醋酸鈉融雪劑對納米ZnO改性瀝青混合料性能評價分析

劉 濤

(河南城建市政工程開發有限公司，河南 鄭州 450000)

在我國北方冬季天氣較為寒冷，且以雨雪天氣為主，當路面積雪量較大時會在行車荷載的反復碾壓下結成薄冰，降低了路面的抗滑性能。有研究表明，積雪路面的附著系數會比干燥路面降低65%，而結冰路面附著系數會更低，嚴重影響了車輛正常行駛，甚至引發交通事故[1]。此外，積雪長時間滯留在路面，緩慢融化的雪水逐漸滲入路面結構中產生凍脹，嚴重影響了路面的正常使用壽命。因此，采取一定措施或手段快速地消除路面積雪，保障道路正常通行，降低交通事故發生率是非常必要的。

目前在除雪技術方面主要分為主動式和被動式除雪2種：主動除雪技術主要是在路面鋪裝材料中摻入一定比例的彈性粒料，比如橡膠顆粒或者緩釋蓄鹽材料等達到自融雪的目的。而被動除雪技術主要是通過人工、機械或撒布融雪劑的方式達到除雪的目的。常用的融雪劑主要有氯化鈉、氯化鈣和醋酸鈉等，而研究表明，醋酸鈉融雪劑的除冰效果更顯著，且其具有較低的冰點[2]。

近年來，隨著對改性瀝青路面的大量研究發現，納米材料對于瀝青及其混合料性能具有明顯的改善作用，國內主要采用的納米材料是納米SiO2、納米蒙脫土、納米ZnO和納米CaCO3等[3]。目前國內外關于融雪劑對基質瀝青或SBS改性瀝青混合料的性能影響研究頗多，但關于融雪劑對納米改性瀝青性能影響方面研究較少，在已有大量研究成果的基礎上，通過醋酸鈉融雪劑對納米ZnO改性瀝青及其混合料性能的影響方面進行研究，希望能夠為工程應用提供一定的參考。

1 原材料性能及融雪劑融冰性能評價

1.1 原材料性能

試驗用納米ZnO改性瀝青作為研究對象，其由70號A級道路石油瀝青和質量分數3.5%納米ZnO材料在實驗室自制而成，主要技術性能指標如表1所示。

表1 ZnO改性瀝青技術性能指標Tab.1 Technical performance indexes of ZnO modified asphalt

融雪劑選用天津某化學劑有限公司生產的三水醋酸鈉，外觀呈白色粉末晶體狀，pH值在8.5左右。

瀝青混合料用粗集料采用玄武巖碎石，細集料采用石灰巖軋制而成，填料經石灰巖磨細而成，其各項技術指標性能均滿足JTG F40—2004規范要求；礦料的技術性能及級配如表2、表3所示。

表2 礦料技術性質Tab.2 Technical properties of mineral materials

表3 AC-13C礦料級配表Tab.3 AC-13C ore material grading table

1.2 融雪劑融冰能力

為了測試醋酸鈉融雪劑的融冰能力，將三水醋酸鈉制備成6種不同質量濃度的醋酸鈉溶液，分別將溶液倒入提前準備好的冰塊上，采用同樣溫度和時間下融化冰塊的體積作為評價指標，為降低試驗誤差，每一種質量濃度測試3次，取平均值作為測試結果；具體結果如表4所示。

表4 不同質量濃度醋酸鈉的融冰體積Tab.4 Melting ice volumes of sodium acetate at different mass concentrations

由表4可知，前期隨著質量濃度的增加，融冰體積有了明顯的增大，在質量濃度達到0.20 g/mL時融冰體積最大；但質量濃度大于0.20 g/mL后融冰體積反而開始減小，說明醋酸鈉質量濃度存在一個合理范圍值，并非越大越好。結合已有研究，醋酸鈉會在某一質量濃度范圍到達飽和狀態，質量濃度過大會導致部分醋酸鈉未能溶解，反而降低了融冰化雪的速率[4]。

2 融雪劑對改性瀝青基本性能的影響

為了探究融雪劑對于ZnO改性瀝青基本性能的影響，本文參考文獻[5]采用“高溫浸泡法”將熱熔瀝青分別倒入裝有0 g/mL(清水)和0.1、0.2、0.3 g/mL質量濃度融雪劑的燒杯中，且在60 ℃恒溫條件下浸泡48 h；然后冷卻后將融雪劑溶液倒出并用清水將瀝青沖洗干凈，最后制備試樣進行針入度、軟化點和延度試驗，結果如圖1所示。

圖1 瀝青基本性能試驗結果Fig.1 Basic performance test results of asphalt

從圖1可以看出，隨著融雪劑質量濃度的增大，針入度逐漸減小，相對于清水組而言，融雪劑質量濃度為0.1、0.2和0.3 g/mL對應的針入度分別減小了4.5%、8.1%、10.1%，降低的原因可能是由于高溫條件下經醋酸鈉溶液浸泡后，瀝青組分中的油分減少；而瀝青質和膠質組分占比相對提高，導致瀝青稠度增加[6]。軟化點隨融雪劑質量濃度的增加呈降低趨勢，其大小相對于清水組分別降低了2.2%、4.8%、9.7%，瀝青高溫性能明顯降低，可能是由于溶液中的醋酸根離子在高溫環境中對瀝青產生了乳化作用。從5 ℃延度結果來看，延度隨溶液質量濃度增大持續降低，說明醋酸鈉融雪劑會嚴重降低瀝青的低溫性能，這可能與瀝青油分的減少及乳化有關。

3 融雪劑對改性瀝青混合料性能的影響

為研究融雪劑質量濃度對于ZnO改性瀝青混合料的路用性能影響，采用不同質量濃度醋酸鈉融雪劑對制備的試件進行處理，融雪劑質量濃度選擇0.1、0.2和0.3 g/mL，并以清水作為對照組，同時為了更好的體現醋酸鈉融雪劑對于納米ZnO改性瀝青混合料性能的相對影響程度，本次采用經過同樣處理的普通瀝青混合料作為對比。

3.1 高溫穩定性

瀝青混合料作為1種粘彈性材料，在高溫及重載的反復作用下極易產生車轍，嚴重影響了行車舒適性。為了探究醋酸鈉融雪劑溶液浸泡后的瀝青路面高溫性能變化規律，采用高溫車轍試驗對不同融雪劑溶液浸泡后的車轍板試件進行試驗，室內成型尺寸為300 mm×300 mm×50 mm車轍板試件，在60 ℃清水或不同質量濃度融雪劑溶液中浸泡48 h，取出并置于60 ℃烘箱中保存4 h后進行試驗，試驗溫度為60 ℃，加載速率為42次/min，以動穩定度為評價依據，試驗結果如圖2所示。

圖2 高溫車轍試驗結果Fig.2 High temperature rutting test results

從圖2可以看出，無論是基質瀝青還是ZnO改性瀝青，其動穩定度都隨融雪劑濃度增大逐漸減小。對于基質瀝青而言，3種質量濃度0.1、0.2和0.3 g/mL對應的動穩定度相較于清水組分別降低了8.9%、15.8%、24.6%；而ZnO改性瀝青混合料的動穩定度相較于清水組分別降低了6.1%、9.7%、17.1%。對比基質瀝青和ZnO改性瀝青數據可以看出，ZnO改性劑可以明顯改善瀝青混合料高溫抗車轍能力，在同樣醋酸鈉溶液濃度時ZnO改性瀝青混合料動穩定度的降低比例要明顯低于基質瀝青，說明加入納米ZnO后對于抵抗醋酸鈉融雪劑的侵蝕作用具有積極效果。

3.2 低溫抗裂性

本文采用低溫小梁彎曲試驗用于評價融雪劑濃度對于ZnO改性瀝青混合料的低溫性能，將室內成型的車轍板試件經切割制成250 mm×25 mm×30 mm的小梁試件，由于試驗溫度為-10 ℃，在為防止水或醋酸鈉溶液處理試件時產生凍結，在水或溶液中加入了等體積的甲醇[7]，在恒溫空氣箱內放置5 h后取出，以試件破壞時的最大彎拉應變為評價指標，試驗結果如圖3所示。

圖3 低溫小梁彎曲試驗結果Fig.3 Low temperature beam bending test results

從圖3可以看出，2種瀝青混合料的彎拉應變隨著醋酸鈉濃度增大呈明顯降低趨勢，ZnO改性瀝青的彎拉應變整體上明顯高于基質瀝青，說明ZnO可以提高瀝青混合料在低溫時的應力松弛能力，改善混合料的低溫抗裂性能。針對基質瀝青在質量濃度分別為0.1、0.2和0.3 g/mL條件下的彎拉應變相對清水組分別降低了5.9%、13.5%、19.4%；而ZnO改性瀝青相對應的彎拉應變分別降低了4.2%、9.4%和12.8%，從變化率幅值看，納米ZnO能夠在一定程度上降低醋酸鈉融雪劑對于瀝青混合料低溫性能的傷害程度。

3.3 水穩定粘附性

由于集料是親水性物質，極易與水結合，而瀝青的親水性很低，當水分浸入瀝青混合料中，水分會降低集料與瀝青的粘附性，加之行車荷載的不斷作用下，瀝青逐漸從集料表面脫落，造成水損害，嚴重影響了瀝青路面的使用耐久性。國內主要是采用浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗對瀝青混合料的抗水損害性能進行評價，為了進一步探討經過醋酸鈉融雪劑處理后的納米ZnO改性瀝青混合料的抗水損害性能變化規律，采用浸水馬歇爾對其進行試驗評價，室內成型標準馬歇爾試件φ101.6×63.5，并經60 ℃水或醋酸鈉溶液浸泡48 h后進行試驗，試驗結果如圖4所示。

圖4 浸水馬歇爾試驗結果Fig.4 Immersion marshall test results

從圖4可以看出，醋酸鈉融雪劑對于兩種瀝青混合料的殘留穩定度均有不同程度的減小，但在數值上看，納米ZnO改性瀝青混合料的殘留穩定度相對較高，說明加入納米ZnO可以改善瀝青混合料的抗水損害性能。對于基質瀝青而言，在醋酸鈉質量濃度為0.1、0.2和0.3 g/mL時殘留穩定度相對清水組分別降低了3.9%、6.5%、9.7%，ZnO改性瀝青相應的分別降低了2.2%、4.7%、7.2%，顯然加入ZnO的改性瀝青混合料更能夠抵抗醋酸鈉融雪劑產生的不利影響。一方面，水會對瀝青與集料的界面粘接性造成一定的沖擊，加之醋酸根的親水性相對親油性較強，使得部分瀝青被乳化，降低了集料與瀝青的粘附性[20]。

4 結語

通過研究醋酸鈉融雪劑對于納米ZnO改性瀝青及其混合料路用性能的影響，主要得出以下結論。

(1)醋酸鈉融雪劑融化冰雪的體積并非隨著濃度的增大而增加，在質量濃度為0.2 g/mL時的融冰體積最大，當質量濃度大于0.2 g/mL后融冰體積減小，效果不佳；

(2)隨著醋酸鈉融雪劑質量濃度的增大，納米ZnO改性瀝青的25 ℃針入度、軟化點和5 ℃延度都逐漸減小，醋酸鈉降低了改性瀝青的高低溫性能；

(3)從路用性能試驗結果看，納米ZnO不但可以提高瀝青混合料的高溫抗車轍變形能力、低溫抗裂性和水穩定性，而且在抵抗醋酸鈉融雪劑對于瀝青混合料路用性能的不利侵蝕影響方面具有顯著改善效果。