緩釋型抗冰凍混合料鋪裝路面抗凝冰效果及長效保持機制研究

摘 要：【目的】針對冬季冰雪天氣橋面結冰導致的交通安全問題，開展緩釋型抗冰凍瀝青混合料研究?！痉椒ā客ㄟ^融化試驗、撕裂試驗和電導率試驗，對比評價SMA-13-國產和SMA-13-MFL的短期融冰和長期防冰效果?！窘Y果】融化試驗表明，進口MFL抗冰凍劑的融冰能力優于國產抗冰凍劑。撕裂試驗表明，國產抗冰凍劑的融冰性能優于進口MFL抗冰凍劑。鹽分融析電導率試驗表明，進口MFL抗冰凍劑的析出速率大于國產抗冰凍劑；進口MFL抗冰凍的融雪除冰效果可持續2～3年，國產抗冰凍劑的融雪除冰效果可持續3～4年?！窘Y論】緩釋型抗冰凍混合料在橋面鋪裝中具有較好的推廣應用前景。

關鍵詞：MFL；國產抗冰凍劑；融化；撕裂；電導率

中圖分類號：U414???? 文獻標志碼：A????? 文章編號：1003-5168（2024）08-0071-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.08.014

Study on Anti-Icing Effect and Long-Term Maintenance Mechanism of Slow-Release Anti-Freezing Mixture Pavement

ZHAO Luxia

（Jiangsu Provincial Transportation Engineering Group Co.， Ltd.， Zhenjiang 212143，China）

Abstract： [Purposes] This paper aims address the traffic safety issues caused by bridge decks being prone to freezing during winter ice and snow weather， it is necessary to conduct research on slow-release anti freezing asphalt mixtures. [Methods] This article compares and evaluates the short-term ice melting and long-term anti icing effects of SMA-13 domestic and SMA-13-MFL through melting tests， tear tests， and conductivity tests. [Findings] The research results show that the melting test shows that the melting ability of imported MFL anti freezing agent is better than that of domestic anti freezing agent. The tear test shows that the melting performance of domestic anti freezing agents is better than that of imported MFL anti freezing agents. The salt thawing conductivity test shows that the precipitation rate of imported MFL antifreeze is higher than that of domestic antifreeze; the imported MFL anti freezing snow melting and deicing effect can last for 2～3 years， while the domestic anti freezing agent's snow melting and deicing effect can last for 3～4 years. [Conclusions] The slow-release anti freezing mixture has good prospects for promotion and application in bridge deck pavement.

Keywords： MFL; domestic anti-freezing agent; melting; tear; conductivity

0 引言

冬季橋面通常先于路面產生薄冰層，導致其抗滑性能急劇下降，嚴重危害車輛的行車安全。常見的融雪技術主要為被動融雪和主動融雪。被動融雪包括機械、人工和融雪劑除雪；主動除雪主要包括緩釋型融冰雪技術、橡膠顆粒除冰雪技術、熱力融冰雪技術等［1-3］。近些年來，緩釋型抗冰凍混合料的研究較多。彭智宇等［4］研究了不同融雪劑對瀝青混合料水穩定性能的影響，研究表明，NaCl的含量對混合料影響較大。于國功等［5］開發了一種環保緩釋微膠囊自融冰劑，并在京雄高速公路施工中進行應用，取得了不錯的融雪效果。葛浩［6］提出將防凍劑加入瀝青路面進行主動抑冰除雪，并在橋面鋪裝工程中進行應用。目前，國內學者的研究主要聚焦于緩釋型抗凍劑和瀝青混合料的配伍性，而針對抗凍混合料的融雪除冰效果方面的研究還較少，尚沒有標準的試驗評估方法。本研究對進口MFL和國產抗冰凍劑，通過撕裂和融化試驗，從融化能力以及冰層與混合料的黏結情況等方面，評估不同抗冰凍劑的短期融冰雪效果。同時，采用鹽分溶析電導率試驗方法，評估抗冰凍劑融雪除冰效果的長效性。

1 融化試驗

采用馬歇爾擊實的方法，成型3組標準的馬歇爾試件，分別為普通SMA-13、SMA-13-MFL、SMA-13-國產?？贡鶅鰟┑娜诒Ч囼灢襟E如下：①準備3個容積、大小、刻度等參數相同的塑料量筒，并稱量各自的重量；②將3個量筒內分別加入800 mL蒸餾水，將制作好的馬歇爾試件放入量筒中，稱取三者的重量；③將三者同時放入環境溫度為-5 ℃的恒溫箱中冰凍24 h；④24 h后取出量筒，觀察試件與冰層的黏結情況，將3組試件置于23 ℃的恒溫環境中，自然融化；⑤每隔1 h倒去融化的水，并稱重剩余重量，利用重量差得出各組試件的融冰能力大小。觀察試驗結果可見：SMA-13-國產試件的黏結層有較密的白色小氣泡；SMA-13-MFL試件的黏結層有部分白色小氣泡；普通SMA-13試件的表面幾乎無氣泡。

為對比3組試件的融冰效果，項目組每隔1 h測量冰融化的質量損失，根據冰的融化情況，得到最終3組試件的融化時間，具體試驗記錄見表1。比較3組試件的融冰效果可知，普通SMA-13試件融化時間共計595 min，SMA-13-國產試件融化時間共計580 min，SMA-13-MFL試件融化時間共計571 min。由融冰時間可知，SMA-13-MFL試件總融化時間最短，SMA-13-國產試件次之，普通SMA-13試件最長。

由表1可知，普通SMA瀝青混合料試件起初融冰能力高于摻國產抗凝冰劑的瀝青混合料試件，但后期能力急速降低，表面未摻加緩釋型抗冰凍劑的融冰能力較低，靠自然融化為主。摻加MFL的瀝青混合料試件的融冰能力初期較高，后期一直處于較平穩狀態，而摻國產抗凝冰劑的瀝青混合料試件初期融冰能力較差，后期逐漸恢復至平穩狀態。結合總融冰時間，可得出結論：MFL抗冰凍劑的融冰能力優于國產抗冰凍劑，同時，黏結層表面的白色小氣泡說明摻國產抗凝冰劑的瀝青混合料與冰層的黏結力低于摻MFL的瀝青混合料試件，當車輛行駛在上面時，冰層更易于破碎。

2 撕裂試驗

為了定量分析摻加抗冰凍劑與不摻加抗冰凍劑的瀝青混合料試件的除冰效果，本研究開展了撕裂試驗，利用測力裝置，針對-5 ℃和-10 ℃環境下瀝青混合料試件與冰在低溫下凍結形成的黏結力進行測量。撕裂試驗的步驟如下：①采用馬歇爾擊實的方法，成型標準的馬歇爾試件；②選取試件表面粗糙度相近的試件進行試驗，以控制變量，保證試驗的準確性；③將布條鋪在試件表面，用水淋濕布條和試件，然后將試件置于高低溫環境箱中（勿移動布），等待環境箱的溫度穩定后，用水壺將試件淋濕；④冷凍24 h后，將試件從高低溫箱中取出，迅速安裝在試驗機上；⑤開動撕裂試驗機以40 mm/min的速率向上拉動，當布條完全從試件表面剝落時，記錄撕拉試件表面數據的最大值作為試件與冰的結合力。在撕拉試驗進行中，注意布條與馬歇爾試件的接觸情況，當布條與馬歇爾試件表面分離時，停止試驗。3組瀝青混合料試件的撕裂試驗結果見表2。

由表2可知，隨著溫度的降低，布條與瀝青混合料試件表面的黏結力均有所上升，其中普通瀝青混合料的增加尤為明顯；SMA-13-國產試件的黏結力低于SMA-13-MFL試件，說明SMA-13-國產的路面與冰層黏結力更低，在外加荷載的作用下，冰層更易于破碎。

在-5 ℃的試驗條件下，普通SMA-13試件的黏結力為52.80 N。SMA-13-國產試件布條與冰層的黏結力為7.90 N，遠小于普通SMA-13試件，SMA-13-MFL試件黏結力為27.92 N。

在-10 ℃的試驗條件下，普通SMA-13試件開始用設備撕拉時，利用人工力量并不能壓住，經過1 min的自然融化，測出的黏結力為188.34 N，而SMA-13-國產試件與冰層的黏結力僅為普通SMA-13試件與冰層黏結力的15.2%，SMA-13-MFL試件與冰層的黏結力為普通SMA-13試件與冰層黏結力的20.5%。分析原因可知，緩釋型抗冰凍劑析出至試件表面，降低了試件的冰點，減小了冰層與試件的黏結力，使得冰層與試件的黏結力降低。

因此，在-5℃和-10℃低溫環境下，國產抗冰凍劑材料與進口MFL均有較好的融冰雪效果，且國產抗凍劑優于進口MFL。由-5℃和-10℃下的撕裂試驗可知，布條與試件的黏結力大小為：普通SMA-13>SMA-13-MFL>SMA-13-國產，即融冰效果大小為：國產抗冰凍劑>MFL抗冰凍劑。

3 長期融冰效果評價

采用全溶法測試SMA-13-MFL瀝青混合料和SMA-13-國產瀝青混合料的鹽分溶析情況，具體試驗步驟如下：①制作SMA-13-MFL和SMA-13-國產的瀝青混合料馬歇爾試件，冷卻至室溫后脫模；②將SMA-13-MFL和SMA-13-國產瀝青混合料的馬歇爾試件分別放入2 000 mL的大燒杯中，加入600 mL蒸餾水，在電導率儀底部放墊塊；③開啟電導率儀，測定燒杯中抗冰凍瀝青混合料的電導率記為K0；④每隔8 h測定溶液的電導率，連續測量一段時間，并繪制電導率K與浸水時間T的關系曲線。

3.1 試驗結果分析

根據上述試驗方法，對SMA-13-MFL和SMA-13-國產瀝青混合料溶液的電導率進行測定，試驗環境溫度為23 ℃。SMA-13-MFL和SMA-13-國產瀝青混合料的電導率隨時間T的變化結果，如圖1所示。

由圖1可知，SMA-13-國產和SMA-13-MFL瀝青混合料的溶液電導率由0增加到0.94 ms/cm和1.026 ms/cm，再到后來的8.95 ms/cm和3.96 ms/cm，電導率變化較大，這是由于緩釋型抗冰凍瀝青混合料試件成型過程中，部分抗冰凍劑通過裸露在試件表面，初期迅速溶解在溶液中，而不是通過空隙擴散到溶液中導致的。隨著浸泡時間的延長，當試件表面的抗冰凍材料完全溶解后，電導率的增長逐漸放緩，且增長速率穩定。

隨著緩釋型抗冰凍瀝青混合料中抗冰凍劑的有效析出，溶液的電導率隨著時間的延長逐漸增大，采用線性回歸分析對試驗數據進行擬合，可得到SMA-13-MFL和SMA-13-國產瀝青混合料電導率K與時間T的線性方程分別見式（1）、式（2），相關系數近似于98%。

K進口=0.797T+1.47（R2=0.980） （1）

K國產=0.617T+7.80（R2=0.984） （2）

根據鹽分融析電導率試驗，SMA-13-MFL瀝青混合料的電導率變化率為0.797 ms/cm，而SMA-13-國產瀝青混合料的電導率變化率為0.617 ms/cm，得到鹽分析出速率為：SMA-13-MFL瀝青混合料>SMA-13-國產瀝青混合料。

3.2 路面使用壽命預估

本研究在裝有1 000 mL水的燒杯中加入不同質量的進口MFL和國產抗冰凍劑，可以測定不同抗冰凍劑的電導率，建立進口MFL、國產抗冰凍劑溶液濃度和電導率的函數關系，如圖2所示。

由圖2可知，電導率K與抗冰凍劑溶液濃度n的函數關系見式（3）。

K=1 061n+10.004（R2=0.996） （3）

將這一結果作為進口MFL和國產抗冰凍劑瀝青混合料鹽分溶析試驗的標準曲線，并根據標準曲線計算每天鹽分的濃度變化，進一步計算出路表鹽分的析出量。路表鹽分的析出量按式（4）計算。

Q=[Vρw×nS] （4）

式中：Q為每平方米路表鹽分析出量，g/m2；V為加入蒸餾水的體積，V=800 mL；ρw為蒸餾水的密度，ρw=1.0 g/cm3；n為計算出的每天溶液鹽分濃度變化，%；S為馬歇爾試件的表面積，按式（5）計算，m2。

S=（2πr2+2πrh）×10-6 （5）

式中： r為馬歇爾試件的半徑，mm；h為馬歇爾試件的高度，mm。

經計算，馬歇爾試件的表面積S=0.036 m2，SMA-13-MFL和SMA-13-國產抗冰凍劑瀝青混合料路面每天鹽分析出量分別為19.67 g/m2和13.09 g/m2，具體見表3。

緩釋型抗冰凍路面的使用壽命T按式（6）進行計算。

T=[mQt] （6）

式中：m為路面防凍材料的質量，g，計算公式見式（7）；Q為每平方米鹽分析出量，g/m2；t為當地的年平均降水天數，d。

m=[h×ρ×1041+OAC]×k×c （7）

式中：h為緩釋型抗冰凍SMA-13混合料橋面厚度，cm；ρ為緩釋型抗冰凍SMA-13混合料密度，g/cm3；OAC為油石比，%；k為抗冰凍劑摻量占礦料質量的比值，%；c為抗冰凍劑中易溶鹽含量，%。

進口MFL和國產抗冰凍劑易溶鹽的含量分別為98%和86%，摻量為礦料的5.0%，防冰雪混合料SMA油石比為6.0%，進口和國產防冰雪混合料的毛體積密度按2.5 g/cm3計算，防冰雪路面厚度為4 cm時，每平方米防冰雪材料的質量為：進口MFL抗冰凍劑m進口=[4×2.5×1041+6.0%]×5.0%×98%=4 622.6 g；國產抗冰凍劑m國產=[4×2.5×1041+6.0%]×5.0%×86%=4 056.6 g。進口和國產防冰雪材料在路面能夠發揮防冰雪效果的時間分別為：進口MFL抗冰凍劑D進口=4 622.6/19.67=235.01 d；國產抗冰凍劑 D國產=4 056.6/13.09=309.90 d。

因此，SMA-13-MFL混合料橋面融雪除冰效果的有效天數為226 d，SMA-13-國產混合料橋面融雪除冰效果的有效天數為310 d。以江蘇省南部為例，年平均降雨天數為116 d，則進口MFL抗冰凍劑的融雪除冰效果可持續2～3年，國產抗冰凍劑的融雪除冰效果可持續3～4年。

4 結論

本研究基于緩釋型抗冰凍瀝青混合料，通過破冰試驗、撕裂試驗和鹽分溶析電導率試驗，對比評價SMA-13-MFL和SMA-13-國產的短期融冰、長期防冰效果，主要結論如下。

①通過室內模擬研究不同緩釋型抗冰凍劑的融雪除冰效果和緩釋型抗冰凍瀝青混合料的融化試驗結果可知，進口MFL抗冰凍劑的融冰能力優于國產抗冰凍劑。而撕裂試驗表明，國產抗冰凍劑的融冰性能優于進口MFL抗冰凍劑。

②根據鹽分融析電導率試驗可知，進口MFL抗冰凍劑的析出速率大于國產抗冰凍劑。

③通過鹽分融析速率預估混合料的服役年限，以江蘇省南部為例，年平均降雨天數為116 d，則進口MFL抗冰凍劑的融雪除冰效果可持續2～3年，國產抗冰凍劑的融雪除冰效果可持續3～4年。

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（欄目編輯：孫艷梅）

收稿日期：2023-08-22

作者簡介：趙錄霞（1987—），女，本科，工程師，研究方向：交通工程。