶出百分比，%。

因此，可以采用對(duì)數(shù)公式預(yù)測(cè)氯化物基瀝青混合料融冰雪性能的長(zhǎng)期性。

4 結(jié) 語

本研究采用60℃溶出試驗(yàn)評(píng)價(jià)了氯化物基瀝青混合料的長(zhǎng)期融冰雪性能，結(jié)論如下：

1）在環(huán)境溫度和60℃下的鹽溶解進(jìn)程可以分成三個(gè)階段。與自然浸泡試驗(yàn)相比，加速浸泡試驗(yàn)更加有效和省時(shí)。

2）在加速浸泡試驗(yàn)中，加入MFL的瀝青混合料的最佳溫度在60℃左右。

3）在試驗(yàn)室加速試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出預(yù)測(cè)氯化物基瀝青混合料長(zhǎng)期融冰雪性能的模型。

[1]蔣德成.“冰天雪地”話行車[J].遼寧汽車，1998(1):25-28

[2]Mulian Zheng, Shujuan Wu, Chongtao Wang, Yifeng Li, Zonghui Ma and Lei Peng .A Study on Evaluation and Application of Snowmelt Performance of Anti-Icing Asphalt Pavement.Applied sciences.2017

[3]孫玉齊.鹽化物自融雪瀝青路面性能研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2011

[4]小栗學(xué)，下道純.最近の凍結(jié)抑制舗裝XIVっぃて[J].開発土木研究所月報(bào)，1999（2）

[5]王鋒,韓森,張麗娟.融冰雪瀝青混合料鹽分溶析試驗(yàn)[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào).2010,30(6):16–19

[6]Z.Z.Liu, M.L.Xing, S.F.Chen, R.He, P.L.Cong,Influence of the chloride-based anti-freeze filler on the properties of asphalt mixtures, Constr.Build.Mater.51 (2014)133–140.