蓄盐类抑制冻结沥青混合料高温性能研究

钟 科

(交通部公路科学研究院，北京 100088)

·建筑材料及应用·

蓄盐类抑制冻结沥青混合料高温性能研究

钟 科

(交通部公路科学研究院，北京 100088)

为了研究蓄盐类抑制冻结沥青混合料的高温抗车辙性能，选取普通沥青混合料、抑制冻结沥青混合料及掺橡胶颗粒的抑制冻结沥青混合料，分别进行干法车辙试验和浸水车辙试验，结果表明：无论干法车辙或是浸水车辙，掺橡胶颗粒的抑制冻结沥青混合料都拥有良好的高温性能，优于其他两种沥青混合料。

抑制冻结，沥青混合料，橡胶颗粒，高温性能

在寒冷的冬季，许多公路和城市道路都遭受冰雪的损害，为此各国都进行了大量的研究，探索出了多种清除道路冰雪的办法。蓄盐类抑制冻结沥青路面是指在沥青混合料中直接掺入具有抑制冻结效果的盐化物，形成具有抑制冻结效果的路面。早在20世纪70年代，日本就进行了相关的研究，并在全国成功进行了推广[1]。国内长安大学等单位开展了广泛的研究，李福普等[2]研究表明长效型主动融雪沥青混合料的动稳定度随着盐化物置换率的增加而下降；查旭东等[3]研究表明在融雪剂和水的冻融作用下，随着空隙率的增大，SBS改性沥青混合料的高温性能明显下降。近50年来，我国夏季最高日平均气温以上升为主，北方尤为明显[4]，对路面的高温性能提出了更高的要求。蓄盐类抑制冻结沥青路面的抗车辙性能能否满足要求，需对其进行专门研究，为以后该类型路面在北方寒冷地区推广提供支持。

考虑到掺加橡胶颗粒可以明显提高沥青混合料的高温性能[5]，本文选取普通沥青混合料、抑制冻结沥青混合料及掺橡胶颗粒的抑制冻结沥青混合料，分别进行干法车辙试验和浸水车辙试验，对比研究蓄盐类抑制冻结沥青混合料的高温抗车辙性能。

1 原材料与试验级配

根据日本最新的抑制冻结铺装技术[6]，为了从本质上减缓路面的冻结，在沥青混合料中添加氯化钠、氯化钙等盐化物，用盐化物来降低冰点，从而达到抑制路面凝冰的目的。因此本文选择盐化物作为抑制冻结材料，试验采用的沥青为壳牌SBS改性沥青，粗、细集料为玄武岩，矿粉采用磨细的石灰石粉，矿料的技术指标均满足JTG F40-2004公路沥青路面施工技术规范的要求。掺加的盐化物融雪剂的密度小于矿粉，若直接采用等质量置换矿粉用量，会增加矿粉的体积，降低沥青混合料的流动性能，甚至会结成团块，增大拌和及摊铺难度，另外，沥青混合料的剩余空隙率将变小，影响路面的高温稳定性。本文选择等体积置换矿粉，采用粗型密级配沥青混合料AC-13C。在相同矿料级配条件下，融雪剂添加量对沥青混合料马歇尔试件体积指标及油石比影响不大[7]，因此选择100%置换率置换矿粉，确定普通沥青混合料和抑制冻结沥青混合料的最佳油石比都为4.8%。当橡胶颗粒掺量为2.0%～6.0%时，沥青混合料的综合性能最优[8]，选择在沥青中掺入4.0%的橡胶颗粒材料，最佳油石比亦确定为4.8%。

2 高温性能试验

车辙是路面的主要病害之一，是路面高温性能不足的表现。常用的评价路面高温性能的试验包括单轴高温蠕变试验、车辙试验、SHARP-Superpave高温性能体积指标试验等，由于车辙试验方法简单，结果直观且与实际路面的车辙相关性很好，因此本文用车辙试验来评价沥青混合料的高温性能。除了进行一般的高温车辙试验，即干法车辙试验，沥青路面在使用过程中还会受到雨水的影响，因此研究沥青混合料在水作用下的高温稳定性显得很有意义，即进行浸水车辙试验。对于浸水车辙试验，目前常用的试验方法有两种：一种是将试件放在60 ℃空气中保温6 h～12 h，再放入60 ℃恒温水槽中进行浸水车辙试验；另一种是先将试件放入60 ℃恒温水槽中饱水6 h后，再进行不浸水车辙试验[9]。考虑到可操作性和时间周期，本[文选择将试件放在60 ℃空气中保温2 h～3 h，再放入60 ℃恒温水槽中进行浸水车辙试验。

试验均在国产SYD-0719型自动车辙试验仪中进行，它主要用于沥青混合料的高温抗车辙能力的测定，浸水车辙试验也同样适用。按最佳油石比4.8%分别成型三种沥青混合料车辙板试件各两块，尺寸为300 mm×300 mm×50 mm，试验温度为60 ℃，碾轮与试模的接触压强为0.7 MPa，碾压速度为42次/min，试验时间为60 min，试验按JTG E20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程的相关规定进行。

从试验后的车辙板可以看出，碾轮作用同样的时间，抑制冻结沥青混合料的车辙最明显，普通沥青混合料次之，加入橡胶颗粒后，抑制冻结沥青混合料的抗车辙能力明显提高，车辙深度明显降低。此外，浸水条件下，抑制冻结沥青混合料的车辙深度减小，而普通沥青混合料车辙深度增大。无论浸水还是非浸水，掺橡胶颗粒的抑制冻结沥青混合料车辙深度都很小。

车辙试验结果如表1所示。

表1 不同沥青混合料车辙试验结果

根据表1的试验数据分析可知，掺融雪剂的抑制冻结沥青混合料相对变形最大，干法车辙为7.20%，浸水条件下减小到6.24%；而普通沥青混合料相对变形变化不大，保持在4.40%左右；掺融雪剂和橡胶颗粒的沥青混合料相对变形也有所降低，在浸水条件下由干法车辙的5.04%降到4.43%，说明掺入橡胶颗粒后，抑制冻结沥青混合料的高温抗车辙性能有显著地提高。

三种不同类型沥青混合料的动稳定度比较如图1所示。

分析图1可知，融雪剂的掺入降低了沥青混合料的高温性能，不及普通沥青混合料。干法车辙试验中，抑制冻结沥青混合料的动稳定度为2 917次/mm，浸水车辙试验中，抑制冻结沥青混合料动稳定度为5 833次/mm，均满足现行规范JTG F40-2004公路沥青路面施工技术规范对于沥青混合料动稳定度不小于2 800次/mm的要求。在抑制冻结沥青混合料中掺入橡胶颗粒后，动稳定度较不加橡胶有显著提升，特别在水作用下的动稳定度达到了5 833次/mm，表现出优良的抗车辙性能。这是因为橡胶颗粒具有良好的弹性，但强度较低，在试件成型时受碾压、冲击等外力作用，橡胶颗粒变形且体积变小，从而使混合料的空隙率下降，抵抗外力能力增强，抗车辙能力得到明显的改善。特别在浸水条件下，由于动水压力的存在，在碾轮荷载作用下，混合料的空隙率进一步下降，抵抗外力的能力也进一步的增强。

以上选用相对变形和动稳定度两个指标来评价三种沥青混合料的高温性能，分析数据可知有存在矛盾的地方，即用这两个指标来衡量沥青混合料的高温性能并不能完全统一。如浸水车辙中，抑制冻结沥青混合料的相对变形为6.24%，大于普通沥青混合料的4.42%，说明浸水条件下抑制冻结沥青混合料抗车辙性能不及普通沥青混合料；而此时抑制冻结沥青混合料的动稳定度为5 833次/mm，大于普通沥青混合料的4 564次/mm，说明抑制冻结沥青混合料的高温性能优于普通沥青混合料，与相对变形的评价结果存在矛盾。为此，进行不同沥青混合料动稳定度与相对变形的相关性分析，如图2所示。

由图2可知，相对变形和动稳定度的相关系数为0.498 7，相关性不是很理想。这是因为相对变形反映的是沥青混合料在加载过程中的总变形，而动稳定度是一个间接指标，当动稳定度结果很大时并不一定能说明其车辙试验的总变形就小, 这一点可以从动稳定度的定义上找到解释[10]。

为了更准确的评价沥青混合料的高温稳定性，在动稳定度的基础上，引入其他辅助评价指标。作出车辙深度与加载时间(干法车辙)的关系图，如图3所示。

分析图3可知，三种沥青混合料的车辙曲线属于典型的车辙试验曲线，车辙变形经过两个阶段，第一阶段主要是压密阶段，主要集中于0 min～8 min，变形量占总变形的50%，此后一个阶段变形逐渐减缓，车辙深度近似呈线性增加。在线性区域内，车辙深度可表示为荷载作用次数的函数[11]：

RD=k0n+b0

(1)

其中，RD为车辙深度；n为荷载作用次数；k0为线性阶段的斜率，即动稳定度的倒数；b0为试验曲线直线段反向延伸与纵坐标轴的截距，即初始车辙深度。

在原有动稳定度指标的基础上，增加了截距b0，用它来评价沥青混合料的高温性能，既反映了车辙深度的发展趋势，又考虑了初始变形的影响，全面反映了沥青混合料的抗车辙性能。计算得到各种沥青混合料车辙深度与荷载作用次数的函数关系如表2所示。

表2 不同沥青混合料车辙深度与加载次数函数关系

对于高速公路和一级公路，b0应限制在3 mm以内，对于其他等级的公路，b0应限制在5 mm以内[11]。分析表2的函数关系，b0均控制在3 mm以内，都满足要求。特别的，浸水车辙试验中，掺融雪剂的抑制冻结沥青混合料的初始车辙深度b0=2.690 mm，大于普通沥青混合料的1.659 mm，与动稳定度的评价结果相一致。

3 结语

本文通过三种不同沥青混合料的车辙试验，得到了主要结论如下：

1)在适宜的级配条件下，蓄盐类抑制冻结沥青混合料较普通沥青混合料高温性能降低，但仍满足规范的技术要求；浸水条件下，蓄盐类抑制冻结沥青混合料的抗车辙能力有所增强；2)蓄盐类抑制冻结沥青混合料中加入橡胶颗粒，可显著地提升沥青混合料的高温性能。无论干法车辙或是浸水车辙，掺橡胶颗粒的蓄盐类抑制冻结沥青混合料都拥有良好的高温性能，优于其他两种沥青混合料；3)用相对变形和动稳定度两个指标来衡量蓄盐类抑制冻结沥青混合料的高温性能并不能完全统一，存在矛盾。引入辅助评价指标b0，很好的反映了沥青混合料的高温抗车辙性能，并与动稳定度的评价结果相一致。

[1] Present Status and Evaluation of Anti-Icing Pavements in Japan(日本における凍結抑制舗装の現状と評価方法)[C].XIth PIARC International Winter Road Congress 2002，2002.

[2] 李福普，王志军.长效型主动融雪沥青混合料路用性能试验[J].公路交通科技，2012(8)：130-132.

[3] 查旭东，任 旭.氯盐融雪剂对SBS改性沥青混合料路用性能的影响分析[J].交通科技与工程，2012(9)：7-10.

[4] 于淑秋.近50年我国日平均气温的气候变化[J].应用气象学报，2005(17)：62-64.

[5] 黄 碰，吕伟民.橡胶粉改性沥青混合料性能与工艺技术研究[J].中国公路学报，2001(20)：75-76.

[6] 凍結抑制舗装技術研究会.凍結抑制舗装ポケットブック[R].2003.

[7] 张丽娟，王 峰.化学类抑制冻结沥青混合料配合比设计研究[J].公路，2010(4)：127-128.

[8] 周纯秀.冰雪地区橡胶颗粒沥青混合料应用技术的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学博士学位论文，2006.

[9] 黄卫东，王 伟.橡胶沥青混合料高温稳定性影响因素试验[J].同济大学学报(自然科学版)，2010(3)：5-7.

[10] 岳学军，黄晓明.沥青混合料高温稳定性评价指标的试验研究[J].公路交通科技，2006(19)：49-51.

[11] 闫其来.沥青混合料抗车辙试验研究[D].南京：东南大学硕士学位论文，2005.

Research on high temperature stability of including salt anti-freezing asphalt mixture

ZHONG Ke

(ResearchInstituteofHighwayMinistryTransport,Beijing100088,China)

In order to evaluate the high temperature performance of including salt anti-freezing asphalt mixture, ordinary asphalt mixture， anti-freezing asphalt mixture and anti-freezing asphalt mixture with rubber particles were chosen to carry out high temperature rutting test and immersion rutting test. The results show that whether there is the role of water or not, anti-freezing asphalt mixture with rubber particles shows more excellent high temperature performance, compared with other two asphalt mixture.

anti-freezing， asphalt mixture， rubber particles， high temperature performance

1009-6825(2014)35-0131-03

2014-10-08

钟 科(1982- )，男，博士，副研究员

TU535

A