融雪劑配比對瀝青混合料水穩定性的影響研究

馬永連

（山西路橋第六工程有限公司，山西 晉中 030600）

0 引言

北方地區尤其嚴寒地區的融雪工作主要通過撒鋪融雪劑方式處理。融雪劑有兩種:第一種是氯鹽類，由氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂等一種純物質或幾種物質混合形成。其優點是原材料富足、價格便宜、冰點低、融冰化雪的效果較好，其缺點是對環境、土壤危害嚴重；第二種是有機物類，由醋酸鎂、醋酸鈣等有機物組成，其缺點是融雪效果差、冰點高、價格較貴，其優點是對環境污染小。

只有一種物質的氯鹽融雪劑[1]如氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂等單獨使用過程中雖然融冰化雪效率高，但是在經濟與環保方面仍存在很大問題。相比于一種物質的氯鹽融雪劑，由氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂中的兩種或3種物質組成的混合型融雪劑得到廣泛應用[2-7]。但是混合型融雪劑仍存在融雪劑造價偏高等問題，關于三者混合使用的配比問題上國內外學者研究較少，因此有必要對三者使用配比進行相關研究。

本文以氯鹽融雪劑（其成分由氯化鈉，氯化鎂，氯化鈣3種物質組成）為研究對象，通過融雪劑融冰能力、融雪劑經濟與環保分析以及融雪劑配比對瀝青混合料水穩定性能影響，指導融雪劑的合理使用，達到經濟環保，高效融雪的目的。

1 試驗材料

1.1 瀝青

采用90號瀝青，依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》JTG E20—2011[8]進行瀝青相關指標測試，如表1所示。

表1 瀝青技術性質

1.2 集料

集料來自拌合站，選用集料為玄武巖，礦粉為石灰石礦粉，集料指標[9]見表2所示。

表2 集料試驗結果

1.3 集料級配

級配設計采用AC-13，各檔集料所需比例如表3所示。

表3 混合料級配表

1.4 油石比

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》JTG E20—2011試驗方法進行試驗，得到瀝青混合料的油石比為5%.

1.5 融雪鹽

NaCl、MgCl2、CaCl2來自化工公司。經莫爾法推算出每種鹽分的純度[10]，為配制融雪劑準備，如表4所示。

表4 3種融雪劑的純度

1.6 水

來自試驗室的自來水。

2 試驗方案

因NaCl對瀝青混合料路用性能的不利影響更為敏感，故融雪劑配制以NaCl含量為主。成品融雪劑的檢測報告表現為：NaCl∶CaCl2∶MgCl2=8∶59∶33，因此在原有配比基礎上嘗試以NaCl占比8%、15%、22%和MgCl2占比33%、27%、39%為基準，得到9種新配比，同時分別以僅含 NaCl、CaCl2、MgCl2的融雪劑為3種配比，因此共得到12種配比，其配比及造價如表5所示。

表5 融雪劑配比與造價表

為檢驗融雪劑的融冰能力，以融雪劑各自純度來推算配置設計濃度為0.2 g/mL（參考融雪劑規范）的溶液進行融冰試驗，試驗中與10號融雪劑組（僅含NaCl）對比，并結合融雪劑造價，優選出3種融雪劑。

在研究瀝青混合料的水穩性能時，因真空飽水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗的相關性較好，故應合理選擇評價瀝青混合料的水穩試驗方法，本文采用凍融劈裂試驗來研究瀝青混合料的水穩性能。試驗前，將試件進行編組，第1組為空白組；第2組、第3組、第4組為融雪劑浸泡組。以融雪劑組為例（其余組只有浸泡溶液的區別），對試驗過程進行說明。將優選出的3種融雪劑，配制成0.2 g/mL的融雪劑溶液對試件進行真空飽水，在真空度為 97.3～98.7 kPa中保持15 min；然后打開閥門恢復常壓，試件在溶液中放置0.5 h。取出試件放入塑料袋中，加入約10 mL的溶液，密封放入恒溫冰箱。冷凍溫度為-18℃±2℃，保存時間為16 h±1 h；將試件取出后立即放入60℃±0.5℃的恒溫水槽中，去掉塑料袋，保溫24 h，至此，為一次凍融循環結束，為全面了解融雪劑對瀝青混合料水穩定性的影響，增加了5次、10次凍融循環[11-12]。試驗開始時，將所有試件浸入25℃±0.5℃的恒溫水槽中不少于2 h，保溫時試件距離不少于10 mm，取出試件按照50 mm/min的加載速率進行劈裂試驗。

3 試驗結果與分析

3.1 融雪劑融冰能力試驗

根據試驗方案，使用250 mL容量瓶配置融雪劑溶液[13]，本文設計研究濃度為0.2 g/mL，則計算純凈溶質質量為50 g，因為3種融雪劑各自純度不同，所以應根據融雪劑各自純度來推算配制溶液時各自添加的質量，計算如式（1）所示。取3個50 mL燒杯加入15 mL蒸餾水（使水凍成冰），另取50 mL燒杯3個各加入融雪劑溶液25 mL（使融雪劑溶液溫度達到融冰試驗所需溫度）。將盛有水和融雪劑溶液的燒杯一同放置于恒溫冰柜（溫度為-10℃±1℃）中3 h。將電子秤置于試驗臺上，從恒溫冰柜中取出保溫3 h后的盛有冰塊的燒杯，將外壁的冰水拭干稱量，記錄質量m0；取出已保溫3 h的盛有融雪劑溶液的燒杯，將其中溶液倒入盛冰塊的燒杯中后將盛有融雪劑溶液和冰塊的燒杯放回恒溫冰柜中，30 min后取出燒杯并傾倒杯中液體，稱量燒杯剩余質量記為m1。以上步驟應盡可能迅速，以減小試驗誤差，進行3組平行試驗，融雪劑的融冰化雪能力按式（2）計算。

式中：mp為配置融雪劑溶液時固體融雪劑稱取的質量，g；d為固體融雪劑的純度，%；t為擬配置融雪劑中純物質的含量，%.

式中：mr為融冰質量，g；m0為燒杯中冰塊的質量，g；m1為燒杯中融冰后剩余冰塊質量，g。

經式（2）整理分析得到12種融雪劑融冰結果如圖1所示。由融雪劑規范可知，3、4號不達標。除3、4號融雪劑，其余10種融雪劑的融冰能力為12號＞5號 ＞8號 ＞2號 ＞9號 ＞6號 ＞1號 ＞7號 ＞10號 ＞11號。由 1號、3號、4號、6號、7號、11號融雪劑可知，氯化鎂所占比例相對較高，然而其融雪質量相對較少，且氯化鎂融雪劑本身具有溶解度較低的特性，初步判斷最佳比例是氯化鎂占比較小，氯化鈣占比較大。

圖1 融冰質量平均值

經市場調研，12種融雪劑造價見表5所示，其大小 為 11號 ＞9號 ＞3號 ＞1號 ＞12號 ＞2號 ＞6號 ＞4號＞5號 ＞7號 ＞8號 ＞10號，其中造價較低的是1號，2號，5號，8號。

綜上所述，3號、4號融雪劑達不到規范規定的融雪能力，1號、2號、5號、8號融雪劑造價最低。又因為1號、3號、4號、6號、7號融雪劑氯化鎂含量較高，且大于33%，對路面損壞較大，故綜合考慮選定最佳融雪劑為2號、5號、8號融雪劑。

3.2 凍融劈裂試驗

為了更全面地研究融雪劑配比對瀝青混合料水穩定性能的影響，增加了5次、10次凍融循環下的試驗，即模擬在瀝青混合料經過5年、10年的融雪劑浸泡下的水穩定性能變化，且凍融循環試驗條件參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》JTG E20—2011設置。

按照試驗方案，將試件按編組依次進行試驗。劈裂抗拉強度如式（3）、式（4）所示，凍融劈裂強度比如式（5）所示：

式中：RT1為未進行凍融循環第1組單個試件的劈裂抗拉強度，MPa；RT2為進行凍融循環第 2、3、4組單個試件的劈裂抗拉強度，MPa；PT1為第1組單個試件的試驗荷載值，N；PT2為第2、3、4組單個試件的試驗荷載值，N；h1為第 1組每個試件的高度，mm；h2為第 2、3、4組每個試件的高度，mm。

式中：TSR為凍融劈裂試驗強度比；為未進行凍融循環第1組有效試件的劈裂抗拉強度平均值，MPa；RT2為進行凍融循環第2、3、4組有效試件的劈裂抗拉強度平均值，MPa。

由圖2、圖3均得出：凍融一次條件下，在2號融雪劑的作用下劈裂抗拉強度平均值和凍融劈裂強度比都比5號融雪劑作用下數值大，并且在5號融雪劑的作用下劈裂抗拉強度平均值和凍融劈裂強度比都比8號融雪劑作用下數值大。同樣，在5次、10次凍融條件下都呈現相同規律。因此，凍融循環對試件的水穩定性破壞的程度為：10次凍融循環＞5次凍融循環＞1次凍融循環，融雪劑對試件水穩定性能影響按從大到小排序為：8號融雪劑＞5號融雪劑＞2號融雪劑。

圖2 劈裂抗拉強度

圖3 凍融劈裂強度比

因此，為進一步探究凍融次數與融雪劑配比的關系，以凍融次數A、融雪劑溶液B作為影響水穩定性的因素，影響因素A的不同影響水平分別用A1（凍融一次），A2（凍融 5次），A3（凍融 10次）表示。影響因素B的不同影響水平分別用B1（2號融雪劑溶液），B2（5號融雪劑溶液），B3（8號融雪劑溶液）表示。通過兩因素進行等重復試驗的方差分析，確定兩因素各自對水穩性的評價影響，也能分析凍融次數A、融雪劑溶液B兩因素是否存在交互作用的影響。試驗結果如表6所示，以顯著性水平進行方差分析，方差分析數據如表7所示。

表6 試驗數據

表7 方差分析數據

由表7可知，凍融次數對瀝青混合料的水穩性評價水平有高度顯著影響，而融雪劑配比卻對瀝青混合料水穩性沒有顯著影響，但凍融次數和融雪劑配比的交互作用卻對瀝青混合料的水穩性評價卻有顯著影響。這說明添加融雪劑后，降低雪水的冰點，使其不易結冰，在一定程度上能夠緩減凍融作用對水穩定性的影響，使得二者的交互作用呈現顯著狀態。

4 結語

a）通過融雪劑融冰能力試驗得到：綜合造價及融雪能力兩方面分析，確定出12種融雪劑配比中最佳的 2、5、8 號融雪劑。

b）通過凍融劈裂試驗得到：（a）融雪劑對瀝青混合料水穩定性能影響排序為：2號融雪劑＜5號融雪劑＜8號融雪劑，故建議融雪劑的NaCl含量為8%、15%、22%，推薦使用2號融雪劑。（b）經過方差分析得到，凍融次數和融雪劑配比的交互作用對凍融劈裂試驗評價水穩性能有顯著影響，故在融雪劑配比對水穩定性影響的評價中，推薦凍融劈裂試驗為主要試驗，并相應增加5次、10次凍融劈裂試驗，以便更全面評價水穩定性能。