融雪剂对沥青路面水稳定性的影响

2017-03-30龙颖辉

筑路机械与施工机械化 2017年3期

龙颖辉

摘要：为了探究不同路面状态下，融雪剂类型、融雪剂溶液浓度、冻融循环次数对沥青路面水稳定性的影响情况，通过设置静态与动态条件模拟路面良好以及路面出现裂缝2种情况。结果表明：在静态条件下，路面的水稳性能与融雪剂的冰点、冻融循环次数关系较大，冰点越高、循环次数越多，水稳定性下降越明显；在动态条件下，溶液浓度是主要影响因素，融雪剂通过对裂缝中的集料产生作用，进而影响路面水稳定性，建议使用醋酸盐型融雪剂。

关键词：道路工程；沥青路面；融雪剂；水稳定性

中图分类号：U418.4 文献标志码：B

文章编号：1000-033X（2017）03-0047-06

Abstract： In order to study the effect of the types of snow-melting agents， solution concentration of snow-melting agent and freeze-thaw cycles on the water stability of asphalt pavement under different conditions， roads in good condition and with cracks were simulated by setting statistic and dynamic conditions. The results show that under the static condition， the water stability of the pavement is related to the freezing point and freezing-thawing cycles. The higher the freezing point and the number of cycles， the more obvious the decline of water stability. Under dynamic condition， the solution concentration is the main influencing factor. Snow-melting agent affects the water stability of pavement by having an effect on the aggregate under the cracks. Therefore， the use of acetate-type snow-melting agent is recommended.

Key words： road engineering； asphalt pavement； snow-melting agent； water stability

0 引言

目前，國内常采用融雪剂除冰的方法清除冬天道路上的积雪，此法是利用物理、化学反应降低水溶液的冰点，使水溶液在零度以下时为液体状态，最终达到除冰的目的[1]。1996年，美国联邦公路局（FHWA）研究报告显示，融雪剂会降低沥青混凝土路面的抗滑性能 [2-3]。SHI等人通过改进的沸水试验对沥青混凝土中的沥青进行研究，结果表明醋酸盐会加速其乳化，从而使混凝土的力学性能受到不利影响[4-5]。傅广文、冯超[6-7]研究融雪剂对沥青及沥青混合料路用性能的影响，发现混合料的路用性能指标均有所下降。

国内外广泛研究了融雪剂对沥青及其混合料性能的影响情况，但是对沥青路面原始状况考虑较少，由于水损害无地域性、无时限性，因此用融雪剂除冰后对路面的水稳性能应特别关注[8-10]。本文对不同路面状况进行模拟，通过冻融劈裂试验探究沥青路面的水稳定性与融雪剂类型、溶液浓度、冻融循环次数的关系，并推荐合适的融雪剂类型。

1 材料组成设计

1.1 原材料选择

（1）沥青。本文采用埃索90#沥青作为结合料，其各项指标见表1。

（2）集料与矿粉。集料采用内蒙古锡林浩特日鑫矿料，矿粉采用内蒙古立国矿粉，经检验矿料的技术指标均符合规范要求。

（3）融雪剂。

根据融雪剂的应用范围、成本不同，选取氯化钠（NaCl）、氯化钙（CaCl2）、醋酸钠（NaAC）三种融雪剂进行研究，3种融雪剂均为白色，属分析纯级别。

1.2 配合比设计

（1）级配确定。选用AC-13型矿料级配，根据规范和工程经验，确定矿料级配如表2所示。

根据矿料级配组成，从3.5%开始，以0.5%为间隔，采用5个不同的油石比制作马歇尔试件，测定并计算相关指标，得到各设计指标曲线如图1所示。

由图1可知：各指标均符合要求的沥青用量范围为4.5%～4.9%。可算得最佳油石比为4.72%。考虑到融雪剂常在北方寒冷地区使用，为提高路面的低温抗裂性能，应采用较高的油石比，故确定最佳油石比为4.9%。

2 试验准备

2.1 试验选择

本文采用冻融劈裂试验评价沥青混合料的水稳定性，试验温度控制在25 ℃，并以50 mm·min-1的加载速率向试件加载，劈裂直至破坏。

2.2 试验方案

为模拟“静态”、“动态”条件时融雪剂类型、溶液浓度、冻融次数对沥青路面水稳定性的影响，选择NaCl、CaCl2、NaAC三种融雪剂，分别在溶液浓度为0%、5%、10%时进行冻融循环静态1次、5次、10次及动态1次试验，并对最终结果进行对比分析。

（1）对照组（清水，即溶液浓度为零）。将洁净的集料按照选用的级配配料，成型标准马歇尔试件；按规范对试件进行真空饱水15 min，恢复常压后在水中静置0.5 h；将试件放入塑料袋中，并在（-18±2）℃的恒温冰柜中放置16 h后，除去试件外的塑料袋，并将其置于（60±0.5）℃恒温水箱中保温24 h；最后，将试件放入（25±0.5）℃恒温水箱中保温2 h，测量其劈裂强度。

（2）“静态”模拟路面状况良好的情况。先成型标准马歇尔试件，然后将对照组（清水）中用到的水换成各种融雪剂在5%、10%时形成的溶液，按照规范实施相同步骤，经1次、5次、10次循环后进行冻融劈裂试验，此类试件称为A。

（3）“动态”模拟不利情况，即路面出现裂缝，沥青与集料分离，融雪剂分子浸入到沥青以及集料表面。先将已浸泡在0%、5%、10%浓度的溶液中1 h的集料取出，室温晾干后成型马歇尔试件，称为B。其中取出部分5%浓度浸泡下的集料冲洗干净，然后制备马歇尔试件，并按照规范实施1次冻融循环后进行试验，此类试件称为C。

3 不同条件下沥青混合料的水稳定性研究

3.1 “静态”下沥青混合料的水稳定性

3.1.1 冻融劈裂试验结果

未经冻融循环前，在清水状态下对4个标准马歇尔试件按规范进行冻融劈裂试验，得到RT1=1.21 MPa。其他情况下的试验结果见表3。

由表3中数据容易看出以下几点。

（1）相同条件、不同浓度时，试件的劈裂强度相差不大，甚至在浓度为5%或10%时的劈裂强度要大于清水时的强度值。循环1次时，在浓度为10%的CaCl2溶液影响下的试件劈裂强度比浓度为0的试件劈裂强度高4.6%。这主要与融雪剂冰点相关，NaCl、CaCl2、NaAC融雪剂的冰点分别为-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃，因此经冰冻处理后，CaCl2、NaAC溶液仍以液态存在，并且在前期2种溶液中的试件不会受到液体结冰产生的膨胀应力作用，故在冻融循环次数较少时，这2种溶液中试件的水稳性能均有一定提高。

（2）随着循环次数的增加，不同溶液、不同浓度下试件劈裂强度差异显著。如循环10次时，在浓度为10%的NaCl、CaCl2溶液影响下的试件劈裂强度比清水时试件劈裂强度低，而NaAC溶液影响下的试件却高出15%以上。为进一步研究这种现象产生的原因，下面对试件A的空隙率进行测定。

3.1.2 空隙率测定

采用具有代表性的溶液浓度为5%时形成的试件A，对不同情况下的沥青混合料空隙率进行对比，如表4所示。

由表4可知以下几点。

（1）各试件空隙率随着循环次数的增加均呈现增大的趋势，但增加的幅度不同。在水、NaCl、CaCl2溶液影响下的试件，5次循环后空隙率分别提高了12.1%、15.9%、9.2%，10次循环后空隙率分别提高了19.7%、28.6%、17%，而在NaAC溶液影响下试件的空隙率基本没有变化。

分析原因可能包括2方面：一方面由于试件内部存在微小孔隙或者比较薄弱、容易贯通的部分，在低温状态下孔隙内的水会结冰发生体积膨胀，从而产生膨胀应力，贯穿试件内部比较薄弱的部分，加大试件的空隙率；另一方面因沥青混合料各成分之间温缩特性差异较大，在温度发生变化时，会发生不同的体积缩胀，进而在材料内部产生应力，导致试件发生不均匀变形，加大空隙率[11-15]。

（2）对比不同类型融雪剂影响后的试件空隙率可知，各溶液对空隙率的影响程度由大到小依次为：NaCl、CaCl2、NaAC。

这主要是因为：在（-18±2）℃的恒温冰柜中放置时，各融雪剂因冰点不同产生的膨胀应力也会不同。NaCl的冰点最大且高于试件冷冻处理的温度，因溶液结冰产生膨胀应力使试件空隙率增大，且当试件取出并置于60 ℃恒温箱时，试件内部溶液浓度与恒温箱溶液浓度造成的浓度差会使试件内部产生应力，致使空隙率较大；CaCl2融雪剂的冰点是-20 ℃，在冰柜中为冰水混合形态，产生的膨胀应力较小，所以其空隙率不会有较大变化；NaAC融雪剂的冰点低至-30℃，在冰柜中时仍为液态，不会对试件产生膨胀应力，因而其空隙率也没有较大变化。

3.1.3 “静态”条件下劈裂试验结果探讨

（1）根据NaCl、CaCl2溶液影响下的试件A劈裂强度的变化趋势（图2）可知，随着冻融循环次数的增加，其劈裂强度、劈裂强度比在不断下降。这是因为冻融循环次数的增加导致试件空隙增多，致使其承受荷载能力下降，因此劈裂强度降低。

图2 不同条件下试件A的冻融劈裂试验结果

（2）在NaAC溶液影响下，随冻融循环次数的增加试件劈裂强度也降低，但降低趋势与在水、NaCl、CaCl2溶液的影响下相比较缓，可知主要原因还是与冰点有关；NaAC溶液影响下的试件一直没有受到结冰膨胀应力影响，因此降低趋势并不明显。

3.2 “动态”条件下沥青混合料的水稳定性

对试件B、C进行水稳定性分析，试验结果如表5所示。

3.2.1 氯盐溶液的影响

（1）随溶液浓度的增加，NaCl、CaCl2溶液影響下的试件劈裂强度和劈裂强度比下降明显，如图3所示。

这主要因为：集料表面存在NaCl、CaCl2分子，但其并不与沥青发生反应，反而阻碍沥青与集料的吸附作用，降低了水稳定性；而且试件在NaCl溶液中会受到Na+的乳化作用、Cl-的腐蚀作用以及水的结冰膨胀作用，使沥青与集料的黏附性降低。

（2）NaCl、CaCl2溶液浓度在5%～10%时对试件的影响进一步加大，但幅度有所降低，劈裂强度均降低了13.2%。考虑“静态”时NaCl、CaCl2对混合料性能的影响，可知在外部环境较差时，沥青容易与集料分离，进而融雪剂浸入并损害路面，特别是在出现裂纹的路面上，融雪剂溶液会不断进入到集料表面，从而降低沥青混合料的水稳定性。

（3）虽然集料受NaCl、CaCl2融雪剂腐蚀后性能下降，但冲洗后对混合料的水稳性能影响不大，仅比溶液浓度为零时降低了5.6%、3.7%。这说明在氯盐溶液条件下，沥青与集料间的黏附性是影响沥青混合料水稳性能的主要因素。

3.2.2 NaAC溶液的影响

（1）试件受到不同NaAC溶液浓度的影响后，劈裂强度和劈裂强度比都会下降，但与氯盐情况有所差异。在浓度为0～5%时，其劈裂强度降低了14%，而随着溶液浓度提高到10%，试件的劈裂强度比浓度为5%时增加了0.01 MPa，如图4所示。

试件劈裂强度降低是因为Na+会产生乳化作用，降低沥青与集料的黏附性，且NaAC溶液呈碱性，集料具有活性，故而发生碱集料反应，导致集料性能降低，进而降低混合料的水稳定性。试件的劈裂强度随溶液浓度增加而有所提高，是由于CH3COO- 离子的存在促进了混合料劈裂强度的增长，抵消了Na+乳化作用带来的负面影响，从而提高劈裂强度[16-19]。

（2）试件受到NaAC溶液腐蚀后再洗净，劈裂强度相对于清水状态降低了16.8%。这主要是由于NaAC溶液的腐蚀造成的，洗净后的集料上有残留的NaAC溶液，此时浓度较低，Na+乳化效果明显，使沥青从集料上剥落，进而导致水稳性能降低。

综上所述，NaCl、CaCl2、NaAC融雪剂对A、B、C混合料水稳定性的影响情况表明：随着路面使用时间的延长，在长期动载、水、融雪剂作用下，路面的水稳定性都会下降。

4 结语

（1）本文通过配合比设计，确定了矿料的合成级配，并通过马歇尔试验确定最佳油石比为4.9%。

（2）“静态”时，融雪剂类型和循环次数对混合料水稳定性影响较大，相同条件下，随着循环次数增加，混合料水稳定性能会逐渐降低，而此时使用冰点低的融雪剂可以达到减缓水稳定性下降幅度的效果，甚至在一定程度上提高混合料水稳定性。3种融雪剂中NaAC冰点最低，对路面的水稳定性影响最小，建议将其作为最佳融雪剂。

（3）“动态”时，溶液浓度对水稳定性的影响程度较大。随着3种融雪剂的浓度增加，混合料的水稳定性都会下降，但在浓度为10%时， NaAC溶液与沥青发生化学反应形成沥青胶浆，提高了集料与沥青的黏附作用，从而增强了混合料的水稳性能。

（4）NaAC溶液呈碱性，可与集料发生碱集料反应，即便对集料进行清洗，其性能也不可恢复，成型后的试件劈裂强度低，水稳定性差，因此不宜使用较低浓度的醋酸盐型融雪剂。

（5）通过对路面优劣状态的模拟及相应的试验结果，建议使用对水稳性能影响小、环保且除冰效果佳的醋酸盐型融雪剂，并且浓度应接近或达到饱和浓度。

参考文献：

[1] 喻文兵，李双洋，冯文杰，等.道路融雪除冰技术现状与发展趋势分析[J].冰川冻土，2011，33（4）：933-940.

[2] 傅广文.融雪剂对沥青及沥青混合料性能影响研究[D].长沙：长沙理工大学，2010.

[3] 冯超.融雪剂对沥青混合料性能影响研究[D].西安：长安大学，2012.