抗凝冰剂在市政桥梁沥青面层中的应用

史红霞

中铁十五局集团城市建设工程有限公司 河南 洛阳 471000

1 引言

我国冬季潮湿多雨地区，路面极易形成凝冰而使其抗滑能力大幅度降低，既降低了道路的通行能力，容易产生恶性交通事故，又会对道路及其附属构造产生破坏，严重时还会造成交通中断、人们的生活和生产无法正常进行，甚至危害人民生命和财产的安全。针对冰雪路面处理技术的现状，目前，国际上在融雪剂使用，反结冰技术，机械除雪配套技术工艺等方面，已经基本形成了一套成熟的做法。我国在主动除雪技术方面的研究尚未起步，在被动除冰雪技术方面还缺乏具有指导意义的规范性成果。如：化学除雪剂的用量和撒布时机并不明确，反结冰技术的研究尚属空白，除雪机械设备配套不到位等。

为了从长期被困扰的被动除冰雪方法中解脱出来，寻找适合中国国情、易操作的主动型防冰雪路面技术，同时也为了有效弥补现有主动型防冰技术（自应力弹性路面铺装技术、导电铺面融冰雪技术、其它的盐化物防冰雪材料等）由于资源浪费、操作困难或适用范围窄、寿命短等不足，国内越来越多的企业针对新型抗凝冰改性剂在道路面层沥青混凝土的应用加以研究，填补主动型防冰路面技术在中国研究应用的空白[1]。

随着洛阳市城市建设的快速发展，近几年洛阳施工了大量的高架桥梁，在主要道路口设置枢纽型互通立交，桥梁上跨或者入地的时候往往出现纵坡大于3.5%的情况，相对洛阳地理纬度而言，冬季行车路面结冰对行车安全和道路行驶功能有重大影响，抗凝冰剂填量不同，对路面抗凝冰效果，融冰效果均不同，使用的地理位置、气候条件不同效果也不尽相同，本工程作为洛阳市政工程添加抗凝冰剂试点。在抗凝冰效果、融雪、融冰效果、道路使用功能等方面进行对比研究，为洛阳市市政工程大体量使用抗凝冰剂提供数据支撑。

2 工程概况

洛阳市东环路向北打通工程-唐寺门立交项目，项目位于洛河以北，在洛阳市瀍河区和洛龙区交汇处。项目合同金额14.5亿元，合同工期360天，分为东环路与北环路（老G310）立交和东环路瀍涧大道立交2个单位工程。

东环路主线北起瀍涧大道北侧（大杨树村路口），上跨瀍涧大道，南接北环路（老310）立交，设计长度1.6km，红线宽度54m；主线采用双向六车道，其中桥梁长度721m，路基长度901m；地面辅道采用双向四车道，长度1.6km。采用全互通式立体交叉，立交层数5层，设置匝道8条（A～H匝道），地面保留信号路口。

3 抗凝冰改性剂基本要求

根据设计单位要求，针对东环路主线及匝道纵坡在3.5%以上路段路面上面层沥青混凝土中添加抗凝冰改性剂，有效降低路面冰点至-5℃，阻止结冰，适用范围为：BHK0+510-HK0+600、BHK2+000-BHK2+150、AK0+140-AK0+300、BK0+120-BK0+105、CK0+190-CK0+430、DK0+145-DK0+910、EK0+100-EK0+190、FK0+065-FK0+645、HK0+175-HK0+540。

3.1 抗凝冰剂的机理分析

抗凝冰改性剂其有效成分为氯盐（氯化钠、氯化钙、氯化镁等），主要原理是在毛细管压力及车辆的碾压作用下，混合料内部的盐分逐渐析出，从而降低了道路表面水的冰点，抑制表面积雪结冰。盐类物质还可使冰在较低的温度下融化以便于清除。

对抗凝冰改性剂和基质、乳化、SBS改性沥青溶液分别进行了离析试验，测试他们的相容性。结果显示：其余三种沥青溶液均匀、无结皮、沉淀和离析现象，相容性较好。

3.2 抗凝冰剂的基本组成

抗凝冰改性剂采用多元混合物优化设计，在保证降低路面冰点的前提下，其主要成分包括缓释剂、抗腐蚀剂、增强剂、氯化钙、氯化镁、氯化钠。其主要作用有：

（1）盐化物：可有效降低路面冰点到-20℃，阻止路面结冰，降低冬季路面养护成本。（2）缓释剂：可有效减缓盐化物的释放，使其在路面使用年限内能匀速地释放，保障其使用的长期性。（3）抗腐蚀性：绿色环保，对道路周边的植物、土壤、水源不会造成任何破坏。同时，还可有效保护桥梁等构造物中的钢筋受到腐蚀。（4）增强剂：有助于改性剂颗粒能承受较强的压力，避免其在沥青混合物拌和中被破坏[2]。

3.3 抗凝冰改性剂基本要求

（1）使用剂量一般为沥青混合料的5%-6%；（2）密度为1.8g/ml；（3）颗粒度为0.1-3mm；（4）熔点为220℃；（5）溶液PH值为8-10；（6）硬度60N。

4 抗凝冰改性剂优点

使用抗凝冰改性剂沥青混合料的具有以下优点：（1）有效降低路面冰点到-10℃，阻止路面结冰。具有永久性路面抗凝冰功效，降低冬季路面管理养护成本。（2）适合各类沥青路面，按照最优掺量添加抗凝冰剂不影响沥青混合料的各项性能指标，满足现行沥青路面施工技术规范的要求。（3）绿色环保，对道路周边的植被、土壤、水源不会造成任何破坏。同时有效保护桥梁，防止出现钢筋腐蚀，用于对环保要求较高的道路环境。

5 抗凝冰改性剂掺量确定

在相同的外部环境下，抗凝冰改性剂的掺量将直接影响路面抗冰凝的效果[3]。以项目设计的桥面沥青上面层AC-13C的级配中值作为矿料设计级配，并用马歇尔设计方法确定最佳沥青使用量（AC-13C沥青混凝土配合比见表1），各原材料产地为：蓟县产石灰岩粗、细集料及矿粉；沥青为滨州70#A级石油沥青。通过采用0%、4.8%、5.0%、5.2%四种不同的抗凝冰改性剂掺量，抗凝冰沥青改性剂生产厂家为江苏路俊新材料科技有限公司。用试验模拟冬季路面凝冰过程，试验过程简要：使用不同抗凝冰改性剂掺量的沥青混合料制作马歇尔试件，把四种不同试件作出明确标识，试件上撒布水层以后，放入-5℃的低温环境中进行观察，记录不同时间不同掺量的马歇尔试件结冰情况。由此来判断不同掺量（0%、4.8%、5.0%、5.2%）的添加抗凝冰改性剂的沥青混合料试件抗凝冰效果（不同掺量抗凝冰改性剂对于马歇尔试件结冰情况影响表见表2）。

表1 AC-13C沥青混凝土配合比

表2 不同掺量抗凝冰改性剂对于马歇尔试件结冰情况影响表

通过试验发现：不掺入抗凝冰改性剂时，在-5℃温度下试件表面冰层附着牢固，外力作用下冰层仍与试件表面接触紧密，难于分割；掺入抗凝冰改性剂时，在-5℃温度下试件表面冰层无法与试件表面完美贴合，形成水膜，使得冰层与试件能够轻易剥离。并且随着掺量增加冰层分离效果相应增加，在保障路用性能的前提下，掺量越大，除冰雪效果越好。按照等体积原则结合试验数据、经济效益确定最佳抗凝冰改性剂掺量为5.0%，本工程将按照此比例进行添加来试验沥青混合料的各项性能指标，并对沥青混凝土路面的构造深度、渗水系数等相关指标进行验证。

6 掺入抗凝冰改性剂耐久性试验

抗凝冰改性剂中氯离子含量对于混合料的耐久性将产生影响，按照实际掺量5.0%为标准通过化学分析、动态水模拟试验对沥青混合料做出综合评价，材料检测结果符合标准规范要求。

（1）离子浓度检测结果见表3

表3 抗凝冰沥青混合料试件浸泡检测结果

（2） 动态水模拟实验结果分别见表4

表4 抗冰凝改性剂残余量分析

抗凝冰改性剂的掺入改变了沥青混合料的毛体积密度、马歇尔稳定度、动稳定度、残留稳定度等相关指标，根据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》制作沥青混凝土标准试件并按照操作规程进行马歇尔稳定度、车辙等试验[4]，以JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》为判定依据，测定评价抗凝冰沥青改性剂的各项指标。试验检测结果见表5。

表5 抗冰凝沥青混合料试验检测

7 掺抗凝冰改性剂沥青混合料搅拌方式

抗凝冰改性剂采用干拌方式添加，在加入矿粉的同时将抗凝冰改性剂严格按照比例一次性投入拌和锅中拌合5-15s，沥青混合料拌和时间由试拌和确定，必须使所有集料颗粒全部裹覆沥青结合料，并且能够达到混合料均匀，工艺流程见图1。沥青混合料孔隙率控制在4-6%，同时沥青含量适当提高0.1%-0.3%，相应减少0-0.3mm矿料用量，拌和机必须有二级除尘装置。

图1 抗凝冰沥青混合料拌合工艺流程图

8 掺抗凝冰改性剂沥青混凝土施工要求

在铺筑掺抗凝冰改性剂沥青混凝土前，应检查下卧沥青层的质量，不符合要求的不得铺筑沥青面层。下卧层已被污染时，必须清洗或者采取局部铣刨处理完成后方可铺筑沥青混合料。

沥青混合料的运输、摊铺、碾压温度要严格按照《公路沥青路面施工技术规范》中相关要求，根据施工现场摊铺的室外温度和沥青混凝土种类，选择不低于145℃的摊铺温度，开始碾压的混合料内部温度不低于140℃，碾压终了的表面温度不低于90℃，开放交通的路标温度不高于50℃（沥青混合料的施工温度采用具有金属探测针的插入式数显温度计测量，碾压完成表面温度可采用接触式温度计测量）。

9 掺抗凝冰改性剂沥青混凝土路面现场检测

沥青混凝土路面试验检测是很重要的工作，工程质量的优劣会受它的直接影响，掺入抗凝冰改性剂沥青混凝土需要对渗水系数、抗滑值、平整度进行检测，确保沥青路面的行车的安全性、舒适性及耐久性。对完成摊铺的沥青路面选取未掺抗凝冰改性剂沥青混凝土（北环路主线DH7+680～DH7+830）与掺入掺量5.0%抗凝冰改性剂沥青混凝土（东环路E匝道EK0+100-EK0+190）进行抗滑性和渗水系数检测。其中抗滑性用构造深度（手工铺砂法）检测，渗水系数用沥青路面渗水仪检测，结果比对见表6。

表6 抗冰凝沥青混凝土现场检测

10 结论

抗凝冰剂掺量不同，将直接影响路面抗凝冰、融冰效果，本工程在洛阳地区首次使用抗凝冰剂到桥梁沥青面层中，通过试验数据确定最佳的抗凝冰剂掺量。对于掺入抗凝冰改性剂沥青混合料的毛体积密度，马歇尔稳定度、动稳定度、残留稳定度、耐久性等相关指标进行检测；对于压实的沥青混凝土路面进抗滑性和渗水系数检测；结果均符合规范要求。各项检测数据通过本工程的应用实施必将为洛阳市市政工程大体量使用抗凝冰剂提供依据和基础。