氯化物基瀝青混合物長期融冰雪性能評價

根據資料，冬季路面的交通事故與冰雪相關的占30%以上[1]。路面上的黑冰不僅對交通的平穩和安全構成了很大的威脅，而且還導致了高維護預算。因此，除冰和防冰技術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），使其具有主動融冰雪功能[2]。20世紀60年代主動融冰雪路面在歐洲進行研究，之后在瑞士、日本等國也進行了大面積的研究及使用[3]。這些化學物質對冰雪融化至關重要，主要采用的化學填料是氯化鈉、氯化鈣和氯化鎂[4]。當受到交通荷載作用時，路面內部的這些成分在毛細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，抑制冰雪積聚。在20世紀90年代，日本的研究人員開發了一種新型多孔防結冰填料MFL，這種填料在世界范圍內得到廣泛應用。一些學者通過確定鹽溶液的電導率來分析鹽含量、溫度和空隙率對溶出規律的影響[5]。劉等人重點研究了含有防凍劑的瀝青混合料的體積替代方法的性能，并通過實驗方法研究了空隙率、高低溫性能和水分損傷的敏感性[6]。

因此，本研究旨在評估氯化物基瀝青混合料的長期融冰雪性能。在本研究中，制備了添加MFL粉末的瀝青混凝土樣品，并進行了兩個試驗方案（自然浸泡試驗和加速浸泡試驗）。本研究使用比重計測量溶液密度來計算鹽化物的溶出率。以溶出百分比和時間之間的對數為基礎，提出了預測氯化物基瀝青路面長期融冰雪性能模型。

1 材料與試驗

1.1 瀝青與集料

本試驗采用武漢路翔牌SBS改性瀝青，其試驗結果見表1。

粗骨料選擇玄武巖碎石，細骨料為玄武巖機制砂，礦粉為石灰石礦粉。主要技術性能見表2、表3和表4。

表1 瀝青技術指標

表2 粗集料試驗結果

1.2 鹽化物

本研究選擇日本生產的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，占質量分數55%以上。主要技術性能和MFL粉末的級配如表5和表6所示。

1.3 混合料設計

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

根據修正后的級配進行馬歇爾試驗，確定最佳瀝青用量，試驗結果如表8所示。

表3 細集料試驗結果

表4 礦粉試驗結果

表5 MFL性能指標

表 6 MFL顆粒級配

表7 氯化物基融冰雪瀝青混合料原始和修正級配

從表8可以看出，MFL加入混合料后，空隙體積滿足要求，各項指標均能滿足規范要求。因此，本研究采用修正后的級配和最佳瀝青含量來評價含有MFL填料的瀝青混合料的長期性能。

表8 摻加MFL的混合物的馬歇爾試驗結果

2 試驗方案

2.1 自然浸泡試驗

將馬歇爾試件在環境溫度（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，通過比重計測定溶液濃度變化，從而確定鹽的釋放量，預測混合物的融冰雪性能。在鹽溶解率達到90%以上時，停止試驗。當溶液體積不足時，加入蒸餾水補足。

計算公式如下：

式中：M—試件的質量為(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

自然浸泡法比較耗時，提出了加速浸泡法。

為了確定最佳溫度，在五個不同的溫度（40℃，50℃，60℃，70℃和80℃）下浸泡試件，并計算它們的48h溶出百分比。結果如圖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℃達到峰值。當測試溫度超過60℃時，鹽溶解百分比降低。因此加速浸泡試驗最終采用60℃。通過加速浸泡試驗縮短試驗時間。

3 結果與討論

3.1 自然浸泡試驗結果

自然浸泡試驗的結果如圖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階段。第一階段是從開始到第十個測試日的快速消失期。二是穩定釋放期，持續時間從第10d到第110d。最后一個階段是第110d后緩慢消失的時期，溶出率逐漸降低。

最初鹽溶解迅速的原因是，制備樣品時，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，樣品內部的鹽化物同時溶解，導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。一個是通過毛細管吸引力增加了混合物內鹽化物的釋放，另一個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鹽分已經基本析出，而位于內部的有效成分已經很少，因此鹽溶解的過程也相應減緩。

對圖2曲線進行擬合，得到擬合公式：

式中：t1—浸泡時間，d。

y1—鹽分溶出百分比，%。

3.2 加速浸泡試驗的結果

根據2.2的結果進行加速浸泡試驗，溫度為60℃。如圖3所示。

圖 3 加速溶出曲線

根據圖3進行擬合：

式中：t2—浸泡時間，d。

y2—鹽分溶出百分比，%。

加速溶出試驗中鹽分溶出率與自然溶出試驗中的趨勢是一致的。

3.3 預測有效的融冰雪時間

根據測試數據，加速溶出量約為自然溶出試驗的8倍。因此，通過將加速浸泡的測試時間乘以8，將結果重新繪制曲線。如圖4所示。

圖4 自然溶出同加速溶出擴大倍數后曲線擬合圖

從圖4可以看出，自然溶出與加速溶出結果擬合情況很好。因此可以利用加速浸泡試驗來判斷鹽化物的析出，并進行面積換算，計算實際路面有效作用時間。

對圖4曲線進行擬合：

式中：t3—浸泡時間，d。

y3—鹽分溶出百分比，%。

因此，可以采用對數公式預測氯化物基瀝青混合料融冰雪性能的長期性。

4 結 語

本研究采用60℃溶出試驗評價了氯化物基瀝青混合料的長期融冰雪性能，結論如下：

1）在環境溫度和60℃下的鹽溶解進程可以分成三個階段。與自然浸泡試驗相比，加速浸泡試驗更加有效和省時。

2）在加速浸泡試驗中，加入MFL的瀝青混合料的最佳溫度在60℃左右。

3）在試驗室加速試驗的基礎上，提出預測氯化物基瀝青混合料長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：長安大學，2011

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

[5]王鋒,韓森,張麗娟.融冰雪瀝青混合料鹽分溶析試驗[J].長安大學學報.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.