0 引言
路面积雪结冰会导致车辆与路表之间的摩擦系数大幅度减小,降低雨雪天气的行车安全
[1-3]。目前,中国常用的道路除冰雪方法可以分为外部方法和内部方法(或被动方法和主动方法)
[4-5]。外部方法又可以分为人工清除、机械清除和撒布融雪剂。人工清除应用相对广泛,但是耗时费力;机械清除方法如果使用不合理,往往会造成骨料从沥青路面中剥离,对路面造成不同程度的损伤;撒布融雪剂方法常采用盐类和醇类作为融雪剂,但是相关研究表明,过度使用化学融雪剂会污染土壤,破坏排水系统,腐蚀公共基础设施
[6]。内部方法主要包括热熔微波路面、电加热路面,这些方法主要是通过微波或预埋传热管线等方法来预防路面积雪结冰
[7-8]。然而,这些方法常常面临投资成本高、耐久性差等问题,因此无法大规模推广使用
[9-11]。
蓄盐沥青路面通过在沥青混合料中加入盐化物,使沥青路面具有融雪抑冰的功能
[12]。雨雪天气下,盐化物中的氯离子在渗透压差以及轮胎荷载作用下,从沥青路面中析出,经溶解不断迁移扩散至路表,从而降低路面冰点,延缓或抑制路面结冰
[13]。蓄盐沥青路面的融雪抑冰特性主要由盐化物的技术性质决定,盐化物按照粒径大小可分为集料型和填料型。集料型盐化物最早由瑞士提出,目前常用盐化物产品为V‑260(路丽美)等。填料型盐化物主要有Mafilon(MFL),由日本优化改进后提出,日本的蓄盐沥青路面铺设面积现已超过400万m
2[14]。朱浩然等
[15]和Li等
[16]通过破冰试验、路用性能测试试验,发现V‑260和MFL都具备良好的融雪抑冰效果,并且蓄盐沥青混合料的路用性能相较于普通沥青混合料更好。
中国引进蓄盐沥青路面技术相对较晚,但自2008年首次在蓝商高速应用后,不断进行创新优化,也取得了较为丰硕的研究成果以及工程经验。此外,在自主研发盐化物材料方面也取得了一定进展,其中代表性产品包括常州履信新材料公司生产的履信(Lvxin)、长安大学研发的Icebane、中交抗暗冰等。但是,考虑建设成本、长效性能等方面影响,中国对于蓄盐沥青路面的应用主要在隧道出入口、高速公路收费站等一些特殊场景。
表1列出了中国部分蓄盐沥青路面的应用案例,实际融雪抑冰效果如
图1所示。其中,北京市大兴机场的新机场高速同时用到V‑260和MFL两种盐化物,含MFL的沥青路面面积超过100 万m
2,盐化物使用量超过6 000 t
[17]。中国自主研发的履信(Lvxin)盐化物在河北雄安新区荣乌高速、京台高速徐州段等多个公路工程项目中得到了较大面积的应用,其中在江西萍莲高速公路海拔超过500 m的路段,Lvxin盐化物的使用量超过200 t,后期均表现出良好的抗凝冰效果。然而,作为中国最常用的盐化物,LX Ⅱ和MFL两种盐化物沥青路面在融雪抑冰和路用性能方面的差异尚未研究。此外,暴露在外界环境条件下会导致沥青路面出现累计的不可逆老化,老化后蓄盐沥青路面的融雪抑冰效果尚不清楚
[18]。
因此,该文选取履信Ⅱ型(LX Ⅱ)和Mafilon(MFL)两种盐化物,以不同的掺量加入混合料中,制备得到蓄盐SMA‑13混合料。通过不同老化条件下的电导率测试试验,结合融冰试验和融雪试验,对比二者的融雪抑冰效果,并确定盐化物的最佳掺量;然后,通过水稳定性试验、高温稳定性能试验、低温抗裂性能试验和肯塔堡飞散试验,分析两种盐化物对SMA‑13混合料基本路用性能的影响。最后,结合室外试验段雨雪天气的表现情况,进一步验证分析两种盐化物的融雪抑冰效果。
1 原材料和试验方法
1.1 盐化物
选用的LX Ⅱ和MFL两种盐化物,外观均呈粉末状,如
图2所示,有效成分分别为CaCl
2和NaCl,技术指标如
表2所示。
1.2 SMA‑13混合料配合比设计
采用玄武岩集料、石灰石矿粉、SBS改性沥青、木质素纤维和抗剥离剂制备SMA‑13混合料。矿料级配如
图3所示,SBS改性沥青的技术指标如
表3所示,木质素纤维和抗剥落剂的掺量分别为矿料质量的0.3%和沥青质量的0.4%。通过马歇尔设计方法确定最佳沥青用量为6.1%,压实后的SMA空隙率为4.1%。为避免对SMA‑13混合料的骨架级配和结构产生影响,本研究通过体积置换法,将盐化物分别置换相同体积的矿粉加入混合料中,制备蓄盐SMA‑13混合料。
1.3 试验方法
1.3.1 电导率测试试验
盐化物的有效抗凝成分为氯化物,可以通过氯化物的浓度来反映盐化物中有效抗凝成分的析出情况。然而,氯离子的浓度很难通过简单的方法测试,因此,本研究采用水溶液的电导率来描述氯离子浓度,从而反映盐化物有效成分的析出。电导率越高,表明氯离子浓度越高,即盐化物中的有效成分析出越多
[19]。
试验选用DDS‑307电导率测试仪器,测试范围为0~199.9 mS/cm,工作温度范围为0~60 ℃。测试步骤如下:
(1) 用LX Ⅱ和MFL制备SMA‑13马歇尔试件,盐化物掺量分别为3%、5%和10%(矿粉掺量为10%,即分别替换30%、50%和100%体积的矿粉)。
(2) 将拌和完成的沥青混合料放入135 ℃的烤箱中放置4 h,模拟短期老化。短期老化完成后,再压实成型12个直径为101.5 mm、高度为63.5 mm的马歇尔试件。再将一半的试件置于85 ℃烤箱中5 d,以模拟长期老化。老化过程如
图4所示。
(3) 将经过短期、长期老化模拟后的试件分别浸泡在5 ℃恒温的2 000 mL水容器中,每隔24 h,测量一次水溶液的电导率。
1.3.2 融冰试验
为评价蓄盐SMA‑13混合料的冻结温度,对浸泡蓄盐SMA‑13马歇尔试件的水溶液进行融冰测试试验。试验步骤如下:
(1) 将蓄盐SMA‑13混合料分别浸泡在2 000 mL水中10 h、24 h和15 d,从2 000 mL水中收集100 g水样,进行电导率测试。
(2) 将水样放入-15 ℃的冰箱中12 h,使其凝结成冰,从冰箱中取出冰样,将冰块置于20 ℃环境下自然融化。
(3) 每间隔1 h从容器中倒水并称重,倒出的水越多,即冰点温度越高,其水溶液中的氯化物含量越高,从混合料中析出的盐化物越多,同时记录冰块完全融化的时间。
1.3.3 融雪试验
融雪试验在雪天进行,通过试件表面积雪的融化情况观察对比SMA、LX Ⅱ SMA和MFL SMA的融雪效果。试验步骤如下:
(1) 分别制备含有3%、5%和10%的LX Ⅱ SMA‑13马歇尔试件、MFL SMA‑13马歇尔试件和普通SMA‑13马歇尔试件,然后将试样置于室外3 h。
(2) 收集75 g松散的雪,放置在试样表面,每隔40 min观察不同组别试样上雪融化的情况,同时记录雪完全融化的时间。
1.3.4 路用性能测试试验
为评价两种盐化物对SMA‑13混合料基本路用性能的影响,根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的试验步骤,分别采用冻融劈裂试验、车辙试验、低温小梁弯曲试验以及肯塔堡飞散试验,测试分析蓄盐SMA‑13混合料的水稳定性能、高温稳定性能、低温抗裂性能以及黏附性能。
2 室内试验结果
2.1 盐化物中氯离子的释放规律
短期老化后的普通SMA、LX Ⅱ SMA和MFL SMA试样浸泡后水的电导率随时间的变化结果如
图5所示。
从
图5可以看出:普通SMA试样浸泡后水的电导率在15 d内稳定在0.4 mS/cm。这表明在浸水时间增加的过程中,普通SMA试样没有释放电解质,0.4 mS/cm的初始电导率可能是由纯水中携带的少量电解质引起的。与普通SMA试样不同,LX Ⅱ SMA试样和MFL SMA试样浸泡后,水的电导率随着浸泡时间的增加而迅速增加,表明氯化物在15 d内从LX Ⅱ SMA、MFL SMA中持续释放到水中。对于两种蓄盐SMA而言,盐化物掺量的增加都会使蓄盐SMA释放的氯化物增加。此外,在盐化物掺量相同的情况下,LX Ⅱ SMA释放的氯化物多于MFL SMA,因此,在短期老化条件下,LX Ⅱ SMA的融雪抑冰效果优于MFL SMA。
长期老化模拟后的SMA、LX Ⅱ SMA和MFL SMA试样,同样浸泡在5 ℃的水中,15 d后测量电导率,结果如
图6所示。为了分析老化时间对氯化物释放的影响,
图6中还包括用短期老化试样浸泡水的电导率。
从
图6可以看出:长期老化模拟后,普通SMA试样的电导率与短期老化模拟后的电导率相当,进一步证明普通SMA试样中没有释放出氯化物;试样浸泡15 d后,长期老化模拟后的蓄盐SMA试样释放的氯化物多于短期老化模拟后的试样,即蓄盐沥青路面的老化有利于其所含氯化物的析出;在相同掺量下,长期老化模拟后LX Ⅱ SMA试样浸泡后的水比MFL SMA试样具有更好的导电性,即LX Ⅱ中的CaCl
2释放速度比MFL中的NaCl更快。
2.2 蓄盐SMA‑13的融冰效果
浸泡试样10 h、24 h和15 d的浸出水电导率以及水样结冰再完全融化的时间如
图7所示。
由
图7可知:试验结果与预期相似,掺入盐化物以后,浸泡水凝冰后的融化时间有不同程度的缩短,掺量越高,凝冰后的融化时间越短,且相同掺量下,LX Ⅱ的效果优于MFL,其中10% LX Ⅱ使得凝冰后的融化时间相较于普通SMA‑13最多减少41.9%。另外,随着盐化物掺量从3%增加到10%,LX Ⅱ SMA浸泡15 d的水溶液结冰后,融化时间从453 min缩短到406 min,MFL SMA融化时间从462 min缩短到429 min,可见,对于蓄盐SMA混合料来说,试样在水中浸泡的时间越长,盐化物掺量越高,释放到水中的氯化物就越多,其形成冰层融化得越快。因此,蓄盐SMA不仅在水冷冻过程中具有延缓冻结的作用,而且在解冻过程中能够加速融化。
2.3 蓄盐SMA‑13的室外融雪效果
蓄盐SMA‑13试样上积雪的融化过程如
图8所示,试验当天天气为中雪转多云,气温为-4~5 ℃。整个试验过程中室外温度基本保持为3~5 ℃。
从
图8可以看出:随着时间的推移,试样表面上的积雪逐渐融化。同时,LX Ⅱ SMA上积雪最少,而未添加盐化物的SMA上积雪量最多,表明蓄盐SMA对加速积雪融化有显著作用,而且LX Ⅱ在加速积雪融化方面优于MFL,积雪的融化时间如
图9所示。
从
图9可以看出:与普通SMA相比,对于LX Ⅱ SMA,随着LX Ⅱ剂量从0%增加到5%,积雪时间的减少程度增加了19.2%。而随着LX Ⅱ剂量从5%增加到10%,融化时间的减少程度增加了6.4%,MFL SMA试样也表现为相似的规律。
综合以上两种盐化物在不同掺量下,蓄盐SMA‑13混合料所表现出的融雪抑冰结果,本研究确定两种盐化物的最佳掺量为5%,在路用性能测试试验中,蓄盐SMA‑13混合料的盐化物掺量均为5%。
2.4 蓄盐SMA‑13的水稳定性能
蓄盐SMA‑13混合料的冻融劈裂试验结果如
图10所示,标准偏差值以平均值的误差条显示。
从
图10可以看出:LX Ⅱ对SMA的残留强度比影响甚微,与LX Ⅱ相比,MFL对SMA的水稳定性有更大的负面影响。虽然蓄盐SMA混合料的水稳定性能有所下降,但仍满足规范允许要求(>80%)。
2.5 蓄盐SMA‑13的高温稳定性能
蓄盐SMA‑13混合料的车辙试验结果如
图11所示,标准偏差值以平均值的误差条显示。
从
图11可以看出:LX Ⅱ和MFL分别使SMA的动稳定度从10 616 次/mm降低到8 754 次/mm和9 170 次/mm。这是因为沥青和矿粉形成的砂浆是影响SMA抗剪强度的主要因素之一。本文将盐化物替代矿粉加入SMA中,减少了矿粉的用量,而沥青与盐化物的黏附效果不如矿粉,因此蓄盐SMA的抗剪强度和高温稳定性降低。研究还发现,与MFL相比,LX Ⅱ对SMA的高温抗车辙性能有更大的负面影响。然而,使用两种盐化物的SMA的动稳定度仍满足规范要求(>3 000 次/mm)。
2.6 蓄盐SMA‑13的低温抗裂性能
蓄盐SMA‑13混合料低温破坏应变试验结果如
图12所示,标准偏差值以平均值的误差条显示。
从
图12可以看出:LX Ⅱ和MFL分别使SMA的破坏应变从2 723.1×10
-6降低到2 633.9×10
-6和2 573.8×10
-6,且MFL对SMA的低温抗裂性的负面影响比LX Ⅱ更大。然而,添加两种盐化物的SMA的破坏应变满足规范要求的最小破坏应变(>2 500×10
-6)。尽管盐化物对混合料的低温性能有负面影响,但蓄盐SMA仍然具有足够的低温抗裂性。
2.7 蓄盐SMA‑13的黏附性能
蓄盐SMA‑13混合料的肯塔堡飞散试验结果如
图13所示,标准偏差值以平均值的误差条显示。
从
图13可以看出:添加5%的LX Ⅱ和MFL使得SMA的肯塔堡损失分别从3.0%增加到7.9%和7.6%。其原因是:蓄盐SMA中使用盐化物取代了部分矿粉,矿粉减少或沥青玛蹄脂减少导致沥青和骨料之间的黏附力降低,但蓄盐SMA的质量损失仍然满足规范要求(<15%)。
3 蓄盐SMA‑13路面试验段融雪抑冰效果
依托某省道项目进行现场试验段测试,该项目沥青路面结构采用40 mmSMA‑13+60 mm AC‑25,其中上面层SMA‑13混合料采用体积置换法分别掺入LX Ⅱ和MFL,掺量为矿粉体积的50%。LX Ⅱ SMA和MFL SMA路面试验段的长度分别为357.6 m和288.7 m。沥青路面的压实过程如
图14所示,LX Ⅱ SMA和MFL SMA碾压成型后的路表如
图15所示。
分别从SMA‑13、LX Ⅱ SMA‑13、MFL SMA‑13压实后的路面部分取24个圆柱形样品(每种取8个样品),如
图16所示。测量样品的密度,并计算每种沥青路面的平均值,通过每段的平均密度除以理论最大密度来计算压实度,结果见
表4。
由
表4可知:普通SMA、LX Ⅱ SMA和MFL SMA路面压实芯样的密度分别为2.455 g/cm
3、2.458 g/cm
3和2.453 g/cm
3,相应的压实度分别为95.5%、96.7%和95.2%,三者之间的铺设和压实没有明显差异,即盐化物的加入不会对SMA路面的摊铺碾压有显著影响。
在某日最低气温为-2 ℃的中雪和暴雨后,对3种混合料路面的结冰和积雪进行了现场观测,其路表结冰状况如
图17所示。普通SMA路面表面有一层厚而硬的冰层,而MFL SMA路面上的冰是不连续的,像冰丸一样,说明MFL SMA表面上的冰很容易被外力去除。此外,雨雪并没有在LX Ⅱ SMA路面上结冰,只形成了一层水膜,这归因于LX Ⅱ中的氯化物大量释放,从而降低了路面的冻结温度。
4 结论
本文通过室内试验和现场调查,对比研究了LX Ⅱ和MFL两种盐化物对SMA‑13混合料融雪抑冰效果、高温稳定性能、低温抗裂性能和水稳定性的影响。得出以下结论:
(1) 当水分进入沥青路面时,LX Ⅱ SMA和MFL SMA中的氯化物均会逐渐释放,且LX Ⅱ中氯化物的释放速率高于MFL;经长期老化后,LX Ⅱ和MFL SMA中的氯化物更容易释放到水中。
(2) 与普通SMA相比,蓄盐SMA能够降低浸水的冰点,从而延缓结冰或抑制结冰;在降低冰点方面LX Ⅱ的效果优于MFL。
(3) 添加LX Ⅱ和MFL会在一定程度上降低SMA的高温稳定性和低温抗裂性,但由两种盐化物制备得到的蓄盐SMA混合料路用性能仍满足规范要求,考虑到沥青路面的基本路用性能要求,应合理控制防冰添加剂的用量。
(4) 结合室内试验和现场试验段的观测结果,与5%MFL SMA路面相比,5%LX Ⅱ改性SMA路面具有更好的融雪抑冰效果。
本研究为寒冷地区冬季沥青路面设计提供了参考,但蓄盐沥青路面的长期耐久性、盐化物在沥青混合料中的分布与析出规律仍需进一步观测与分析,以验证其应用效果。