環保型融雪劑對瀝青混合料的侵蝕研究

鄭存華、朱小康

（1.通遼市公路養護中心，內蒙通遼028000；2.武漢廣益交通科技股份有限公司，湖北武漢430000）

0 引言

對于我國冬季的城市道路出行來說，受雨雪天氣的影響是比較大的，而目前除雪最佳的方式是，使用融雪劑除雪。傳統氯鹽融雪劑在使用中極易對瀝青和混凝土等設施造成不利的影響。使用農業生產過程中產生的大量廢棄秸稈作為原料，通過水熱反應，生產CMA(醋酸鈣鎂鹽)環保型融雪劑，其融雪化冰能力和對環境腐蝕的影響比傳統融雪劑低。CMA 環保型融雪劑與傳統氯鹽融雪劑相比，其優勢體現在對生物形成良好的降解、較小的環境傷害和毒性、較高的融雪效率上，但其融冰能力相對融雪能力要弱，為傳統氯鹽融雪劑的90%。

1 環保型融雪劑的制備

選擇麥、稻秸稈各10kg，將其投放到自制的焚燒箱體中進行燃燒直到燒盡，而在麥、稻秸稈燒盡的灰完全冷卻之后，要通過相關的傳送裝置，將草木灰對氫氧化鉀溶液進行投放，氫氧化鉀溶液的體積濃度為8M，同時加入足量的緩蝕劑，并保證混合攪拌充分，而完全反應之后，要進行抽濾工序、相關的烘干，完全烘干之后要對相關的混合物進行研磨，這樣就可以制備出環保、高效的融雪劑[1]。

2 試驗材料

2.1 瀝青

瀝青為濕法制備的膠粉改性瀝青，其中，基質瀝青為盤錦90#瀝青，膠粉改性劑為混合目(M，粒度組成為40 目∶60 目∶80 目=3∶3∶1)膠粉顆粒，摻量為基質瀝青質量的20%。

2.2 凍融介質

凍融循環介質同水泥混凝土凍融介質，分別為水、環保型融雪劑溶液及傳統氯鹽融雪劑溶液。

2.3 試件制作

試件的直徑和高度尺寸分別為（101.6±0.25）mm和（63.5±1.3）mm，其在試件的試制過程中需要結合瀝青路面的凍融試驗方法以及擊實法的采用，進行雙面的擊打，而且要保證50 次的擊打作業[2]。

3 試驗結果及分析

3.1 瀝青混合料空隙率分析

瀝青混合料空隙率測試參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTGE20—2011)，制作標準的馬歇爾試件，將氯化鈉、環保型融雪劑配制成濃度為3%、6%、9%的溶液，分別對試件進行凍融循環試驗，在試件凍融1 次、4 次、8 次時，采用表干法測定每個試件的空隙率[3]。

下面的變化曲線分別是在傳統型及環保型兩種凍融介質中，馬歇爾試件具體應用的空隙率是隨凍融循環次數變化的規律曲線，如圖1所示。

圖1 空隙率隨凍融循環次數的變化規律

由圖1 可知：兩種融雪劑的試樣隨著凍融循環次數的遞增，孔隙率增大，在傳統氯鹽和環保融雪劑溶液中，凍融循環8 次后，孔隙率分別增大18.8%、1.4%，說明凍融循環增大了瀝青混合料的空隙率，對瀝青混合料造成不可逆損傷，但相比于傳統氯鹽融雪劑，環保型融雪劑可以緩解瀝青混合料的凍融損傷。試件在三種凍融循環介質中，空隙率隨凍融循環次數的變化曲線表現出在環保型融雪劑中具有最小的斜率，其次為水，表明環保型融雪劑對瀝青混合料造成的損傷較傳統氯鹽更小[4]。

3.2 瀝青混合料凍融劈裂試驗

該實驗參照規范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTGE20—2011)中瀝青混合料凍融劈裂試驗（T0729—2000）要求，采用馬歇爾擊實法（雙面各擊實50 次）成型φ101.6mm×63.5mm 圓柱體試件，按如下方法對試件進行凍融循環作用：試件真空飽水15min，恢復常壓后在水中靜置0.5h，后將試件放入塑料袋中，并在（-18±2）℃的恒溫冰柜中放置16h，再除去試件外的塑料袋，并將其置于（60±0.5）℃恒溫水箱中保溫24h，完成一個凍融循環。當試件分別凍融1次、4 次、8 次時，在25℃下以50mm/min 的加載速率進行加載直至試件被破壞，記錄破壞荷載（N），并計算劈裂抗拉強度。繪制瀝青混合料劈裂抗拉強度隨凍融循環次數的變化曲線，如圖2所示[5]。

圖2 抗拉強度隨凍融循環次數變化規律

由圖2 可知：在三種凍融介質中，瀝青混合料的劈裂強度會隨著凍融循環次數的遞增，而逐漸降低，由此說明凍融循環作用降低了瀝青混合料的劈裂抗拉強度，對瀝青混合料造成了損傷。這是由于在凍融循環重復作用下，瀝青混合料受溶液凍脹作用，使得材料內部孔隙逐漸增加，導致更多的溶液侵入孔隙中，產生更多的凍脹力，使得瀝青混合料的劈裂抗拉強度降低，結構強度下降[6]。

3.3 瀝青混合料小梁彎曲試驗結果分析

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）進行小梁彎曲試驗，將成型后的車轍板用切割機切割成250mm×30mm×35mm 的標準小梁試件，經凍融循環后，將小梁試件在-10℃下采用50mm/min 速率單點加載至小梁破壞，并根據規范計算抗彎拉強度RB、最大彎拉應變εB 及彎曲勁度模量，進行科學合理的計算[7]。

為了能夠對在凍融循環作用下，膠粉改性瀝青混合料的低溫性能的變化規律進行有效分析，需要結合低溫小梁彎曲試驗的相關技術指標，相關的技術指標主要包含：最大抗彎拉強度、基本相關的彎拉應變量、彎曲勁度模量的具體數值、彎曲應變密度指標。此次所制作的（250mm×30mm×35mm）標準小梁試件其實是通過車轍板用切割機進行標準小梁試件的切割生產，而之后通過必要的凍融循環，通過50mm/min 速率以及-10℃的加載對其進行破壞，并實現對RB、εB 和E 的有效計算[8]。

3.3.1 基本性能指標分析

分析抗彎拉強度、最大彎拉應變、彎曲勁度模量三個指標隨凍融循環次數的變化規律，結果，隨凍融循環次數的增加，瀝青混合料抗彎拉強度RB 及最大彎拉應變εB 逐漸降低，且指標變化幅度表現出從凍融4 次到8 次較凍融1 次到4 次更為明顯，說明凍融循環作用降低了瀝青混合料的抗彎拉強度及最大彎拉應變，低溫抗開裂能力下降，且凍融循環作用使得材料劣化后，材料性能下降會逐漸加劇[9]。

3.3.2 彎曲應變能密度分析

由于瀝青混合料是一種黏彈性材料，隨著溫度的降低，其主體出現了較為明顯的彈性變形，而且在此過程當中，黏性變形所占比例還會逐漸減小。因此，在對瀝青混合料的低溫性能進行探究的過程中，需要綜合考慮兩方面的內容：第一，對瀝青膠結料與集料的黏附力進行考慮；第二，對瀝青膠結料的低溫變形能力進行深度分析。結合具體的勁度模量的計算方法，不難看出，如果單純的分析破壞過程當中的最大應變力以及最大變形，是不貼合現實情況的，也是不科學合理的[10]。

為了能夠更好地對瀝青混合料的低溫性能進行表征，應當對彎拉應變及彎拉強度，進行綜合的考量，要在能量使用的角度思考相關問題，要在小梁破壞的全過程當中，實現應變能密度臨界值的有效引入[11]。

在混合瀝青相關物料過程當中，其內會有彈性的應變能量出現，彈性應變能量的出現，導致瀝青混合料中會有外部載荷抵御力的相繼產生，而在此過程中，還有瀝青混合料的低溫開裂現象存在，也就是說如果抵御外部載荷能量越強，那么混合料其開裂的可能性其實是越低的。結合具體的材料損傷準則可知材料損傷包括三個階段——裂縫的引發、亞臨界狀態增大、最終破壞[12]。

如果能夠一一應對材料破壞形式與單位體積內的能量狀態，則可以通過dw/dv 表示材料損傷的現實情況，公式（1）如下。

式（1）中：wf——應變能密度函數；

dw——材料應變能微分；

dv——材料體積微分；

σ(ε)——應力-應變曲線函數；

εB——最大彎拉應變；

dε——應變微分。

由式（1）可知：擬合出應力-應變曲線（σ-ε）函數即可得到彎曲應變能密度函數，進而求出彎曲應變能密度臨界值[13]。

經擬合發現，小梁彎曲試驗下的應力-應變曲線（σ-ε）滿足式（2）的三次多項式：

式（2）中：a、b、c、d為通過對σ-ε曲線回歸擬合得到的材料參數，并無實際意義。將式（2）帶入式（1）即可得到應變能密度[14]：

針對本文材料進行相關計算，得到不同凍融循環次數作用下瀝青混合料的彎曲應變能密度，具體結果見表1[15]。

表1 彎曲應變能密度

由表1 可知：在三種不同凍融循環介質中，隨著凍融循環次數的增加，瀝青混合料彎曲應變能密度均逐漸減小，由此不難看出，瀝青混合料本身儲存的彈性應變能主要還是來自凍融循環作用，凍融循環作用的存在，降低了材料自身抵御外部載荷的能力，這樣瀝青混合料的低溫抗開裂能力也會隨之降低。此種情況體現出凍融循環產生的凍脹力以及由于黏附性下降而發生損傷，導致瀝青與集料的界面處產生裂縫；而如果存在著瀝青混合料內部受應力作用，那么會有降低瀝青與集料之間對力的傳遞能力及變形能力的情況，這樣材料自身的彈性應變能力也不能形成有效提升，進一步就會存在著較差的抗開裂能力。相同凍融循環次數下，瀝青混合料在三種不同的凍融介質中，其彎曲應變能密度大小均表現為水＞環保型融雪劑＞傳統氯鹽融雪劑，說明相同凍融循環作用下，環保型融雪劑對瀝青混合料的凍融破壞較傳統氯鹽融雪劑具有一定的緩和作用，能降低凍融循環對瀝青混合料的破壞作用[16]。

4 結論

第一，凍融循環作用增大了瀝青混合料的空隙率及彎曲勁度模量，降低了其抗彎拉強度、最大彎拉應變及彎曲應變能密度，對瀝青混合料的低溫抗開裂能力造成不利影響。

第二，相比傳統的氯鹽融雪劑，環保型融雪劑使得瀝青混合料試件經相同凍融循環作用后，其性能指標數值更優。該項目研發的環保型高效融雪劑可有效緩解凍融循環作用對瀝青混合料的不利影響。