沥青混合料用融冰雪盐化物材料评价指标研究

徐 剑，龚 演，薛 成，刘 凯

(1. 交通运输部公路科学研究院, 北京 100088；2. 中交第二公路工程局有限公司, 陕西 西安 710061；3. 合肥工业大学, 安徽 合肥 230009)

0 引言

《交通强国建设纲要》明确了我国交通发展的总体思路，即构建安全、便捷、高效、绿色、经济的现代化综合交通体系，“交通安全”的理念也逐渐成为道路工程建设的重要发展趋势。随着降温等气候变化，雨雾和冰雪等恶劣天气极大影响交通系统，沥青路面出现积雪、结冰等现象，路面表面的抗滑性能下降，同时由于气候导致的能见度降低，造成交通事故增加，严重威胁交通安全。据统计，冬季时期15%～30%的交通事故与路表结冰积雪有关。另外，在冬季冻雨、冰雪等不良气候下，公路网通行能力受到显著影响，严重时还将导致该区域的交通中断、运输瘫痪，造成巨大的经济、社会影响。因此，冬季道路融冰除雪工作是沥青路面养护的重点及难点[1-8]。

经过我国科学工作者近10 a的研究和国内近20个省的工程实践，我国公路沥青混合料用融冰雪材料技术已经较为成熟，并经过大量工程验证。实践表明，公路沥青混合料用融冰雪材料技术一方面可以有效减少冬季的交通事故，确保“交通安全”[9-12]；另一方面，极大程度地避免了对基础设施的破坏和环境污染，降低冬季沥青路面的养护成本，为实现“绿色交通、平安交通”提供了技术支撑。

随着国内外研究者对盐化物材料的深入研究，盐化物材料的种类越来越多[13]，除常规的氯离子类盐化物外，非氯离子类盐化物包括硫酸类及醋酸类等材料，我国现有行业标准《公路沥青混合料用融冰雪材料 第2部分：盐化物材料》(JT/T 1210.2—2018)[14]暂未考虑非氯离子类盐化物材料的评价指标，相关内容还需补充及修订。同时，由于我国不同区域环境差异较大，融冰雪盐化物材料依然不能很好地改善沥青混合料的融冰雪性能。考虑到融冰率及冰点指标是沥青混合料的融冰雪性能的主要评价指标，本研究选择4种不同的盐化物材料，研究了盐化物的材料性能、融冰雪性能评价指标对沥青混合料性能影响，开展了相关参数与设计方法的优化研究，为融冰雪盐化物材料在我国的应用和推广提供参考。

1 材料与试验方案

1.1 沥青

为了研究掺盐化物融雪剂沥青混合料的融冰雪性能，本研究采用70#沥青，其基本性能参数如表1所示[15]。

表1 70#沥青的基本性能指标

1.2 盐化物材料

本研究选用4种不同的融冰雪盐化物材料，其中A与B分别为颗粒状，主要成分为氯化物盐，C为非氯化物盐，主要成分为有机醋酸类材料，D为氯化物盐与醋酸类材料组合而成的复合材料，均为国内比较常用的融冰雪盐化物材料。

1.3 混合料设计

表2是密级配沥青混合料的AC-13级配配比，本研究采用的盐化物融雪剂为5%，采用原样的设计最佳油石比4.9%。

表2 沥青混合料AC-13级配配比

2 试验方法

2.1 有效阴离子含量试验

目前市面上存在融冰雪盐化物材料种类繁多，包含氯化物盐、非氯化物盐或其组合而成的复合材料，其中非氯化物盐主要是指醋酸类材料为代表的有机物材料。现有行业标准《公路沥青混合料用融冰雪材料》(JT/T 1210.2—2018)[14](以下简称《盐化物材料》)中氯离子含量指标，主要用于检测有效成分氯离子的含量，而无法定量测量非氯化物盐的有效成分含量。本试验针对不同的融冰雪盐化物材料：对于氯化物盐材料，根据上述行业标准中的附录A方法进行试验，确定其氯离子含量；对于醋酸类材料，本试验根据标准《路用非氯有机融雪剂》(JT/T 973—2015)中的5.7方法[16]进行相对融雪化冰能力试验，通过相对融雪化冰能力W1计算出权衡因子Q的值，计算公式如式(1)～(2)所示。

(1)

(2)

式中,W1为相对融雪化冰能力;m0，m1分别为非氯化物材料溶液试验前及试验0.5 h后烧杯和冰块总质量；m′0，m′1分别为氯化纳溶液试验前及试验0.5 h后烧杯和冰块总质量，烧杯的体积为200 mL。QAc，Qf分别为本次相对融雪化冰能力试验中非氯化物材料溶液和氯化纳溶液的阴离子含量。

对于复合材料，其有效阴离子含量Qn根据式(3)可计算得出。

Qn=Q×Q′Ac+Q′f，

(3)

式中，Q′Ac，Q′f分别为复合材料中的醋酸离子、氯离子含量。

醋酸离子含量的测量方法如下：将试样研磨、筛分并烘干，取烘干后质量为m的试样(10±0.1) g放置于磨口瓶中，倒入200 mL蒸馏水充分溶解，静置2 h后过滤。将移液管吸取1 mL滤液倒入烧杯中，用50 mL蒸馏水稀释，再加入0.2%酚酞指示剂溶液1～2滴，用0.1 mol/L氢氧化钠标准溶液滴定法，直至呈现微红色为滴定终点。记录消耗的标准氢氧化钠溶液体积为V，单位为mL。根据式(4)计算醋酸离子含量QAc。

(4)

式中，C为氢氧化钠标准溶液的摩尔浓度0.1 mol/L。

2.2 碳钢腐蚀率试验

本试验根据标准《路用非氯有机融雪剂》(JT/T 973—2015)中5.9节的方法进行[16]。由于公路沥青混合料用融冰雪材料盐化物材料均具有疏水特征，无法直接溶于水中。另外，为了更好地模拟盐化物材料在沥青路面使用过程中的释放规律，将掺盐化物材料的沥青混合料马歇尔试件进行快速冲洗，使试件表面无可见融冰雪材料，冲洗总时间不宜大于10 s。冲洗完成后，将试件浸泡在5 L的去离子水中24 h，取浸出液进行碳钢腐蚀率测定。

2.3 融冰率试验

融冰率试验是在一定温度条件下，评价盐化物融冰化雪能力的检测方法。现有行业标准《盐化物材料》(JT/T 1210.2—2018)中以质量为40 g的冰块进行融冰试验，测量1 h时间内冰块质量损失率dm(即融冰效率，%)，计算公式如式(5)所示。

(5)

式中，m0为冰的初始质量；mt为冰在时间t时的质量。

本研究中将考虑冰块的初始质量变为20 g，与行业标准《盐化物材料》(JT/T 1210.2—2018)中的融冰率试验进行对比，研究不同初始质量对融冰率试验结果以及对实际工况模拟准确性的影响。

2.4 冰点试验

如图1所示，冰点试验主要原理是将海绵吸饱水，置于矩形沥青混合料试件表面，其中海绵尺寸为4 cm×4 cm×3 cm，混合料试件尺寸为10 cm×10 cm×5 cm。将海绵及矩形沥青混合料一起放置于恒温箱中保温4 h，检查海绵与沥青混合料的黏结情况。恒温箱温度分别设置为-5，-10，-15 ℃。冰点即为海绵与沥青混合料黏结较弱，较容易分离时对应的温度。

图1 冰点试验

3 结果与讨论

3.1 有效阴离子含量试验

将5种融冰雪盐化物材料分别进行氯离子含量试验、醋酸离子含量试验及融雪化冰能力试验，氯离子含量与醋酸离子含量试验结果如表3所示，其溶液试验前及试验0.5 h后烧杯和冰块总质量如表4所示。其中，试验0.5 h后烧杯和冰块总质量测量3次，取平均值。相对融雪化冰能力以融冰雪材料A为标准计算。

表3 4种融冰雪材料有效阴离子含量试验结果

表4 4种融冰雪材料融雪化冰能力试验结果

材料A与材料B均为氯化物材料，有效成分均为氯离子。材料B的相对融雪化冰能力与氯离子含量的比值(38.4∶36.1)相吻合，证实了融冰雪材料的有效成分含量越高，其融冰雪效果越好。根据融冰雪材料A与C的试验结果可计算出权衡因子Q的值为0.72。为检验该计算结果的可信度，采用融冰雪材料D和E的试验结果进行验证。材料D为氯化物及醋酸类材料的复合类融冰雪材料，根据材料D的阴离子含量及权衡因子Q的值计算得出材料D的有效阴离子含量为47.2，材料D与材料A的相对融冰化雪能力为1.308。材料E为醋酸类材料的复合类融冰雪材料，根据材料E的阴离子含量及权衡因子Q的值计算得出材料E的有效阴离子含量为50.1。材料D和E的计算结果与试验吻合，证实权衡因子Q的值具有可靠性。

行业标准《盐化物材料》中采用氯离子含量确定该融冰雪材料的有效成分含量，通过本试验及讨论，建议采用权衡因子Q来修正非氯离子类盐化物的有效成份，提出有效阴离子含量作为融冰雪材料性能评价指标，更具普适性。醋酸离子的权衡因子Q=0.72，对于复合类融冰雪材料，其有效阴离子含量计算公式为：

Qn=0.72×QAc+Qf。

(6)

3.2 碳钢腐蚀率试验

融冰雪材料中含有氯化钠、醋酸钾等盐化物，氯化钠与醋酸钾的析出是影响基础设施(主要是钢材)腐蚀的重要因素，对基础设施具有很强的破坏性，并造成环境污染。在行业标准《盐化物材料》中，pH值应在7.0～9.0范围内，以减少氯化钠与醋酸钾的析出对碳钢的腐蚀影响，碳钢腐蚀率应不大于0.11 mm/a。

有研究结果表明[17-18]，当NaCl质量分数小于3.5%时，自腐蚀电位随溶液中NaCl质量的增加而降低，更容易发生腐蚀；当NaCl质量分数达到4.5%时，腐蚀倾向减弱。对不同浓度下融雪剂的腐蚀速度开展试验研究，试验结果如表5所示。

表5 不同浓度融雪剂碳钢腐蚀率试验结果

结果表明：在3.5%～15%浓度范围内，碳钢腐蚀率影响受融雪剂浓度影响较大，超过15%时，融雪剂浓度对碳钢腐蚀率影响较小，碳钢腐蚀率趋于稳定。随着融雪剂浓度越大，碳钢腐蚀率越小，推测与融雪剂中有效成分的释放速率等均有关。但是，目前尚未存在较为成熟的融雪剂碳钢腐蚀率变化的机制分析。另外，根据北京大兴机场等实际工程经验，碳钢腐蚀率指标对环境的实际腐蚀情况的影响较小。综上所述，考虑到溶液酸碱性对碳钢类材料腐蚀速度的影响，当溶液的pH值太大或者太小时，碳钢腐蚀缓慢，另外，根据实际施工中碳钢腐蚀率指标对环境的微弱影响，建议取消碳钢腐蚀率指标。

3.3 融冰率试验

冰的初始质量和融冰时间对融冰率有重要影响，因此分别选取约40 g和20 g冰作为初始质量开展融冰率试验。4种掺盐化物融雪剂沥青混合料在-5 ℃条件下的融冰率试验结果如表6所示，在室内试验条件下，当初始质量为40 g时，4种混合物的融冰率数值基本在12%左右，不符合行业标准《盐化物材料》中对融冰率指标的要求；当初始质量为20 g时，4种混合物的融冰质量基本与初始质量为40 g时差异不大，而融冰率的结果基本是在24%左右。

表6 掺融雪剂沥青混合料的融冰率试验结果

为了验证试验结果的可靠性，对目前工程上广泛使用的融冰雪效果较好的融冰雪盐化物材料产品进行融冰率试验，发现这些融冰雪盐化物材料的融冰率试验结果均不符合融冰率指标的要求，但当初始质量为20 g时，大部分融冰雪盐化物材料的融冰率指标不小于20%。因此，选用融冰率作为评价指标来评价混合料的融冰雪性能需要统一的试验标准，建议采用20 g冰块作为研究对象计算冰块的融冰率，融冰率范围不小于20%。

3.4 冰点试验

原样及掺4种融冰雪材料的沥青混合料的冰点试验结果见表7，当温度处于沥青混合料的冰点以下时，随着温度降低，海绵与沥青混合料之间的黏结强度增强，冰冻的海绵与沥青混合料之间难以分离；当温度高于沥青混合料的冰点时，冷冻的海绵与混合料试样能被完全脱离，同时冷冻的海绵仍非常完整。根据试验结果，可以判断出融冰雪材料C与D能显著降低沥青混合料的冰点，冰点温度范围不大于-15 ℃，可以更好地适用于北方冬天寒冷的气候。而掺有融冰雪材料A与B的沥青混合料冰点处于-5～-10 ℃温度范围，适用于南方冬天。

表7 四种融冰雪沥青混合料冰点试验结果

在行业标准《盐化物材料》中，冰点指标的技术要求为不大于-5 ℃，考虑到融冰雪材料研发工作迅猛发展，目前市面上开发的部分融冰雪材料具有更优秀的融冰雪性能，能较好地降低沥青混合料的冰点，行业标准《盐化物材料》中的技术要求已经不能较好地区分不同融冰雪材料的性能。同时，考虑我国南北方冬天气候的巨大差异性，建议将冰点指标分成两个等级，分别为：-5～-15 ℃和≤-15 ℃，可以分别适用于我国南方和北方不同的气候条件。

4 结论

(1)建议采用权衡因子Q来修正非氯离子类盐化物的有效成份性能评价指标，提出有效阴离子含量替代氯离子含量，作为融冰雪材料性能评价指标，可以评价氯离子类和非氯离子醋酸类融冰雪材料，适用范围更广，更具普适性。醋酸离子的权衡因子Q=0.72。

(2)考虑到溶液酸碱性对碳钢类材料腐蚀速度的影响，当溶液的pH值太大或者太小时，碳钢腐蚀缓慢。另外，根据实际施工中碳钢腐蚀率指标对环境的微弱影响，建议取消碳钢腐蚀率指标。

(3)冰的初始质量对融冰率有重要影响，为了更好地适应目前材料开发现状和工程应用实际，建议采用20 g冰块作为研究对象计算冰块的融冰率，融冰率范围不小于20%。

(4)将冰点指标进行分级可以更好地适用于我国南方和北方不同的气候条件。考虑到我国南北方冬天气候的巨大差异性，建议将冰点指标分成两个等级：南方为-5～-15 ℃，北方为≤-15 ℃，可以分别适用于我国南方和北方不同的气候条件。