路面抗冰剂对沥青混合料路用性能的影响分析

王文峰，郭良倩，吴冬生，章荣福，韩　超，朱浩然

（1.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017；2.河海大学，江苏 南京 210098；3.镇江市五凤口高架工程现场指挥部，江苏 镇江 212000）



路面抗冰剂对沥青混合料路用性能的影响分析

王文峰1，郭良倩2，吴冬生1，章荣福3，韩超1，朱浩然1

（1.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017；2.河海大学，江苏 南京 210098；3.镇江市五凤口高架工程现场指挥部，江苏 镇江 212000）

摘要：抗冰型添加剂掺入沥青混合料后可以明显降低材料冰点，减少铺装表面结冰机率。文章选用2种典型抗冰添加剂，研究了不同应用方式、不同掺量对密级配沥青混合料的体积参数、路用性能的影响。结果表明，抗冰剂的加入对密级配沥青混合料的骨架结构和体积参数产生的影响不容忽视，抗冰冻混合料的高温性能变化不大，但水稳定性能和低温性能有所下降，且随着掺量增加，路用性能进一步衰减，同时不同添加剂的缓释效果相差较大。

关键词：道路工程；抗冰冻添加剂；密级配混合料；路用性能

路面的抗滑性能是保证车辆安全行驶的关键因素，但在冬季，路面积雪结冰现象较为常见，尤其是初冬和残冬季节，气温冷暖交替，路表非常容易有薄冰产生，导致车辆轮胎的附着系数大大降低，严重危害道路的通行能力和行车安全。传统的抗冰冻技术主要包括机械和人工除冰雪、撒布融雪剂等被动型的除冰雪技术和热力融冰雪技术，此类技术人力和物力消耗较大，成本较高。常用的融雪剂（氯化钠、氯化钙等）对车辆及道路设施有严重的腐蚀性，而且严重破坏周围植被环境，降低路面使用寿命。20世纪60年代起，国外学者逐渐开始研究一种主动型抗冰冻技术，即缓释型抗冰冻铺装技术。瑞士在进行了大量的对比试验后首先研制出一种缓释型抗冰剂——Verglimit，并将这种添加剂应用到路面结构中。20世纪70年代日本开始引入该种路面形式，并于20世纪90年代初期成功地进行了创新性研究［1］，目前日本广泛应用的添加剂产品为Mafilon。我国对主动型抗冰冻技术的研究起步较晚，从2008年开始，长安大学、东南大学等相关院校陆续开展缓释型抗冰冻技术研究［2-4］，并铺筑添加抗冰剂的沥青路面的试验路段。但是国内学者对2种常用添加剂的添加方式及混合料配合比设计的研究不足，缺乏对添加缓释型抗冰剂密级配混合料体积参数和路用性能的研究。鉴于此，本文针对2种缓释型抗冰冻混合料制备方式及配合比设计方法进行试验分析，讨论Mafilon及Verglimit材料的添加对密级配混合料空隙率的影响，并对2种混合料的路用性能进行对比，由此评价2种添加剂对密级配混合料的影响。

1　原材料及试验方法

1.1缓释型抗冰剂的性能及作用机理

（1）Mafilon材料

Mafilon（简称MFL）材料为日本生产的抗路面冻结材料，其主要成分为NaCl，含量为55%，材料颜色为浅红色，呈粉末状，其技术性质如表1所示。

表1　MFL的技术性质

（2）Verglimit材料

Verglimit（简称VGT）为瑞士生产的抗冰冻材料，VGT材料具有较好的温度稳定性，可直接以外掺的方式加入到路面混合料中进行拌和，其技术性质如表2所示。

表2　Verglimit的物理性质

（3）作用机理

缓释型抗冰剂的主要成分为易溶盐化物，由于沥青路面结构中集料与集料之间存在一定的空隙。当外界环境降雨时，水分逐渐进入混合料内部，使得氯化钠易溶盐成分溶解。当大气的环境温度、湿度与路表层和路面层深度发生差异时，路面受到压缩、振动、磨损等各项因素影响，易溶盐溶液从沥青混合料内部浓度较高的狭小空间逐渐向盐分浓度较低的路面表面扩散，从而降低道路表面水的冰点，延迟道路表面积雪结冰，使得与路表直接粘结的一部分冰雪融化，冰层与路表的黏结力大大降低，在车辆轮胎的带动下，路表冰层直接脱离路面，达到了融冰雪效果。同时，轮胎的反复碾压和流动的降雨或降雪加速了易溶盐的浓度扩散，从而加速了有效冻结抑制成分的散失。

1.2沥青、集料及填料性能

试验所用沥青采用自制的SBS改性沥青，集料采用新疆出产的玄武岩石料，各材料的技术性质如表3、表4所示。

表3　SBS改性沥青技术性质

表4　矿料的技术性质

1.3试验方法

研究采用AC-16混合料作为面层铺装材料，根据2种添加剂的使用要求，首先采用马歇尔法对普通沥青混合料的基础配合比进行设计，确定最佳沥青用量。

分别根据2种抗冰添加剂材料的添加要求，制备缓释型抗冰冻混合料MMAM（MFL Modified Asphalt Mixtures）和VMAM（VGT Modified Asphalt Mixtures）。制备MMAM时采用体积置换法，用MFL替代部分或全部矿粉，并在此基础上增加MFL的用量进行马歇尔试验，分析不同的掺量对密级配混合料体积参数的影响。VMAM混合料的制备采用外掺的添加方式，根据用量要求，直接加入基础混合料中，并对烘料温度进行调整，以提高混合料的混合均匀性。 然后按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）的要求进行试验，对比分析3种沥青混合料的高温性能、低温抗裂性能和水稳定性能等路用性能的差异，评价2种缓释型抗冻结材料的适用性。

2　抗冰冻混合料设计方法分析

2.1MMAM的配合比设计

MFL是一种多孔结构的材料，主要成分为氯化钠。当氯化钠析出后，多孔材料的体积不变，从而避免有效成分析出造成的孔洞产生危害，并且MFL粒径与矿粉类似，因此可以替代全部或部分矿粉添加到混合料中。

由于MFL材料的密度比矿粉小，等质量替代矿粉会增加0.075 mm筛孔的通过率，从而增加拌和及摊铺难度，因此试验在基础配合比的基础上，采用体积等效置换法取代全部矿粉。东南大学周健、赵永利［2］关于MFL混合料的研究中，MFL材料掺量为3.4%，本文在3.4%的基础上将MFL掺量提高到5%，制备的抗冰冻密级配混合料MMAM级配设计如表5所示，MMAM最佳沥青用量为4.6%。从级配组成可以看出，采用MFL替代一定的矿粉后，通过率变化不大，级配组成与普通混合料的级配相似。

表5　密级配混合料的级配组成

2.2VMAM的配合比设计

VGT材料的粒径在0.1~5 mm，质地较软且具有缓释性、吸湿性。根据厂商提供的添加方式，可直接外掺加入到普通密级配混合料中制备缓释型抗冰冻混合料，VMAM的配合比设计在普通沥青混合料基础上进行。

依据Verglimit供应商的工程经验，文中VGT材料掺量采用5.5%，VGT材料具有一定的吸油性且易粉碎，因此在制备VMAM的过程中，将沥青及矿料的烘料温度提高5~10 ℃，并对VGT的拌和时间和温度进行调整［5-6］。具体级配设计如表5中AC-16所示，采用马歇尔法确定VMAM的最佳沥青用量为4.6%。

3　试验结果及分析

3.1马歇尔试验

试件成型前，先将拌和均匀的沥青混合料置于135 ℃烘箱中2 h，以模拟短期老化过程，试件采用马歇尔击实仪双面各击实75次成型。采用表干法测试计算沥青混合料的空隙率，试验结果如表6所示。

由表6可知，掺加缓释型抗冰剂材料后密级配沥青混合料的体积参数有所变化。以MFL替代AC-16的全部矿粉后，混合料的空隙率略减小，稳定度增加，但随着MFL材料掺量的增加，沥青混合料的空隙率变化不大。外掺VGT材料后，密级配混合料的空隙率明显增加，稳定度变化不大，但流值增加。

表6　不同沥青混合料的体积参数值

分析可知添加MFL材料后，经压实的沥青混合料的空隙率变化不大，MFL材料对密级配混合料的结构骨架几乎没有影响。而VGT材料粒径较大且用量较多，会增加密级配混合料的压实难度，明显增大沥青混合料的空隙率，干涉既有结构的骨架特性，因此，在VMAM设计时须严格控制原混合料的空隙率。

3.2水稳定性能

3.2.1常规水稳定性能试验

本文依照《公路沥青及沥青混合料试验规程》的要求，采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来检验缓释型抗冰冻沥青混合料的水稳定性能，以残留稳定度和劈裂强度比作为评价指标。分别制备掺加MFL材料和VGT材料的密级配混合料的马歇尔试件，进行水稳定性能验证，试验结果如图1所示。

图1　浸水马歇尔、冻融劈裂试验结果

从图1可以看出，添加MFL及VGT材料后，密级配混合料的水稳定性能有所降低。以3.4%的MFL全部替代矿粉后，其残留稳定度下降11%，且随着MFL掺量增加，残留稳定度下降越大，而冻融劈裂强度下降不明显。掺入5.5%的VGT材料后，密级配混合料的残留稳定度和劈裂强度下降显著，大大损害了混合料的抗水损害能力。为保证MMAM具备一定的抗冻性和水稳定性，MFL掺量尽量控制在3%~5%，VGT掺量不宜超过5.5%。

有研究指出，空隙率与水稳定性指标之间存在显著的线性相关性，相关系数高达0.98以上［7］。如前所述，添加VGT材料后，混合料的空隙率明显增加，水分更容易渗透到混合料内部，损害沥青与集料的黏附性，从而影响沥青混合料的水稳定性能。并且MFL和VGT材料具有缓释性和吸湿性，在浸水环境下，其有效成分会逐渐析出形成溶液，混合料空隙率逐渐增大，内部水分大大破坏沥青与集料的黏附性，尤其在冻融环境下，颗粒较大的VGT材料与沥青混合料收缩系数相差大，冻融循环下混合料内部形成大量微裂缝［8］，较多的内部水分的体积变化造成混合料体积膨胀变化，从而使集料容易松散脱落，抗水损害能力下降。

3.2.2非常规水稳定性能试验

为了进一步验证MMAM和VMAM的水稳定性，分析缓释型抗冰剂材料的析出能力对密级配混合料的影响。试验对2种混合料分别进行了非常规的水稳定性能试验，将制备的马歇尔试件放置在60 ℃水浴中，浸泡24 h，检测并计算试件的残留稳定度。试验结果如图2所示。

从图2可以看出，掺加缓释型抗冰剂材料的沥青混合料在不同的浸水时间下，残留稳定度明显下降且相差较大。随着浸水时间的增加，MMAN（3.4%）混合料的稳定度减小，并且MFL掺量越大，残稳定度下降越快；相比较而言，VMAM试件在较短时间内浸水稳定度变化不大。由此分析，MFL及VGT材料的有效成分会随着外界湿度增大而析出，且与VGT材料相比，MFL早期析出较快，释放程度不能有效控制，缓释效果较差［9］。为了不影响完全析出后的水稳定性能，MFL材料的用量需控制在一定的范围内。

图2　不同的浸水时间的残留稳定度

3.3高温性能

动稳定度越高表示混合料的抗车辙能力越强，高温稳定性能越好。根据现行规程，在60±1℃的温度及0.7±0.05 MPa的荷载条件下对3种抗冰冻混合料成型车辙板试件进行车辙试验，试验结果如表7所示。

由表7可知，添加缓释型抗冰剂材料后的密级配混合料的动稳定度与原普通沥青混合料的动稳定度相比变化不大。当MFL掺量不大时（3.4%），MFL的加入减少了空隙率，有利于减少初期压密车辙的发生，从而动稳定度有所上升；当MFL增加到一定量时（5.0%），空隙率进一步减小，又会造成流动车辙的过早发生，因而MFL的掺量应控制在合理范围之内，否则会造成高温性能的损失。但总的来看，在合理掺量范围之内，2种抗冻剂对高温性能的影响均不明显。

表7　车辙试验结果

3.4低温性能

缓释型抗冰添加剂主要成分为氯盐类物质，由于盐类物质自身具有较强的吸水性，添加此类抗冰剂的沥青混合料具有较强的遇水析出特性。因此在进行低温弯曲试验时，水浴保温会影响其低温性能的评价，本文考虑采用空气浴对小梁试件进行降温至-10 ℃，研究抗冰冻混合料的低温性能，试验结果如图3所示。

图3　低温抗裂性能试验结果

魏建国研究指出［10］，氯盐类除雪剂显著降低SBS改性沥青的低温延度。在湿冷条件下，MFL及VGT材料的主要有效成分NaCl和CaCl2等氯盐物质析出并形成溶液，改变材料的连续状态，显著降低了沥青胶结料的低温性能，其中MFL材料析出较快，低温性能降低较大。同时抗冰剂与沥青混合料具有不同的感温收缩系数，当温度降低时，由于两者的变形不同容易在接触面上脱离剥落，形成微裂缝，从而降低沥青混合料的低温抗裂性能。

掺加缓释型抗冰剂材料后，沥青混合料的低温抗裂性能有所降低，其中MFL材料由于吸水性强，析出较快，对沥青混合料的低温抗裂性能影响显著，且随着掺量的增加低温性能越差，因此应合理控制MFL的掺量。VGT材料由于变形系数不同，产生少量的微裂缝而使低温性能有一定的衰减。

3.5抗冰冻性能

采用轮碾法分别制备MMAM（3.4%）和VMAM（5.5%）的车辙板试件各2块，室温下养护冷却24 h后进行试验。将试件同时放在保温箱内16 h，温度控制为-5 ℃，试件加水结冰后的效果图如图4所示。

图4　抗冰冻效果图

结果表明，VMAM（5.5%）抗冰效果良好，MMAM （3.4%）抗冰效果稍差，部分结冰。

4　结论

（1）掺量较小时，MFL材料对密级配沥青混合料的空隙率影响不大，但随着MFL掺量的增加，密级配混合料的初始空隙率降低；而VGT材料会增大密级配混合料的空隙率，干涉既有结构的骨架特性。

（2）添加MFL及VGT材料后，密级配混合料的水稳定性能有所降低。随着MFL掺量增加，残留稳定度下降速度增加；掺入5.5%的VGT材料后，密级配混合料的残留稳定度和劈裂强度均有所下降。

（3）由不同浸水时间的马歇尔稳定度对比可知，MFL材料及VGT材料的有效成分会随着外界湿度增大而析出，且与VGT材料相比，MFL早期析出较快，缓释效果较差。

（4）缓释型抗冰剂MFL、VGT材料在掺量较小时，对密级配混合料的高温性能影响不大，但随着MFL材料掺量的增加，高温稳定性能下降。

（5）掺加缓释型抗冰剂MFL、VGT材料后，沥青混合料的低温抗裂性能大大降低，且随着MFL掺量的增加，其低温性能越差。

（6）建议MFL抗冻剂的合理掺量为3.4%，可以采用内掺法添加，部分替代矿粉；粒径相对较大的VGT抗冻剂采用外掺法，并控制用量不大于5.5%。

参考文献

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Effect Analysis of Anti-freezing Additive on Asphalt Pavement Performance

Wang Wenfeng1， Guo Liangqian2， Wu Dongsheng1， Zhang Rongfu3， Han Chao1， Zhu Haoran1
（1. JSTI Group， Nanjing 210017， China； 2. Hohai University， Nanjing 210098， China；3. Zhenjiang Wufengkou Elevated Engineering Field Headquarters， Zhenjiang 212000， China）

Abstract:The anti-freezing additives，being incorporating into asphalt mixture， can significantly reduce asphalt materials freezing point and pavement freezing probability. In this paper， two typical anti-freezing additives are selected and the influences additives application methods and contents on the volume parameter and road performance of dense-graded asphalt mixture are analyzed . The results show that the impacts of additives on skeletal structure and volume parameters can not ot be ignored， the high temperature performance of mixture with anti-freeing additive change a little， but the water stability and low temperature performance declined； and further declined with mixing amount increased. At the same time， release effects of different additives are quite different.

Key words:road engineering； anti-freezing additive； dense-graded mixture； pavement performance

中图分类号：U419.92

文献标识码：A

文章编号：1672–9889（2016）03–0009–05

收稿日期：（2015-08-17）

作者简介：王文峰（1981-），男，黑龙江佳木斯人，工程师，主要从事新型道路材料研究工作。