融雪剂融雪效果及对沥青混合料性能影响研究

2021-03-03董庆宇

合成材料老化与应用 2021年1期

董庆宇

（洛界高速公路管理处，河南洛阳471000 ）

道路是城市内部和城市之间相互联系的重要通道，目前我国各级公路和城市道路普遍采用平整度好、行车噪音小、开放交通快的沥青路面结构，沥青路面已在我国道路工程建设中发挥重要作用。但冬季来临时，我国北方和南方大部分地区都会面临降雪和结冰等凝冻天气，这给道路的正常通行带来巨大挑战。我国一般采取机械设备和撒融雪剂等方式进行道路除冰雪[1-3]。其中机械除冰雪需要人力与机械密切配合，且存在容易造成路面刮擦、紧邻路表部分的冰雪清除效果差等问题，因此一般而言只有道路积雪较厚时采用机械除冰雪，其它情况下多采用撒融雪剂方式进行处理[4-6]。故研究融雪剂在沥青路面除冰雪中的应用具有重要意义。

李鹏等研究了氯盐类融雪剂和复合醋酸盐类融雪剂的融雪效果，发现复合醋酸盐类融雪剂的融雪效果可达到氯盐类的90%，但其对路面材料和路面周边植物的影响较小，环保性能较优[7]；魏建国等研究了氯盐融雪剂对沥青性能的影响，发现融雪剂浸泡后基质沥青高温和抗老化性能提高，低温性能降低[8]；王如先研究了融雪剂对沥青混合料低温性能的影响，发现沥青混合料空隙率增加，融雪剂浓度提高和冻融循环次数增加时融雪剂对沥青混合料低温性能的不利影响程度增大，且NaCl 融雪剂造成的沥青混合料低温抗裂性损失较CaCl2融雪剂高[9]；龙颖辉研究了融雪剂对沥青路面水稳性能的影响，发现随着融雪剂浓度的提高和冻融循环次数的增加，沥青路面的水稳定性逐渐变差[10]。

现有研究主要涉及融雪剂的融雪效果和融雪剂对沥青路面性能的影响，但融雪效果和对沥青路面性能的影响程度基本对立，因此有必要将两者结合分析，以优选适宜的沥青路面除冰雪方法。本文首先研究了氯盐和醋酸盐融雪剂的融雪效果，进而分析两种融雪剂对沥青混合料路用性能的影响，可对融雪剂在实践中的应用提供一定参考。

1 试验概况

1.1 原材料

（1）沥青

采用目前我国沥青路面上面层常用的SBS（I-D）改性沥青进行试验研究，其各项指标满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）要求，见表1。

表1 SBS（I-D）改性沥青主要技术指标Table 1 Main technical indexes of SBS (I-D) modified asphalt

（2）融雪剂

选择目前常用的工业盐NaCl 融雪剂和环保型醋酸钾融雪剂进行试验研究，主要技术指标分别见表2 和表3。

表2 NaCl 融雪剂主要技术指标Table 2 Main technical indexes of NaCl snow melting agent

表3 醋酸钾融雪剂主要技术指标Table 3 Main technical indexes of potassium acetate snow melting agent

1.2 试验方法

（1）融冰能力试验

配置25g 一定浓度融雪剂水溶液置于烧杯1，并取100g 水倒入直径10cm 烧杯2，将两个烧杯分别移入t℃冰箱中冷冻2h，取出两个烧杯，迅速将烧杯1 中的融雪剂溶液倒入烧杯2 中的冰块表面，将烧杯2 再次移入t℃冰箱中冷冻n分钟，取出后倾倒烧杯2 将液体部分倒出，根据公式(1)计算融冰率用于融雪剂融雪效果评价。

式(1) 中：W为融冰率（%）；m1为融化后烧杯2中液体部分质量（g）；m2为融雪剂质量（g），本试验中为25g；m为水冻为冰块后的质量（g），本试验中为100g。

（2）穿透能力试验

配置一定浓度融雪剂水溶液置于烧杯，并加入红色墨水进行染色，同时取7mL 水倒入规格10mL（直径14mm）量筒，将烧杯和量筒分别移入t℃冰箱中冷冻2h，取出烧杯和量筒，迅速用注射器抽取烧杯1 中的融雪剂溶液注入量筒中直至液体至10mL 刻度线位置，将量筒再次移入t℃冰箱中冷冻n分钟，取出后读取红色融雪剂溶液穿透深度。

2 融雪剂融雪效果研究

2.1 融雪剂浓度对融雪效果影响

采用NaCl 和醋酸钾分别制备浓度为0%、5%、10%、15% 和20% 的融雪剂水溶液进行融冰能力和穿透能力试验，试验温度t为-5℃，试验时间n为30min，结果分别如图1 和图2 所示。

图1 融雪剂浓度对融冰能力的影响Fig.1 Effect of deicing agent concentration on ice melting capacity

图2 融雪剂浓度对穿透能力的影响Fig.2 Effect of deicing agent concentration on penetration ability

由图1 和图2 可知：随着融雪剂浓度升高，其融冰能力和穿透能力呈先不变后逐渐增强，融雪剂浓度由0%增加至5% 时，融冰率和穿透深度不变，而融雪剂浓度由5%增加至20%时，NaCl 和醋酸钾融雪剂融冰率分别提高68% 和57%，穿透深度分别增加21mm 和16mm，分析原因为融雪剂浓度较低时其冰点较高，在试验温度下已凝结为固体，因而不能发挥融雪化冰作用，而随着浓度升高，冰点降低，融雪剂逐渐发挥作用，故融冰率和穿透深度逐渐增强。

NaCl 融雪剂融冰能力和穿透能力优于醋酸钾融雪剂，且随着融雪剂浓度升高表现更加明显。融雪剂浓度为10%、15% 和20% 时，NaCl 融雪剂对应融冰率分别较醋酸钾融雪剂高4%、6% 和9%，穿透深度则分别高2mm、3mm 和5mm。

2.2 试验温度对融雪效果影响

采用NaCl 和醋酸钾分别制备浓度20% 的融雪剂水溶液进行融冰能力和穿透能力试验，试验温度t分别为-5℃、-10℃、-15℃和-20℃，试验时间n为30min，结果分别如图3 和图4 所示。

图3 试验温度对融冰能力的影响Fig.3 Effect of test temperature on ice melting capacity

图4 试验温度对穿透能力的影响Fig.4 Effect of test temperature on penetrability

由图3 和图4 可知：随着试验温度降低，其融冰能力和穿透能力逐渐减弱，且减弱速率逐渐下降。试验温度由-5℃分别降低至-10℃、-15℃和-20℃时，NaCl 融雪剂融冰率分别降低24%、40% 和43%，穿透深度分别降低11mm、18mm 和21mm，醋酸钾融雪剂融冰率分别降低17%、30% 和32%，穿透深度分别降低8mm、14mm 和16mm，同时-5 ℃至-10 ℃、-10 ℃至-15 ℃和-15℃至-20℃三个温度区间NaCl 融雪剂对应的融冰率下降速率分别为4.8%/℃、3.2%/℃和0.6%/℃，穿透深度下降速率分别为2.2mm/℃、1.4mm/℃和0.6mm/℃，醋酸钾融雪剂对应的融冰率下降速率分别为2.2%/℃、1.4%/℃和0.6%/℃，穿透深度下降速率分别为1.6mm/℃、1.2mm/℃和0.4mm/℃，分析原因为试验温度下降时融雪剂溶液逐渐接近冰点，分子间运动速率减慢的缘故。

NaCl 融雪剂融冰能力和穿透能力优于醋酸钾融雪剂，但试验温度降低时两者差距逐渐缩小。试验温度为-5℃、-10℃、-15℃和-20℃时，NaCl 融雪剂对应融冰率分别较醋酸钾融雪剂高9%、4%、1% 和0%，穿透深度则分别高5mm、2mm、1mm 和0mm。

2.3 试验时间对融雪效果影响

采用NaCl 和醋酸钾分别制备浓度为20% 的融雪剂水溶液进行融冰能力试验和穿透能力试验，试验温度t为-10℃，试验时间n分别为30min、60min、90min 和120min，结果分别如图5 和图6 所示。

图5 试验时间对融冰能力的影响Fig.5 Effect of test time on ice melting capacity

图6 试验时间对穿透能力的影响Fig.6 Effect of test time on penetration ability

由图5 和图6 可知：随着试验时间延长，其融冰能力和穿透能力逐渐增强，但增强速率逐渐减慢，并最终趋近于0。试验时间由0min 分别延长至30min、60min、90min 和120min 时，NaCl 融雪剂融冰率分别增加至43%、65%、70% 和73%，穿透深度分别增加21mm、28mm、33mm 和35mm，醋酸钾融雪剂融冰率分别增加32%、50%、60% 和62%，穿透深度分别增加16mm、22mm、26mm 和28mm，同时0min 至30min、30min 至60min、60min 至90min 和90min 至120min四个时间区间NaCl 融雪剂对应的融冰率上升速率分别为8.6%/min、4.4%/min、1.4%/min 和0.6%/min，穿透深度上升速率分别为4.4mm/min、1.2mm/min、1mm/min和0.4mm/min，醋酸钾融雪剂对应的融冰率上升速率分别为6.4%/min、3.6%/min、2%/min 和0.6%/min，穿透深度上升速率分别为3.2mm/min、1.2mm/min、0.8mm/min 和0.4mm/min，分析原因为试验时间延长时融化冰样增加，融雪剂浓度逐渐被稀释，因而增强速率逐渐减慢，同时随着融雪剂浓度稀释其冰点随之下降，当下降至试验温度时融雪作用停止，继续延长试验时间对融雪无效，因而实践中应根据气温等环境状况间歇喷洒融雪剂方可保证融雪效果及行车安全。

各个试验时间下NaCl 融雪剂融冰能力和穿透能力优于醋酸钾融雪剂。试验时间为30min、60min、90min和120min 时，NaCl 融雪剂对应融冰率分别较醋酸钾融雪剂高9%、15%、12% 和12%，穿透深度则分别高5mm、6mm、7mm 和7mm。

3 融雪剂对沥青混合料性能影响研究

为分析融雪剂对沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性的影响，制备沥青混合料试件置于25℃恒温融雪剂溶液（浓度分别为0%、5%、10%、15% 和20% 时）中浸泡24h，取出采用保鲜膜密封后移入-10℃冰箱中冷冻24h，再移入60℃水浴中保温24h，如此完成1 次冻融循环，进行5 次冻融循环后进行试验分析。

3.1 高温稳定性

图7 融雪剂对沥青混合料高温稳定性的影响Fig.7 Influence of snow melting agent on high temperature stability of asphalt mixture

采用轮碾法制备300mm×300mm×50mm 沥青混合料试件，进行5 次冻融循环后将试件风干进行车辙试验，试验温度60℃，轮压0.7MPa，结果如图7 所示。

由图7 可知，融雪剂溶液冻融循环会造成沥青混合料高温稳定性降低，且浓度越高，降低作用越明显。融雪剂浓度由0%分别增加至5%、10%、15%和20%时，NaCl 融雪剂处理的沥青混合料试件动稳定度分别下降3.8%、7.7%、10.3% 和13.1%，醋酸钾融雪剂则分别下降2.6%、5.4%、7.8% 和9.9%。分析原因为融雪剂中盐分破坏了SBS 在沥青中形成的三维网状结构，沥青整体抗变形性能下降所致。此外，各个浓度下NaCl 融雪剂对沥青混合料高温稳定性造成的不利影响程度均高于醋酸钾，其中浓度为5%、10%、15% 和20% 时，NaCl 融雪剂处理的沥青混合料动稳定度分别较醋酸钾处理的降低1.2%、2.4%、2.7%和3.6%。

3.2 低温抗裂性

将轮碾法成型的沥青混合料车辙试件切割为250mm×30mm×35mm 小梁，进行5 次冻融循环后进行低温弯曲试验，温度-10℃，结果如图8 所示。

图8 融雪剂对沥青混合料低温抗裂性的影响Fig.8 Effect of snow melting agent on low temperature crack resistance of asphalt mixture

由图8 可知，融雪剂溶液冻融循环会造成沥青混合料低温抗裂性降低，且浓度越高，降低作用越明显。融雪剂浓度由0%分别增加至5%、10%、15%和20%时，NaCl 融雪剂处理的沥青混合料试件最大弯拉破坏应变分别下降2.3%、5.3%、7.1% 和9.8%，醋酸钾融雪剂则分别下降1.6%、4.5%、6.1% 和7.9%。分析原因为融雪剂中盐分一方面会破坏SBS 在沥青中形成的三维网状结构，另一方面会使沥青乳化溶于水，粘性下降，因而低温变形能力变差，容易开裂。此外，各个浓度下NaCl 融雪剂对沥青混合料低温抗裂性造成的不利影响程度均高于醋酸钾，其中浓度为5%、10%、15% 和20% 时，NaCl 融雪剂处理的沥青混合料最大弯拉破坏应变分别较醋酸钾处理的降低0.8%、0.8%、1.1% 和2.0%。

3.3 水稳定性

制备标准马歇尔试件进行5 次冻融循环后进行冻融劈裂试验，结果如图9 所示。

图9 融雪剂对沥青混合料水稳定性的影响Fig.9 Influence of snow melting agent on water stability of asphalt mixture

由图9 可知，融雪剂溶液冻融循环会造成沥青混合料水稳定性降低，且浓度越高，降低作用越明显。融雪剂浓度由0% 分别增加至5%、10%、15% 和20% 时，NaCl 融雪剂处理的沥青混合料试件冻融劈裂强度比分别下降1%、4%、6%和9%，醋酸钾融雪剂则分别下降1%、3%、4% 和7%。分析原因为融雪剂中盐分会侵入沥青-集料界面，造成集料表面沥青膜剥离所致。此外，整体上NaCl 融雪剂对沥青混合料水稳定性造成的不利影响程度高于醋酸钾，其中浓度为5%、10%、15%和20%时，NaCl 融雪剂处理的沥青混合料冻融劈裂强度比分别较醋酸钾处理的降低0%、1%、2%和2%。