氯化物基沥青混合物长期融冰雪性能评价

根据资料，冬季路面的交通事故与冰雪相关的占30%以上[1]。路面上的黑冰不仅对交通的平稳和安全构成了很大的威胁，而且还导致了高维护预算。因此，除冰和防冰技术一直是路面工程的核心问题。氯化物基融冰雪沥青路面是在沥青混合料中添加某些防冰剂（通常为氯盐），使其具有主动融冰雪功能[2]。20世纪60年代主动融冰雪路面在欧洲进行研究，之后在瑞士、日本等国也进行了大面积的研究及使用[3]。这些化学物质对冰雪融化至关重要，主要采用的化学填料是氯化钠、氯化钙和氯化镁[4]。当受到交通荷载作用时，路面内部的这些成分在毛细吸引作用下逐渐溶解，然后沉积在路面上，降低融水的凝固点，抑制冰雪积聚。在20世纪90年代，日本的研究人员开发了一种新型多孔防结冰填料MFL，这种填料在世界范围内得到广泛应用。一些学者通过确定盐溶液的电导率来分析盐含量、温度和空隙率对溶出规律的影响[5]。刘等人重点研究了含有防冻剂的沥青混合料的体积替代方法的性能，并通过实验方法研究了空隙率、高低温性能和水分损伤的敏感性[6]。

因此，本研究旨在评估氯化物基沥青混合料的长期融冰雪性能。在本研究中，制备了添加MFL粉末的沥青混凝土样品，并进行了两个试验方案（自然浸泡试验和加速浸泡试验）。本研究使用比重计测量溶液密度来计算盐化物的溶出率。以溶出百分比和时间之间的对数为基础，提出了预测氯化物基沥青路面长期融冰雪性能模型。

1 材料与试验

1.1 沥青与集料

本试验采用武汉路翔牌SBS改性沥青，其试验结果见表1。

粗骨料选择玄武岩碎石，细骨料为玄武岩机制砂，矿粉为石灰石矿粉。主要技术性能见表2、表3和表4。

表1 沥青技术指标

表2 粗集料试验结果

1.2 盐化物

本研究选择日本生产的MFL，主要由氯化钠、氯化钙、氯化镁等氯盐以及二氧化硅组成，其中氯化钠为最有效的部分，占质量分数55%以上。主要技术性能和MFL粉末的级配如表5和表6所示。

1.3 混合料设计

MFL粉末与矿物填料具有相似的级配，可用于部分或全部替代矿粉。但MFL的密度要小于矿粉。当以相同的重量进行更换时，混合物中填料的体积增加，混合物的流动性降低，从而导致混合物团块不易混合和铺筑。因此，使用体积当量替代方法来修改MFL含量。原始级配与修正的级配如表7所示。

根据修正后的级配进行马歇尔试验，确定最佳沥青用量，试验结果如表8所示。

表3 细集料试验结果

表4 矿粉试验结果

表5 MFL性能指标

表 6 MFL颗粒级配

表7 氯化物基融冰雪沥青混合料原始和修正级配

从表8可以看出，MFL加入混合料后，空隙体积满足要求，各项指标均能满足规范要求。因此，本研究采用修正后的级配和最佳沥青含量来评价含有MFL填料的沥青混合料的长期性能。

表8 掺加MFL的混合物的马歇尔试验结果

2 试验方案

2.1 自然浸泡试验

将马歇尔试件在环境温度（25℃）下浸入500mL蒸馏水中并密封。氯盐逐渐从混合物中析出并溶解在水中，通过比重计测定溶液浓度变化，从而确定盐的释放量，预测混合物的融冰雪性能。在盐溶解率达到90%以上时，停止试验。当溶液体积不足时，加入蒸馏水补足。

计算公式如下：

式中：M—试件的质量为(g)；

r—盐化物添加量与矿料比(%)；

m1—试件中添加盐化物的量(g)；

OAC—油石比(%)；

ρ1—固定温度下水的比重(g/ml)；

ρ2—浸泡溶液比重(g/ml)；

A—试件中盐化物有效成分含量(g)；

T—析出有效成分百分量(%)；

m2—溶剂量 (g)；

c—氯化物基的含量(%)。

2.2 加速浸泡试验

自然浸泡法比较耗时，提出了加速浸泡法。

为了确定最佳温度，在五个不同的温度（40℃，50℃，60℃，70℃和80℃）下浸泡试件，并计算它们的48h溶出百分比。结果如图1所示。

图1 不同温度下析出百分比

从图1中可以看出，随着温度的升高，溶解百分比逐渐增加，在60℃达到峰值。当测试温度超过60℃时，盐溶解百分比降低。因此加速浸泡试验最终采用60℃。通过加速浸泡试验缩短试验时间。

3 结果与讨论

3.1 自然浸泡试验结果

自然浸泡试验的结果如图2所示。

图2 自然浸泡盐化物析出曲线

从图2可以看出，盐溶出过程可以分为三个阶段。第一阶段是从开始到第十个测试日的快速消失期。二是稳定释放期，持续时间从第10d到第110d。最后一个阶段是第110d后缓慢消失的时期，溶出率逐渐降低。

最初盐溶解迅速的原因是，制备样品时，在样品表面有一小部分盐化物，一旦遇到水，它们迅速溶解。此外，样品内部的盐化物同时溶解，导致第一阶段快速溶解。

在第二阶段，盐化物以恒定的速度溶出，这主要是由两种平衡作用造成的。一个是通过毛细管吸引力增加了混合物内盐化物的释放，另一个是样品表面上的盐化物逐渐减慢分离。

第三阶段溶出速率减慢，这主要是由于样品表面和试件内盐分已经基本析出，而位于内部的有效成分已经很少，因此盐溶解的过程也相应减缓。

对图2曲线进行拟合，得到拟合公式：

式中：t1—浸泡时间，d。

y1—盐分溶出百分比，%。

3.2 加速浸泡试验的结果

根据2.2的结果进行加速浸泡试验，温度为60℃。如图3所示。

图 3 加速溶出曲线

根据图3进行拟合：

式中：t2—浸泡时间，d。

y2—盐分溶出百分比，%。

加速溶出试验中盐分溶出率与自然溶出试验中的趋势是一致的。

3.3 预测有效的融冰雪时间

根据测试数据，加速溶出量约为自然溶出试验的8倍。因此，通过将加速浸泡的测试时间乘以8，将结果重新绘制曲线。如图4所示。

图4 自然溶出同加速溶出扩大倍数后曲线拟合图

从图4可以看出，自然溶出与加速溶出结果拟合情况很好。因此可以利用加速浸泡试验来判断盐化物的析出，并进行面积换算，计算实际路面有效作用时间。

对图4曲线进行拟合：

式中：t3—浸泡时间，d。

y3—盐分溶出百分比，%。

因此，可以采用对数公式预测氯化物基沥青混合料融冰雪性能的长期性。

4 结 语

本研究采用60℃溶出试验评价了氯化物基沥青混合料的长期融冰雪性能，结论如下：

1）在环境温度和60℃下的盐溶解进程可以分成三个阶段。与自然浸泡试验相比，加速浸泡试验更加有效和省时。

2）在加速浸泡试验中，加入MFL的沥青混合料的最佳温度在60℃左右。

3）在试验室加速试验的基础上，提出预测氯化物基沥青混合料长期融冰雪性能的模型。

[1]蒋德成.“冰天雪地”话行车[J].辽宁汽车，1998(1):25-28

[2]Mulian Zheng, Shujuan Wu, Chongtao Wang, Yifeng Li, Zonghui Ma and Lei Peng .A Study on Evaluation and Application of Snowmelt Performance of Anti-Icing Asphalt Pavement.Applied sciences.2017

[3]孙玉齐.盐化物自融雪沥青路面性能研究[D].西安：长安大学，2011

[4]小栗学，下道純.最近の凍结抑制舗装XIVっぃて[J].開発土木研究所月報，1999（2）

[5]王锋,韩森,张丽娟.融冰雪沥青混合料盐分溶析试验[J].长安大学学报.2010,30(6):16–19

[6]Z.Z.Liu, M.L.Xing, S.F.Chen, R.He, P.L.Cong,Influence of the chloride-based anti-freeze filler on the properties of asphalt mixtures, Constr.Build.Mater.51 (2014)133–140.