路用复合型盐化物的制备与性能

2018-10-08魏兴发

筑路机械与施工机械化 2018年9期

魏兴发

（甘肃省白银公路管理局，甘肃白银 730900）

0 引言

积雪结冰不仅会造成道路交通封闭，还会降低交通运输的安全性。融雪剂是目前除雪化冰用量较大、应用较广的除雪融冰材料［1-3］。

查旭东通过分析以氯化钠及氯化钙为主成分的融雪剂对沥青路面性能的影响，认为应进一步加强环保型融雪剂的开发力度［4］。张营等分析了融雪剂中的KCOOH和NaCl成分对土壤中重金属元素迁移行为的影响，指出两者会明显提高土壤中重金属元素的释放量［5］。针对地表水中溶解氧含量以及土壤中重金属形态，赵菲等分析了以硫酸钙镁为主成分的融雪剂对地表水的影响［6］。赵光楠等通过对融雪剂的分类及优缺点的总结，推荐采用环保型的融雪剂，以减轻其对道路材料的侵蚀［7-10］。李长雨等从融雪剂的溶液浓度等方面出发，分析了其对沥青路面路用性能的影响，并指出以氯化钠为添加剂的融雪剂对沥青混合料的影响比氯化钙大。李光明分析了融雪剂用于沥青混合料的作用机理，以及融雪剂作用于道路的破坏作用［11］；郭平分析了融雪剂对沥青低温延度、抗弯拉强度以及当量脆点等的影响，指出融雪剂对沥青材料的抗弯拉强度与其当量脆点具有很强的正相关性［12］。冯超测试了 NaCl、CaCl2与CH3COOH对沥青三大指标与沥青混合料劈裂强度、动稳定度、最大弯拉应变的影响，指出CH3COOH对沥青混合料各项性能的影响最小［13］。易卉制备了碳酰胺复合低氯高效融雪剂，并研究了该类融雪剂的除冰融雪性能与对沥青路面的腐蚀破坏能力［14］。严霞等针对融雪剂对植物、土壤等的影响开展了相关研究［15］。龙颖辉研究了融雪剂的类型、浓度对沥青路面的水稳定性的影响，并推荐使用以醋酸盐为主要添加剂的融雪剂［16］。杨全兵以8种融雪剂为分析对象，研究了其对混凝土各项性能指标的影响，结果显示融雪剂和除冰盐对混凝土的化学侵蚀较小［17］。由此可知，融雪剂在消除冰雪的同时，对交通基础与环境亦造成不小的危害，且做不到及时除雪［18］。因此，寻找一种高效、污染小、腐蚀性小又真正环保的融雪剂来改进或替代当前所用的化冰盐十分必要。

根据不同融雪剂的融雪机理与优缺点，本研究按不同比例将融雪剂混合，借助正交设计试验方法，以融冰量为标准，选取融冰效果最好、环保性最佳的复合型盐化物。以复合型盐化物的基本性能为对象，通过物理化学性质的测定，分析其对沥青的影响。

1 制备复合型盐化物的准备工作

1.1 盐化物的选取

本研究选取氯化钙（CaCl2·2H2O）、氯化镁（MgCl2）、硝酸钾（KNO3）、氧化铝（Al2O3）、乙酸钾（CH3COOK）、乙酸钙（Ca（CH3COO）2）与氯化钠（NaCl）等7种常用的融雪剂制备复合型盐化物。各项原材料的技术指标如表1所示。

表1 试验用原材料技术指标

1.2 试验方案

基于不同融雪盐混合使用的原理，借助重心设计方法，对本研究选取的7种融雪盐进行复配试验，并结合试验结果与原材料的物理特性，选择满足不同需要的复合型盐化物配方。由相似相容原理选择与沥青材料相容性较好的复合盐化物，进一步进行复配组合，确定一种融雪效果好、腐蚀性低的环保复合型盐化物。

1.3 测试与表征

（1）物理性质。借助0.075、0.15、0.3、0.6mm筛子对复合型盐化物进行筛分，计算不同粒径范围内的各种盐化物比例；将复合型盐化物配制成含量5%的溶液，用pH试纸测定复合型盐化物的pH值。

（2）化学性质。分别在4个一次性纸杯中种植油菜花，在室温下培养3d，然后在纸杯中分别浇入氯化钠（NaCl）、乙酸钾（Ca（CH3COO）2）、5%复合型盐化物溶液100g以及100g自来水，并进行标记。每天以5g的量在对应的一次性纸杯中浇2次水，5d后观察各个纸杯中植物的变化情况。

（3）沥青三大指标。为测定复合盐化物与SBS改性沥青的三大指标，参考《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中的针入度试验（T 0604—2011）、延度试验（T 0605—2011）与软化点试验（环球法）（T 0606—2011）方法。

（4）融冰性能试验。首先将盛放200g水的不锈钢器皿置于-5℃的冰箱中12h，之后各取10g NaCl、KCOOH和复合型盐化物撒布在冰面上，静置在条件相同的冰箱中，在10、20、30、40、50、60、70 min后分别测试融冰量。

2 复合型盐化物的制备

将一定质量的原材料放置于100℃真空烘箱12h，按照不同的比例取10g混合物并研磨均匀。

由于氯化钙与氯化镁的融雪化冰性能较好，而乙酸钾与乙酸钙的的环保性较好，因此采用三水平四因素正交表进行试验设计，且水平数分别选择25、50和75，如表2所示。不同试验编号的融冰量见表3。

表2 正交试验设计

表3 融冰试验结果

借助正交设计单指标直观分析法，结合表2与表3的试验结果得到正交分析数据，如表4所示。

表4 正交分析数据（融冰量） g

基于表4的正交分析数据，得到CaCl2·2H2O、CH3COOK 、Ca（CH3COO）2、MgCl2的比例为1∶3∶2∶3，对此组合的复合型盐化物进行融冰试验，得到其融冰量为32.9g，相比于表2中其他融冰试验结果，最优方案下复合型盐化物的融冰量最大。

3 复合型盐化物的基本性能

3.1 物理性质

筛分结果见表5。

表5 复合型盐化物筛分结果 %

3.2 化学性质

浇入不同溶液的植物在试验前后的生长情况如图1所示。

图1 试验前后植物的生长情况

由图2可知，4个试验样品在相同温度下5d后，浇氯化钠溶液的植物最先开始萎蔫，其次是浇醋酸钾溶液的植物，浇复合型盐化物溶液的植物变化不大。因此复合型盐化物对植物的影响均低于氯化钠和醋酸钾对植物的影响。醋酸钾是环保型融雪剂，理论上对植物的影响应该也不大，但在本试验中醋酸钾对植物的影响却比复合型盐化物的影响大，而且在烘干过程中醋酸钾挥发出一种刺鼻的味道，由于时间和条件有限，对此没有进行进一步的研究。同时，浇注试验溶液的植物叶子表面均出现白色斑点，说明植物在一定盐含量下达到饱和，多余的盐通过叶子排出体外。通过该试验证明了复合型盐化物对植物的影响比氯化钠小，有可能比醋酸钾小，说明复合型盐化物具有较好的环保性。

3.3 复合型盐化物沥青的三大指标

掺与未掺复合型盐化物的沥青的三大指标试验结果见表6。

表6 沥青三大性能指标试验结果

从表6可以看出，复合型盐化物沥青的延度及针入度相比SBS改性沥青均有所降低。可能由于前者未经过表面改性，盐化物与沥青相容性较差并且在沥青中分布不均，故而在低温环境下形成应力集中。软化点方面，复合型盐化物沥青略高于SBS改性沥青，说明前者的高温性能在一定程度上得到了改善。尽管复合型盐化物沥青与SBS改性沥青相比三大指标较差，但总体上满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）的相关要求。

3.4 复合型盐化物沥青的融冰性能

由图2可知，在相同的融冰时间下，醋酸钾的融冰量最大，复合型盐化物次之，而氯化钠的融冰量最小。当融冰时间为10min时，醋酸钾的融冰量为21.3g，复合型盐化物的融冰量为17.5g，而氯化钠的融冰量仅为11.2g；当融冰时间为70min时，醋酸钾的融冰量为60.1g，复合型盐化物的融冰量为57.6g，氯化钠的融冰量为51.0g。当融冰时间为70min时，醋酸钾的融冰量虽然较复合型盐化物的多，但相差较小，而氯化钠的融冰量则相差较大。由此可知，复合型盐化物的融冰性能比氯化钠好。