川西高原地區(qū)高彈蓄鹽緩釋瀝青路面的應用研究

甘劍鋒

摘要 為解決川西高原地區(qū)高速公路冬季行車安全問題，在路面上面層的SMA-13瀝青混合料中采用等質(zhì)量替換法添加廢胎膠粉及抗凝冰劑，分別研究其不同替換摻量對混合料的體積指標及路用性能的影響，綜合分析確定了廢胎膠粉摻量為1%、抗凝冰劑替換率為50%。試驗結(jié)果表明，該摻量的高彈蓄鹽瀝青混合料具有良好的融冰及除冰效果。

關(guān)鍵詞 高彈蓄鹽緩釋瀝青路面；抗凝冰劑；廢胎膠粉；路用性能；融冰除冰

中圖分類號 U416.217文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）08-0038-04

0 引言

川西高原位于四川省西部，其中的阿壩縣及紅原縣區(qū)域11月至次年3月，氣溫均小于0 ℃，平均氣溫在?10 ℃以下，年均積雪期長達3個月，該地區(qū)的氣候特征使公路冬季凝冰成為公路交通安全的重大隱患。凝冰使公路表面處于濕潤狀態(tài)，凝冰上的水膜顯著降低路表的摩擦力，嚴重威脅機動車輛的行駛安全。公路橋梁結(jié)構(gòu)與普通路基不同，受氣溫、濕度、風速、日照等外部因素影響，更容易在橋面表面形成凝冰從而誘發(fā)安全事故。

該文研究在川西地區(qū)G0615久治（川青界）至馬爾康高速公路在建工程中應用高彈蓄鹽緩釋瀝青路面技術(shù)，研究不同摻量的抗凝冰劑及廢胎膠粉對SMA-13瀝青混合料體積指標及路用性能影響，結(jié)合工程實踐經(jīng)驗分析確定最佳替換摻量，模擬評價短期時間內(nèi)路面主動融冰及除冰效果。融冰除冰基本原理為：抗凝冰劑填充混合料空隙，降低路表接觸面冰點，在道路表面與雪層間形成不結(jié)冰的隔離層，緩慢融解上層冰雪，延緩和阻止路面結(jié)冰；橡膠具有高彈性和柔韌性，提高了瀝青混合料的整體變形能力，使冰層在行車荷載下產(chǎn)生應力變形從而破碎。通過廢胎膠粉和抗凝冰劑的相互作用，達到主動融雪除冰的效果，提高行車安全性。

1 原材料性能

1.1 改性瀝青

采用四川蜀物路面材料有限公司提供的SBS改性瀝青，路用性能等級滿足PG70-28的技術(shù)要求，各項主要技術(shù)指標及檢測結(jié)果見表1。

1.2 礦料

粗集料采用新鮮、堅硬、耐磨、潔凈的玄武巖碎石，包括（11～16）mm、（6～11）mm、（3～6）mm規(guī)格，其表面粗糙，接近立方體，具有良好的崁擠能力；細集料采用（0～3）mm石灰?guī)r機制砂，顆粒飽滿，粉塵含量低；填料采用石灰?guī)r磨細得到的礦粉，干燥潔凈。以上材料的檢測指標均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）對應的技術(shù)要求[1]。

1.3 木質(zhì)素纖維

采用德國瑞登梅爾父子公司的圓柱狀顆粒木質(zhì)纖維，根據(jù)廢胎膠粉對瀝青混合料析漏試驗的影響決定其摻量。

1.4 抗凝冰劑

采用北京馬飛龍抑冰科技有限公司的Mafilon（Ⅰ型）抗凝冰劑，形狀特性為火山巖包裹氯化物等具有使凝固點下降作用成分的粉末狀物質(zhì)，單粒徑約為0.075 mm，顆粒級配與礦粉類似，可與瀝青混合物中的礦粉置換。主要性能指標見表2。

1.5 廢胎膠粉

廢胎膠粉質(zhì)地均勻，無目測可見的木屑、金屬、沙礫、污物和玻璃等非橡膠組分的雜質(zhì)，無柱狀的纖維顆粒。主要性能指標見表3。

2 研究目的及方案

依據(jù)在建工程G0615久治（川青界）至馬爾康高速公路路面上面層設(shè)計，在不改變一般環(huán)境路段瀝青路面上面層結(jié)構(gòu)形式及瀝青用量的情況下，采用等質(zhì)量替換法，在SMA-13瀝青混合料中添加廢胎膠粉（替換部分細集料）及抗凝冰劑（替換部分或全部礦粉）。具體的試驗方案：

（1）單獨摻入廢胎膠粉，替代細集料摻量分別為礦料總質(zhì)量的0%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%，研究不同摻量對混合料的體積指標及路用性能的影響。

（2）單獨摻入抗凝冰劑，替換礦粉摻量為礦粉質(zhì)量的0%、25%、50%、75%、100%，研究不同摻量對混合料的體積指標及路用性能影響。

（3）確定最適合工程實際的合成摻量并驗證其性能。對高彈蓄鹽緩釋瀝青混合料的融冰及除冰能力進行研究，確保其工程適應性。上面層瀝青混合料SMA-13采用油石比為6.0%，基準礦料級配見表4。

3 試驗方法

3.1 拌和工藝

試驗室拌和依次將加熱后的粗細集料和烘干的廢胎膠粉放入拌和鍋中進行干拌，保證廢胎膠粉均勻分散到礦料中，然后添加改性瀝青濕拌，最后將抗凝冰劑和礦粉一并投入攪拌直至均勻[2]。在現(xiàn)場制備瀝青混合料時，廢胎膠粉和抗凝冰改性劑采取外摻的方式，廢胎膠粉可通過人工投放或?qū)Ｓ猛斗旁O(shè)備，抗凝冰劑可通過粉料罐（礦粉罐）投入。試驗室瀝青混合料拌和工藝見圖1。

3.2 馬歇爾穩(wěn)定度試驗

馬歇爾試驗采用雙面各擊75次成型試件，試件尺寸符合直徑101.6 mm±0.2 mm、高63.5 mm±1.3 mm的要求，采用表干法測定試件的毛體積相對密度，并據(jù)此計算試件的空隙率等體積指標。對于浸水馬歇爾試驗，將成型好的試件隨機分開，第一組試件置于60 ℃±1 ℃的恒溫水槽中保溫0.5 h，第二組試件置于60 ℃±1 ℃的恒溫水槽中保溫48 h后，以50 mm/min±5 mm/min的加載速度測定其穩(wěn)定度，計算浸水前后試件馬歇爾穩(wěn)定度比值。

3.3 凍融劈裂試驗

凍融劈裂試驗采用雙面各擊50次成型的馬歇爾試件。將兩組試件隨機分開，第一組在室溫下保存?zhèn)溆?，第二組試件在真空度為97.3～98.7 kPa（730～740 mmHg）條件下保持15 min后恢復常壓，在水中放置0.5 h后取出試件放入塑料袋中，加約10 mL水，在?18 ℃±2 ℃條件下冷凍16 h±1 h，再將試件取出放入60 ℃±0.5 ℃的恒溫水槽中保溫24 h，然后將第一組與第二組試件浸入溫度為25 ℃±0.5 ℃的恒溫水槽中保溫2 h，取出試件后采用50 mm/min的加載速率進行劈裂試驗，計算其凍融劈裂前后抗拉強度比值。

3.4 車轍試驗

用車轍試驗成型機碾壓成型300 mm×300 mm×50 mm的板塊狀試件，將試件連同試模一起在常溫條件下靜置48 h，然后將試件連同試模一起移至溫度為60 ℃±1 ℃的恒溫室中5 h，最后將試件連同試模移置于車轍試驗機的試驗臺上測定其動穩(wěn)定度。

3.5 低溫彎曲試驗

對車轍試件進行切割，試件尺寸符合長250 mm±

2 mm、寬30 mm±2 mm、高35 mm±2 mm的要求。將試件置于?10 ℃±0.5 ℃的恒溫水槽中保溫不少于45 min，最后將試件對稱安放在彎曲試驗機測定其最大彎拉應變。

4 混合料試驗及摻量確定

4.1 馬歇爾試驗

將廢胎膠粉瀝青混合料、抗凝冰劑瀝青混合料分別定義為A類混合料及B類混合料，以各自不同替換摻量的拌制SMA-13瀝青混合料試件進行馬歇爾試驗，試驗結(jié)果見表5～6。

依據(jù)表5、表6試驗數(shù)據(jù)進行分析：

（1）隨著膠粉摻量的增大，混合料試件空隙率先減小后增大，摻量1.5%時空隙率為谷值。膠粉替換部分細集料參與級配，等質(zhì)量的膠粉比機制砂所占體積更大，摻量1.5%時，與粗集料的嵌擠及填充效果達到極限，空隙率最小；因廢胎膠粉本身具有吸油性，在油石比不變的情況下，過大摻量使參與黏結(jié)的瀝青不足，膠粉摻量3%時空隙率增大至5.1%。馬歇爾穩(wěn)定度在膠粉摻量小于1%時輕微浮動，摻量大于1.5%后穩(wěn)定度下降幅度較大。在干拌法制作橡膠瀝青混合料中，大部分廢胎膠粉以顆粒的形式存在混合料中，具有低硬度高彈性的特性，過大摻量導致混合料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低[3]。

（2）抗凝冰劑替換礦分填充混合料，對混合料的密實性有比較積極的作用，馬歇爾穩(wěn)定度及空隙率等指標在替換率小于75%時，無顯著變化。

4.2 混合料性能試驗

將A類混合料及B類混合料進行浸水馬歇爾、凍融劈裂、車轍及低溫彎曲試驗，驗證其各自的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性及低溫抗裂性。試驗結(jié)果見表7。

依據(jù)表7試驗數(shù)據(jù)進行分析：

（1）對于A類混合料，1.5%以下膠粉摻量對高溫穩(wěn)定性影響不大，干拌法拌和時間短或改性瀝青自身與膠粉作用機理不明顯，橡膠具有的彈性和柔性可能使動穩(wěn)定度略有提升，粗集料總體上仍然起主要骨架支撐作用，膠粉摻量超過1%后車轍試件出現(xiàn)油斑現(xiàn)象，初步判斷會對瀝青路面施工及路用性能造成影響?？障堵适怯绊懟旌狭纤€(wěn)定性的重要因素，0%～1.5%膠粉摻量范圍時，殘留穩(wěn)定度在93%左右浮動，凍融劈裂抗拉強度比在92%左右浮動，當摻量大于2%后空隙率增大，水穩(wěn)定性的兩項指標大幅下降。最大彎拉應變隨著膠粉摻量的增加整體呈上升趨勢，膠粉的加入賦予了混合料低溫柔性和韌性功能，瀝青中的膠粉顆粒增強了瀝青黏結(jié)作用，低溫抗裂性在膠粉摻量為2%時達到峰值。

（2）對于B類混合料，隨著抗凝冰劑置換率的增加，混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性呈下降趨勢，低溫抗裂性變化不明顯。抗凝冰劑為氯化物，材料特性與堿性礦粉有差異，可能使氯化物瀝青混合料的黏結(jié)強度變低。殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂抗拉強度比在0%～50%替換率范圍降低趨勢平緩，最大彎拉應變在0%～75%替換率范圍差異不大，50%置換率存在峰值。

4.3 摻量確定

根據(jù)A、B類混合料試驗結(jié)果并綜合分析，確定廢胎膠粉摻量為1%，抗凝冰劑替換率為50%，考慮膠粉不易分散，添加纖維用量0.3%，以確定的摻量拌制瀝青混合料試件，體積參數(shù)及混合料性能指標均滿足相關(guān)設(shè)計要求。

5 融冰、除冰驗證

分別拌制2組SMA-13瀝青混合料馬歇爾試件及車轍試件，1組不添加廢胎膠粉及抗凝冰劑（Ⅰ組），2組以確定的摻量進行拌制（Ⅱ組）。車轍試件頂面封凍3 cm厚冰層；馬歇爾試件進行真空飽水處理模擬冰雪路段路面材料自身水分環(huán)境，隨后在試件頂面封凍5 cm厚的冰層。試驗環(huán)境為室溫15.2 ℃、濕度63%RH。

5.1 融冰試驗

將兩組試件均橫向放置，頂面的冰層均垂直于放置桌面且懸空，觀測兩組試件頂面冰層的融化時間及融化現(xiàn)象，觀察頻次為5 min。

Ⅰ組馬歇爾試件在第25 min左右開始融化，試件頂面與冰層交界比較隱約模糊，第50 min冰層與頂面脫離，面積約10%，第65 min脫離約50%，第90 min脫離80%但整個未融化冰層依然貼附在頂面，第110 min整個冰層完全融化，冰層在融化過程中始終未曾從試件頂面脫落。

Ⅱ組馬歇爾試件在第15 min左右開始融化，第25 min出現(xiàn)分界面冰層局部脫離，脫離面積約10%，第40 min脫離約75%，第50 min冰層從頂面脫落。試驗結(jié)果表明，摻入50%替換率氯化物抗凝冰劑，顯著增加了試件表面冰層的融化速度，能抑制低溫路面的凝冰速度[4]。

5.2 除冰試驗

將兩組車轍試件放入車轍試驗機中模擬行車荷載碾壓15 min，均采用輪壓0.7 MPa，觀測碾壓現(xiàn)象做定性描述。

Ⅰ組車轍試件在碾壓結(jié)束后，冰層整體仍然貼附在車轍表面，僅有少量的裂縫和局部脫落。Ⅱ組車轍試件的冰層在碾壓軌跡周圍破碎脫落較嚴重，邊角處依附有碎冰層，破碎冰面融化形成的水膜消失較快。試驗結(jié)果表明，外界荷載作用下，分布于試件表面的橡膠顆粒周圍出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，冰層受力不均勻、冰層與試件表面變形不同步，進而產(chǎn)生了破碎剝離，除冰效果較好[5]。

6 結(jié)論

（1）采用干拌法制作高彈蓄鹽緩釋瀝青混合料，通過等質(zhì)量替換法摻入廢胎膠粉及抗凝冰劑，根據(jù)混合料體積參數(shù)及性能試驗結(jié)果分析確定膠粉摻量為1%，抗凝冰劑置換率為50%。

（2）橡膠顆粒容易結(jié)團，不易拌和均勻，摻量超過1%后鋪筑路面會產(chǎn)生油斑，對長期的路用性能產(chǎn)生不利影響，膠粉摻量應謹慎增加。

（3）抗凝冰劑置換率50%是體積指標和混合料路用性能的平衡點。

參考文獻

[1]公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程： JTG E20—2011[S]. 北京：人民交通出版社， 2011.

[2]公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范： JTG F40—2004[S]. 北京：人民交通出版社， 2004.

[3]河南省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局. 干拌廢胎膠粉改性瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范： DB41/T 1611—2018[S]. 北京：人民交通出版社， 2018.

[4]俞文生， 張曉春， 鐘科. 高彈蓄鹽融冰雪瀝青混合料除冰特性[J]. 中國礦業(yè)大學學報， 2015（5）： 912-916.

[5]徐琦. 干拌直投廢胎膠粉改性瀝青混合料路用性能評價及工程應用[J]. 廣東公路交通， 2019（2）： 5-10.