融雪劑對(duì)瀝青路面的影響研究進(jìn)展

朱 燁 陳寶敏 沈菊男

(蘇州科技大學(xué)道路工程研究中心，江蘇 蘇州 215011)

噴灑融雪劑是各大城市和高速公路用來(lái)有效清除積雪的手段之一[1]。但是融雪劑會(huì)影響瀝青路面的使用壽命，同時(shí)污染土壤、腐蝕基礎(chǔ)設(shè)施、排水系統(tǒng)等[2]。因此研究融雪劑對(duì)路面和環(huán)境的破壞是非常重要的。融雪劑通過(guò)降低冰點(diǎn)來(lái)防止結(jié)冰或加速冰雪融化[3]，可以分為有機(jī)和無(wú)機(jī)，有機(jī)類以醋酸鉀(CH3COOK)為主，無(wú)機(jī)類以氯鹽為主，現(xiàn)也有將有機(jī)與無(wú)機(jī)融雪劑復(fù)配使用的融雪劑。

除了使用三大指標(biāo)來(lái)研究融雪劑對(duì)瀝青的宏觀性能影響之外，還可以使用紅外光譜、掃描電鏡等微觀方法來(lái)分析瀝青微觀形貌的變化。在融雪劑對(duì)瀝青的影響基礎(chǔ)上，研究融雪劑對(duì)瀝青混合料各方面性能的影響尤為重要。除了使用常規(guī)方法來(lái)研究瀝青混合料的性能，還可以通過(guò)建模的方法來(lái)模擬和預(yù)測(cè)瀝青和瀝青混合料與融雪劑發(fā)生的作用，并預(yù)測(cè)影響結(jié)果，為實(shí)際試驗(yàn)和生產(chǎn)提供參考。

1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)學(xué)者初期先針對(duì)融雪劑對(duì)混凝土的影響展開(kāi)研究。2006年，楊全兵[4]研究了氯化鈉(NaCl)、氯化鈣(CaCl2)、硫酸鈉(NaSO4)、尿素(CO(NH2)2)、海水以及三種不同廠家的融雪劑對(duì)水泥混凝土的鹽凍破壞，認(rèn)為只要是能除冰的化學(xué)物質(zhì)，都會(huì)引起水泥混凝土嚴(yán)重的鹽凍剝蝕破壞。趙瑩瑩[5]研究了氯鹽融雪劑的影響，經(jīng)過(guò)凍融，氯鹽融雪劑對(duì)水泥混凝土路面的影響非常顯著，同時(shí)對(duì)建筑、植物、水體等都會(huì)產(chǎn)生影響。

隨著瀝青路面的發(fā)展和普遍，融雪劑對(duì)瀝青及瀝青混合料的影響方式和機(jī)理研究越來(lái)越重要。2010年，傅廣文[6]研究了瀝青宏觀、微觀以及老化后的性能，發(fā)現(xiàn)融雪劑提高了基質(zhì)瀝青的針入度指數(shù)和軟化點(diǎn),降低了延度和抗老化性能,但是基質(zhì)瀝青分子結(jié)構(gòu)從紅外光譜來(lái)看沒(méi)有明顯變化；SBS改性瀝青的各項(xiàng)性能均降低,而質(zhì)量損失和熱穩(wěn)定性變化不大。

2012年，彭子馨等[7]用去離子水配置了醋酸鈉(CH3COONa)溶液并將瀝青置于溶液中攪拌處理后用光學(xué)顯微鏡觀察瀝青懸浮物狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)醋酸基融雪劑對(duì)瀝青有乳化作用，這是醋酸陰離子作用導(dǎo)致的，乳化作用會(huì)隨溶液的濃度和系統(tǒng)溫度的變化而變化。馮超[8]在制作試樣的時(shí)候?qū)r青使用了靜態(tài)腐蝕和動(dòng)態(tài)腐蝕兩種方式，還研究了瀝青混合料靜載或無(wú)荷載條件下以及動(dòng)載和動(dòng)水沖刷下的各方面性能，并提出通過(guò)添加消石灰等無(wú)機(jī)結(jié)合料可以增強(qiáng)瀝青路面抵抗融雪劑的腐蝕能力。此外，吳澤媚等[9]采用掃描電鏡(SEM)觀察到瀝青混合料的內(nèi)部產(chǎn)物和形貌,如圖1所示，可以看到有白色顆粒即氯化鈉晶體留在瀝青表面，這是由于氯化鈉溶液通過(guò)孔隙進(jìn)入混合料內(nèi)部并結(jié)晶，降低了集料與瀝青的粘附性。

2013年，王明和陳華鑫[10]研究發(fā)現(xiàn)CaCl2的吸水性會(huì)將少量水分帶入瀝青內(nèi)部，形成有水的孔洞，又因NaCl溶液促進(jìn)試件劈裂強(qiáng)度的衰減作用，而CH3COONa溶液的影響最小，甚至使劈裂強(qiáng)度略微增加，因此認(rèn)為CH3COONa等有機(jī)融雪劑性能更佳。

賈恩澤[11]研究了不同濃度的氯鹽溶液對(duì)瀝青混合料的侵蝕，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)的周期越長(zhǎng)，粘結(jié)力越差。但氯鹽濃度越大，對(duì)粘結(jié)力的影響減小，這是因?yàn)槿芤簼舛鹊蜁r(shí)冰點(diǎn)低，產(chǎn)生的膨脹力大，對(duì)集料的粘結(jié)影響力則大。李根森[12]自行設(shè)計(jì)了模擬瀝青混合料的勞損試驗(yàn)并使用image J軟件對(duì)一些習(xí)慣指標(biāo)進(jìn)行量化分析，綜合得出融雪劑的影響會(huì)使瀝青路面的耐久性大大降低。

由于融雪劑不僅會(huì)對(duì)瀝青路面產(chǎn)生負(fù)面影響，而且會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境和建筑設(shè)施，大量學(xué)者開(kāi)始研究自融雪路面和環(huán)保型融雪劑。2010年，重慶交通大學(xué)的崔龍錫[13]已經(jīng)開(kāi)始研究蓄鹽類瀝青混合料，不僅證實(shí)了鹽化物的可釋性，還設(shè)計(jì)了滿足路用性能和施工性能的瀝青混合料配合比。郭志東通過(guò)摻加氯化鈣融雪劑和聚酯纖維研究了自融雪纖維瀝青路面，路用性能滿足公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求并具有良好的融雪功效。李鵬[14]研究了醋酸基的自制液態(tài)噴灑型融雪劑，對(duì)混合料性能和環(huán)境影響較小，并具有生物可降解作用，體現(xiàn)出良好的環(huán)保效益。

1.2 國(guó)外研究進(jìn)展

國(guó)外至今為止使用最多的融雪劑依舊是氯化鈉(NaCl)，使用量最多的美國(guó)達(dá)到了1 700萬(wàn)t之多[15]。1997年，國(guó)外就有關(guān)于除冰鹽對(duì)瀝青混凝土路面的影響研究[16]。P Starck等[17]認(rèn)為融雪劑有增塑作用，使用融雪劑這種化學(xué)處理方法可能會(huì)使瀝青變硬。一方面是融雪劑影響后的瀝青軟化點(diǎn)升高了，另外，用剪切應(yīng)力流變儀測(cè)量的振蕩流動(dòng)也表明，浸泡在融雪劑溶液中后，瀝青的粘度顯著增加。Pan等[18]證明了氯鹽能直接影響瀝青路面的完整性，可進(jìn)入瀝青與集料的接觸面，并引起瀝青乳化。

2013年，Le Wang等[19]對(duì)三種不同應(yīng)力下鹽凍瀝青砂漿進(jìn)行單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，從應(yīng)力和應(yīng)變的比率得出剛度模量曲線。隨著鹽濃度的增加，瀝青砂漿的剛度模量顯著降低。同時(shí)，Y Hassan[20]研究認(rèn)為所有融雪劑對(duì)骨料造成最大損害的濃度都在1%～2%的范圍內(nèi)，且石英巖骨料比石灰石受到的損害更大。因此考慮使用更環(huán)保的融雪劑，比如醋酸鉀和甲酸鈉的影響就相對(duì)較小。

為了指導(dǎo)制備防冰劑改進(jìn)的方向，Xianming Shi等[21]使用實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)建立預(yù)測(cè)模型評(píng)估20種混合氯化物防冰配方并計(jì)算防冰復(fù)合指數(shù)，然后構(gòu)建響應(yīng)表面以說(shuō)明這種預(yù)測(cè)的相關(guān)性。針對(duì)不同用戶優(yōu)先級(jí)情景預(yù)測(cè)的抗冰復(fù)合指數(shù)見(jiàn)圖2，成本優(yōu)先情況下的最優(yōu)抗冰劑具有較低的抑制濃度，而效果優(yōu)先的情況下抑制濃度較高。Mulian Zheng等[22]為了評(píng)估防冰瀝青路面的長(zhǎng)期防冰性能，通過(guò)浸泡溶解試驗(yàn)獲得鹽溶解隨時(shí)間的回歸模型，建立了防冰瀝青路面長(zhǎng)期防冰性能評(píng)價(jià)模型，并且驗(yàn)證了評(píng)價(jià)模型的可行性。

除了研究融雪劑對(duì)瀝青及其混合料的影響，現(xiàn)在越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始研究可以減少融雪劑影響的改性材料。

Sang Luo和Xu Yang[23]研究采用含有防凍劑Mafilon(MFL)的高彈性瀝青(HEA)混合料來(lái)改善融雪/除冰性能和瀝青路面的功能性能。HEA-MFL混合料表現(xiàn)出比常規(guī)SBS混合物更好的抗車轍性和低溫性能，僅具有稍弱的抗水損傷性，另外，融雪速度更快以及混合物—冰粘合強(qiáng)度也更低。Ke Zhong等[24]也研究了相似的高彈/鹽儲(chǔ)瀝青混合物，并建立了時(shí)效評(píng)估模型估算融雪效應(yīng)持續(xù)的時(shí)間。

Zhaohui Min等[25]研究了采用不同于傳統(tǒng)熱塑性瀝青SBS改性瀝青的熱固性環(huán)氧瀝青來(lái)減少瀝青混合料被融雪劑影響后性能的降低，這種環(huán)氧瀝青含有雙酚—A—二縮水甘油醚型環(huán)氧樹(shù)脂(DGEBA)和固化劑。結(jié)果表明：在相同條件下環(huán)氧瀝青混合料的融雪劑釋放量均低于SBS改性瀝青混合料中的釋放量，并且具有融雪劑的環(huán)氧瀝青混合料可提供優(yōu)秀的融雪性能和低冰粘附性。

Zhenjun Wang等[26]用NaCl、玻璃粉和麥飯石粉以4.5∶1∶1的比例混合制備了含有鹽儲(chǔ)存聚集體(SSA)的瀝青混合物作為石灰石聚集體(LSA)，具有優(yōu)異的水穩(wěn)定性，高機(jī)械強(qiáng)度和儲(chǔ)鹽功能,并且證明SSA可替代常規(guī)骨料用于路面工程。SSA的示意圖如圖3所示。

2 新型自熱融雪路面研究方向

化學(xué)融雪劑屬于傳統(tǒng)的融雪方法，會(huì)對(duì)瀝青混凝土路面的路用性能和耐久性能等方面產(chǎn)生一定的影響，因此，放棄使用融雪劑也是一種趨勢(shì)，從而改用一些導(dǎo)電導(dǎo)熱材料來(lái)研發(fā)新型自熱融雪路面。

H V Vo等[27]研究了石墨改性瀝青混合料的熱物理性質(zhì)和融雪路面的敏感性。石墨顆粒在整個(gè)瀝青混合物中形成簇，提高了瀝青混合料的導(dǎo)電性，縮短了融雪所需的時(shí)間。Mingyu Chen等[28]采用數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)瀝青路面作為太陽(yáng)能集熱器的總體設(shè)計(jì)要求，建立了一種實(shí)驗(yàn)性瀝青融雪系統(tǒng)。用石墨粉改善瀝青混凝土的導(dǎo)熱性，從而提高瀝青集熱器的效率，同時(shí)提供較高的流體溫度可以改善融雪系統(tǒng)性能。

3 結(jié)語(yǔ)

融雪劑并未改變基質(zhì)瀝青的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，二者沒(méi)有產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，而對(duì)于改性瀝青，融雪劑則會(huì)破壞改性劑與基質(zhì)瀝青組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致瀝青性能的降低。醋酸基的融雪劑會(huì)對(duì)瀝青產(chǎn)生乳化效果，尤其對(duì)水、濕度、高溫較敏感，但是對(duì)瀝青混合料的性能影響較小，甚至?xí)古褟?qiáng)度略微增加。在氯鹽融雪劑的影響下，瀝青混合料的高溫性能、低溫性能以及水穩(wěn)性能均降低。

融雪劑作為目前冬季路面防凍和融雪的主要手段，依舊有很大的研究?jī)r(jià)值，通過(guò)研究融雪劑對(duì)瀝青和瀝青混合料的影響機(jī)理，可以指導(dǎo)路面養(yǎng)護(hù)人員對(duì)融雪劑的使用。同時(shí)，開(kāi)發(fā)出對(duì)瀝青路面和自然環(huán)境、基礎(chǔ)設(shè)施等破壞很小的新型環(huán)保融雪劑是重點(diǎn)的研究方向，這對(duì)社會(huì)有巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。另外，研究新型自熱融雪路面也是一大研究熱點(diǎn)，融雪劑可替代填料加入瀝青混合料中，或者摒棄融雪劑直接加入導(dǎo)電導(dǎo)熱或彈性材料來(lái)提高融雪化冰能力，避免融雪劑的負(fù)面影響。