氯鹽類融雪劑對(duì)瀝青混凝土性能的影響

孟令波，張 維，王 迅

(1.青島理正建設(shè)科技有限公司，青島 266033；2.青島理工建業(yè)檢測(cè)科技有限公司，青島 266043)

冰雪天氣是阻礙交通暢通的“大敵”，發(fā)展道路除冰雪技術(shù)勢(shì)在必行.其中，采用融雪劑是應(yīng)用最為廣泛的方法.融雪劑種類繁多，其中氯鹽型融雪劑和非氯鹽型融雪劑較為常見，而氯鹽類融雪劑因其價(jià)格低、融雪效果好，被多數(shù)國(guó)家采用，據(jù)悉，美國(guó)每年所用的融雪劑中氯鹽類占4/5.早期大都使用NaCl，后來(lái)也使用CaCl2，MgCl2，KCl等，在國(guó)際上通稱氯鹽類融雪劑作“化冰鹽”.

氯鹽之所以具有良好的融雪融冰效果，是因?yàn)樗陨砭哂锌梢越档退谋c(diǎn)的特性.氯鹽類融雪劑撒在冰雪表面上，積雪會(huì)因?yàn)槁塞}溶解放熱而融化.融化后鹽水的冰點(diǎn)比水低，因此不容易再凝固結(jié)成冰，從而達(dá)到融雪的效果.

實(shí)踐證明，氯鹽類融雪劑的使用對(duì)于及時(shí)融化冰雪的確有效并且經(jīng)濟(jì)適用，但也存在嚴(yán)重的負(fù)面影響[1-2].氯鹽類融雪劑的使用，一方面能快速融化冰雪，經(jīng)濟(jì)實(shí)用；另一方面氯鹽具有較強(qiáng)的腐蝕性和加快凍融破壞性，對(duì)道路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施以及汽車、地下管線等金屬物品均能造成嚴(yán)重的腐蝕破壞，引起巨大的經(jīng)濟(jì)損失.不少學(xué)者對(duì)融雪劑的破壞機(jī)理、預(yù)防措施等做了研究[3-5].國(guó)外學(xué)者對(duì)氯鹽類融雪劑對(duì)瀝青混凝土性能的影響已經(jīng)有一定的研究，1996年美國(guó)聯(lián)邦公路局研究顯示，氯鹽類融雪劑的使用會(huì)明顯降低瀝青混凝土路面的抗滑性能[6].LIU等采用改進(jìn)沸水試驗(yàn)方法(ASTM D3625)研究了醋酸鹽對(duì)瀝青混凝土性能的影響，結(jié)果表明醋酸鹽會(huì)加速瀝青混凝土中瀝青的乳化，從而對(duì)瀝青混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生影響[7].代琳琳等[8]的研究表明，氯離子可以加快瀝青的氧化過程，從而降低瀝青與砂石骨料的握裹能力.傅廣文[9]研究了融雪劑對(duì)瀝青混合料路用性能的影響，研究表明融雪劑的使用降低了瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度、動(dòng)穩(wěn)定度等性能指標(biāo).

本文在國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，通過瀝青與集料的黏附性試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)和凍融-彎曲試驗(yàn)，研究了不同濃度的固體及液體氯鹽融雪劑對(duì)瀝青混凝土性能的影響.

1 試驗(yàn)原材料

1.1 瀝青混合料

本試驗(yàn)所用原材料為青島地區(qū)常用的瀝青AC-13面層材料類型，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)的相關(guān)規(guī)定取樣、制作試件.所做試件考慮不同環(huán)境條件，包括水、固體和液體兩種融雪劑兩種不同濃度(5%和10%)，分別進(jìn)行瀝青與集料的黏附性試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)和凍融-彎曲試驗(yàn).

表1 原樣瀝青的主要技術(shù)性質(zhì)

1.1.1 瀝青的技術(shù)性質(zhì)

本試驗(yàn)采用高富牌A級(jí)50號(hào)瀝青，采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中規(guī)定的試驗(yàn)方法對(duì)瀝青各項(xiàng)技術(shù)性能進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果見表1，試驗(yàn)結(jié)果表明，該瀝青各項(xiàng)技術(shù)性能滿足規(guī)范的要求.

1.1.2 瀝青混合料配合比

本試驗(yàn)采用AC-13玄武巖瀝青混合料，級(jí)配如表2所示，最佳油石比為4.6%.

表2 AC-13玄武巖瀝青混合料級(jí)配

1.2 融雪劑

所用融雪劑均為青島地區(qū)常用的氯鹽類融雪劑，No.1為白色粉末狀的固體融雪劑，No.2為無(wú)色的液體融雪劑.采用離子色譜儀對(duì)主要可溶性離子進(jìn)行了測(cè)定，離子色譜儀試驗(yàn)結(jié)果如表3所示.

表3 離子色譜儀試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，No.1的白色粉末狀融雪劑主要成分為CaCl2，No.2的無(wú)色透明液體狀融雪劑的主要成分為NaCl，均含有較多的氯離子，對(duì)瀝青混凝土橋面鋪裝存在耐久性損傷的風(fēng)險(xiǎn).

2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)分別采用了清水、濃度為5%和10%的液體融雪劑溶液以及濃度為5%和10%的固體融雪劑溶液，對(duì)5種不同情況下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析.彎曲試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)和凍融-彎曲試驗(yàn)需要先將相同的試件分別放在5種溶液中浸泡，浸泡齡期為1個(gè)月.每種條件下的試件(試樣)都有4個(gè)，測(cè)得的相應(yīng)的4個(gè)結(jié)果為1組，試驗(yàn)結(jié)果為4個(gè)數(shù)值的平均值.當(dāng)1組測(cè)定值中某個(gè)數(shù)據(jù)與平均值之差大于標(biāo)準(zhǔn)差的1.46倍時(shí)，該測(cè)定值應(yīng)予以舍棄，并以其余測(cè)定值的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果.

2.1 融雪劑對(duì)瀝青與集料的黏附性的影響

瀝青與集料的黏附性大小直接影響到瀝青混合料承載能力的大小，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)采用水浸法進(jìn)行了試驗(yàn)，研究氯鹽融雪劑對(duì)瀝青混合料黏聚力的影響，將觀察的在石料顆粒表面裹覆瀝青膜的面積作為試驗(yàn)結(jié)果.

圖1 彎曲試驗(yàn)裝置

2.2 融雪劑對(duì)瀝青混合料路用性能的影響

2.2.1 彎曲試驗(yàn)方法

按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中T0703—2011瀝青混合料試件制作方法，在輪碾成型的板塊狀試件上用切割法制作棱柱體試件，試件尺寸應(yīng)該符合長(zhǎng)(250±2)mm、寬(30±2)mm、高(35±2)mm的要求.按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中瀝青混合料彎曲試驗(yàn)(T0715—2011)步驟進(jìn)行試驗(yàn).

壓力機(jī)以規(guī)定的速率在跨徑中央施以集中荷載，直至試件破壞.記錄儀同時(shí)記錄荷載-跨中撓度曲線.試驗(yàn)裝置如圖1所示.跨徑為200 mm.

2.2.2 劈裂試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中的瀝青混合料劈裂試驗(yàn)(T0716—2011)方法進(jìn)行.采用擊實(shí)法制作圓柱體試件，雙面擊實(shí)各50次.試件制作完成后，分別放置在清水、濃度為5%和10%的液體融雪劑溶液以及濃度為5%和10%的固體融雪劑溶液中浸泡，浸泡齡期為1個(gè)月.待達(dá)到試驗(yàn)預(yù)期的浸泡時(shí)間后，取出試件，進(jìn)行劈裂試驗(yàn).試驗(yàn)裝置如圖2所示.

2.2.3 凍融-彎曲試驗(yàn)方法

通過凍融-彎曲試驗(yàn)研究和分析融雪劑對(duì)瀝青混合料經(jīng)受低溫后的性能影響.該試驗(yàn)參考《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)中的“快凍法”進(jìn)行.凍融-彎曲試驗(yàn)采用與前述彎曲試驗(yàn)相同的試件，每組4塊.設(shè)備采用TDR-3型全自動(dòng)混凝土快速凍融試驗(yàn)設(shè)備，如圖3所示.試件分別放入清水、濃度為5%和10%的液體融雪劑溶液以及濃度為5%和10%的固體融雪劑溶液，每次凍融循環(huán)在2～3 h內(nèi)完成，其中用于融化的時(shí)間為整個(gè)凍融時(shí)間的1/4.所有試件的凍融次數(shù)均設(shè)定為20次.凍融循環(huán)后，取出試件立即按前述彎曲試驗(yàn)的方法進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，得到試件的極限抗彎承載力.

圖2 劈裂試驗(yàn)裝置

圖3 全自動(dòng)快速凍融試驗(yàn)設(shè)備

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 融雪劑對(duì)瀝青與集料的黏附性的影響

經(jīng)過水浸法試驗(yàn)后，不同溶液中石料顆粒表面裹覆瀝青膜的面積情況如圖4所示.

圖4 瀝青與集料的黏附性試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過觀察，在不同濃度融雪劑溶液下浸泡過的石料顆粒表面裹覆的瀝青膜的面積基本相同，與浸液前相比，基本沒有變化.該試驗(yàn)結(jié)果可以表明，融雪劑對(duì)瀝青混合料的黏聚力的影響不大.

3.2 融雪劑對(duì)瀝青混合料路用性能的影響

3.2.1 彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

采用Origin軟件，對(duì)彎曲試驗(yàn)結(jié)果(位移-荷載曲線)進(jìn)行擬合，得到如圖5所示的曲線.由各曲線的最高點(diǎn)得到3種不同濃度(0%，5%，10%)固體和液體融雪劑下浸泡試件的極限彎曲承載力值，4個(gè)結(jié)果為1組，試驗(yàn)結(jié)果為4個(gè)數(shù)值的平均值，匯總?cè)绫?所示.

表4 彎曲極限承載力試驗(yàn)結(jié)果

由表4看出，氯鹽融雪劑的使用均降低了瀝青混合料的抗彎極限破壞荷載.對(duì)比相同濃度的固、液氯鹽融雪劑浸泡過的試件的極限抗彎破壞荷載發(fā)現(xiàn)，在使用融雪劑濃度相同的情況下，當(dāng)溶液濃度小于10%時(shí)，液體融雪劑對(duì)瀝青混合料的破壞影響更大；當(dāng)溶液濃度為10%時(shí)，彎曲試驗(yàn)結(jié)果固體融雪劑、液體融雪劑較基準(zhǔn)構(gòu)件分別減少16.87%，15.66%，說明不同狀態(tài)的融雪劑，當(dāng)濃度為10%時(shí)對(duì)瀝青的影響基本一致；對(duì)比同種融雪劑可以看出，固體融雪劑浸泡過的試件破壞程度幾乎不受其濃度的影響，大約能夠降低瀝青混合料抗彎性能的20%，而液體融雪劑浸泡過的試件破壞趨勢(shì)與其濃度差別較大，需進(jìn)一步試驗(yàn)研究其規(guī)律.

圖5 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2 劈裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

采用Origin軟件，對(duì)劈裂試驗(yàn)結(jié)果(位移-荷載曲線)進(jìn)行擬合，得到如圖6所示的曲線，由各曲線最高點(diǎn)得出3種不同濃度(0%，5%，10%)固體和液體融雪劑下浸泡試件的極限破壞荷載，匯總?cè)绫?所示.

表5 劈裂極限承載力試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，濃度5%固體融雪劑下浸泡試件的極限破壞荷載沒有降低反而有所提高，這主要是由于試件本身存在一定的離散型，總體來(lái)看，濃度5%融雪劑的使用對(duì)瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度影響較小，濃度10%融雪劑的使用對(duì)瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度影響較明顯，隨著濃度的增大，其對(duì)瀝青混合料的影響也呈增大趨勢(shì).相同濃度的固體融雪劑溶液要比液體融雪劑溶液對(duì)瀝青混合料性能的影響更明顯.

3.2.3 凍融-彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

采用Origin軟件，對(duì)經(jīng)受凍融損傷后的試件進(jìn)行彎曲加載試驗(yàn)，對(duì)其結(jié)果(位移-荷載曲線)進(jìn)行擬合，得到如圖7所示的曲線.由各曲線最高點(diǎn)可以得出3種不同濃度(0%，5%，10%)固體和液體融雪劑下浸泡試件的極限破壞荷載，匯總?cè)绫?所示.

圖6 劈裂試驗(yàn)結(jié)果

圖7 凍融-彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表6 凍融-彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，融雪劑的使用降低了瀝青混合料的凍融抗彎強(qiáng)度，并且隨著濃度的增大，其對(duì)瀝青混合料的影響也越來(lái)越大.同種濃度的液體融雪劑溶液要比固體融雪劑溶液對(duì)瀝青混合料性能的影響更明顯.

4 結(jié)論

本文分別研究了清水、濃度為5%和10%的液體融雪劑溶液以及濃度為5%和10%的固體融雪劑溶液5種不同溶液對(duì)瀝青混合料的黏聚力、抗彎性能、抗劈裂性能以及抗凍融-彎曲性能的影響，得出如下結(jié)論：

1) 氯鹽融雪劑的使用，對(duì)瀝青混合料的黏聚力基本沒有影響.

2) 氯鹽融雪劑的使用，均降低了瀝青混合料的抗彎承載力.在使用融雪劑濃度相同的情況下，當(dāng)溶液濃度為5%時(shí)，液體融雪劑對(duì)瀝青混合料的破壞影響更大；當(dāng)溶液濃度為10%時(shí)，彎曲試驗(yàn)結(jié)果固體融雪劑、液體融雪劑較基準(zhǔn)構(gòu)件分別減少16.87%，15.66%，說明不同狀態(tài)的融雪劑，當(dāng)濃度為10%時(shí)對(duì)瀝青的影響基本一致；對(duì)比同種融雪劑可以看出，固體融雪劑浸泡過的試件破壞程度幾乎不受其濃度的影響，而液體融雪劑浸泡過的試件破壞趨勢(shì)與其濃度的關(guān)系需進(jìn)一步試驗(yàn).

3) 隨著氯鹽融雪劑濃度的增長(zhǎng)，融雪劑對(duì)瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度降低愈加明顯，不同種類的融雪劑對(duì)瀝青混合料劈裂強(qiáng)度降低數(shù)值略有不同，同種濃度的固體融雪劑溶液要比液體融雪劑溶液影響要大些.

4) 凍融-彎曲試驗(yàn)結(jié)果顯示，兩類氯鹽融雪劑均導(dǎo)致瀝青混合料的鹽凍，溶液濃度越大，鹽凍引起的損傷越明顯.