抗冰冻材料在桥面铺装中的应用研究

葛 浩

(镇江市公路事业发展中心，镇江 212127)

在冬季，江苏大部分地区都会发生道路积雪与结冰现象，给通行车辆造成了安全隐患[1]。因此，如何采取有效措施保障冬季冻结道路畅通和行车安全，成为当前公路部门亟须解决的问题。20世纪60年代，瑞士、日本等发达国家已开始研究抗冰冻材料并取得了良好的应用效果。自2008年以来，我国开始开展抗冰冻沥青路面研究。凡涛涛[2]阐述了MFL的抗冻机理，重点研究了其掺量与适用温度的关系，试验表明MFL掺量要达到5%才能起到抗冻效果。廖芳龄[3]对冰冻沥青混合料路用性能进行了研究，试验结果表明，随着MFL的掺入，沥青混合料的低温抗裂性能、水稳性能均得到了一定程度的提升，高温稳定性稍有降低但仍高于规范要求，疲劳性能及抗老特性并无显著变化。目前，国内抗冰冻沥青混合料技术在桥面铺装上的实践应用研究较少，而桥面由于上下通透，更容易结冰，因此对桥面铺装材料进行抗冰冻研究非常必要。本文以掺加MFL的抗冰冻沥青混合料为研究对象，依托镇江市某桥面铺装工程，开展配合比设计、路用性能研究和工程应用效果评价。通过使用抗冰冻材料，可有效解决冬季道路行车安全问题，对保障人民群众正常生产和生活具有重要的现实意义。

1 MFL物理性质和抗冰冻原理

为优选出符合相关技术要求的抗冰冻材料，对MFL的物理参数进行分析研究，为后期工程实践应用提供科学依据。MFL各项物理指标如表1所示。

表1 MFL各项物理指标

MFL是一种粉末状材料，从表1可以看出，MFL的有效成分是NaCl(氯化钠)，0.075 mm筛孔的通过率达到75.2%，粒径范围和矿粉相近，且各项技术指标均满足相应技术要求，因此MFL可替代部分或全部矿粉，作为填料用于抗冰冻沥青混合料中。

缓释型抗冰冻技术是以主动抑制冬季桥面冻结为目的，在铺装材料中添加一定掺量的化学类添加剂的新技术。当冬季降雪时，在压缩、磨损等诸多因素的影响下，桥面铺装材料含有的MFL中的氯化物缓慢向桥面释放，降低桥面积雪结冰的冰点，破坏冰雪与桥面的黏结，达到融化冰雪的效果[4-5]。在使用期限内，掺加MFL的抗冰冻沥青路面每年冬季都会起到融化冰雪的作用。

2 抗冰冻沥青混合料配合比设计

本次以掺加MFL的SMA-13沥青混合料为试验组，以普通SMA-13沥青混合料作为对照组，开展掺加MFL的SMA-13改性沥青混合料配合比设计。

2.1 普通SMA-13沥青混合料配合比

通过混合料级配调试和相关验证试验，表明本次所设计的普通SMA-13沥青混合料的水稳性能、高温稳定性、低温抗裂性能均满足技术要求。普通SMA-13沥青混合料配合比如表2所示。

表2 普通SMA-13沥青混合料配合比

在普通SMA-13沥青混合料设计级配中，1#料(10～15 mm)占43%，2#料(5～10 mm)占35%，4#料(0～3 mm)占12%，矿粉占10%，油石比为6.0%。

2.2 掺加MFL的SMA-13沥青混合料配合比验证

在普通SMA-13沥青混合料级配设计的基础上，采用与设计级配相同的矿料配合比和油石比。为进一步开展沥青混合料中MFL最佳掺量的研究，调研国内外相关研究成果发现，沥青混合料中MFL的掺量一般为5.0%～8.0%[6]，因此本次设计了4组不同MFL掺量(5%、6%、7%、8%)的沥青混合料，开展抗冰冻沥青混合料的水稳性能、高温稳定性和低温抗裂性能等指标测试，不同MFL掺量下抗冰冻沥青混合料的路用性能试验结果如表3所示。

由表3可知，随着MFL掺量的增加，沥青混合料的路用性能呈下降趋势；综合考虑经济因素后确定抗冰冻沥青混合料中MFL的最佳掺量为5%，即采用MFL替代5%的矿粉，各材料所占比例为1#料∶2#料∶4#料∶矿粉∶MFL=43∶35∶12∶5∶5，油石比为6.0%。对掺加5%MFL的SMA-13沥青混合料进行马歇尔试验，马歇尔试验结果如表4所示。

表3 不同MFL掺量下抗冰冻沥青混合料的路用性能试验结果

表4 马歇尔试验结果

由表4可看出，用MFL替代5%的矿粉后，抗冰冻沥青混合料的各项马歇尔参数均满足相应技术要求。

3 路用性能试验研究

3.1 高温稳定性试验

参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)，分别对掺加MFL的抗冰冻沥青混合料和不掺加MFL的普通SMA-13沥青混合料进行车辙试验，选取动稳定度作为沥青混合料高温稳定性的评价指标[7]。车辙试验结果如表5所示。

表5 车辙试验结果

由表5可知，抗冰冻沥青混合料的动稳定度较普通沥青混合料降低了8.5%，MFL的掺入虽然降低了混合料的高温稳定性，但影响不大，且掺MFL的动稳定度值均大于3 000次/mm，仍能较好地满足沥青混合料高温稳定性的要求。

3.2 水稳性能试验

开展冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验，选取残留稳定度与劈裂强度比综合评价掺加MFL的抗冰冻沥青混合料的水稳性能。浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验结果如表6所示。

表6 浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验结果

从表6可以看出，掺加MFL的抗冰冻沥青混合料的残留稳定度、劈裂强度比结果分别提高了2.5%和2.8%，均大于未掺加MFL的沥青混合料试件，表明掺加MFL能在一定程度上增强沥青混合料的抗水损害能力，提高其水稳性能。

3.3 低温抗裂性能试验

为研究掺加MFL的SMA-13沥青混合料的低温抗裂性能，开展低温小梁弯曲试验。选取混合料试件弯曲破坏的力学参数——最大破坏应变作为沥青混合料低温抗裂性能的评价指标。低温小梁弯曲试验结果如表7所示。

表7 低温小梁弯曲试验结果

由表7可以看出，掺加MFL的SMA-13沥青混合料的最大破坏应变较高，比普通沥青混合料提高了13.5%，说明MFL的加入赋予了沥青混合料一定的低温柔性。

4 抗冰冻SMA-13沥青混合料的路面应用效果

依托镇江市某桥面铺装工程进一步研究掺加MFL的SMA-13沥青混合料的路用性能。镇江地区冬季温度较低，桥面易出现冰冻现象，为有效解决冬季桥面冰雪问题，保证桥面具有长期的抗冰融雪效果，本次铺筑抗冰冻沥青路面试验路段后开展相应的性能指标检验，并通过后期跟踪检测评价抗冰冻沥青路面的应用效果。

4.1 试验路方案

根据工程的实际情况，镇江市某桥面铺装结构型式为4 cm SMA-13+6 cm SUP-20+水性环氧沥青防水层+10 cm C50桥面现浇层。选取K1+200～K1+400上行方向共计200 m，铺筑4 cm厚掺加MFL的SMA-13抗冰冻沥青路面；其余路段铺筑普通SMA-13沥青路面。

4.2 试验检测结果分析

铺筑抗冰冻沥青路面试验段后，进行厚度、压实度、构造深度、渗水系数和摩擦系数等指标检测。普通路段(不掺加MFL)性能检测结果如表8所示，试验路段(MFL掺量为5.0%)性能检测结果如表9所示。

表8 普通路段(不掺加MFL)性能检测结果

表9 试验路段(MFL掺量为5.0%)性能检测结果

由现场检测结果可看出，掺加MFL的抗冰冻沥青路面的压实度、构造深度、摩擦系数及渗水系数等性能指标均满足技术要求，与不掺MFL的普通路段情况相比无明显区别。

4.3 有效成分确认

为确认掺加MFL的抗冰冻沥青路面的有效盐分，依据盐化物与硝酸银发生化学反应后会产生白色氯化银沉淀的原理，在施工现场利用硝酸银溶液滴定检测路面是否存在盐分[8]。本次检测时，将数滴硝酸银溶液滴到试验路段表面，发现滴定处路面产生了白色沉淀物，证明抗冰冻沥青路面表面含有盐分。

4.4 跟踪调查情况

4.4.1 现场外观调查

对试验路段展开跟踪调查，结果显示，试验路段的路面整体状况较好。在历经积雪冰冻后，目前无明显车辙、裂缝等病害。镇江地区在2018—2021年冬季均发生了不同程度的降雪，试验路段路面基本无积雪结冰现象，保持道路本色，融雪效果没有减弱；而普通路段的路面发生了一定程度的积雪结冰，两种沥青混合料抗冰冻效果对比明显。

4.4.2 承载能力分析

采用动态模量指标评价抗冰冻沥青路面的承载能力，在两次跟踪观测中采用Dynatest落锤式弯沉仪进行现场数据采集，对试验路段以及相邻的普通路段的路面进行检测。动态模量反算数据汇总如表10所示。

表10 动态模量反算数据汇总

两次现场弯沉检测结果表明，试验路段路面上面层动态模量较高，表明路面结构层整体承载力良好；而试验路段路面的动态模量与普通路段路面相比略有下降(4%～5%)，可见掺入MFL对SMA-13 沥青路面模量性能有所影响，但总体下降幅度不大。

5 经济和社会效益评价

5.1 经济效益分析

沥青路面全寿命周期主要分为初期建设、工程营运和后期养护三个阶段，在路面设计中可依据全寿命周期成本的理念，统筹考虑前期建设成本、工程营运费用及后期维护保养费用。下文将对掺加MFL的SMA-13抗冰冻沥青路面和普通SMA-13沥青路面的长期经济支出进行综合比较。

5.1.1 施工成本分析

对掺加MFL的SMA-13抗冰冻沥青路面和普通SMA-13沥青路面的施工成本进行分析，两种混合料面层施工成本如表11所示。

表11 两种混合料面层施工成本 (元/吨)

由表11可以看出，每吨抗冰冻SMA-13沥青混合料施工成本较普通SMA-13沥青混合料多了914.2元，主要原因是MFL价格为每吨20 000元，增加了沥青混合料的材料成本。

5.1.2 工程营运费用分析

冬季镇江地区沥青路面常见的即时性除雪措施主要是铺撒融雪剂和防滑石屑，经过实地调研分析并结合镇江地区工程实际，总结出不同方法的每公里除雪抗冰费用如表12所示。

表12 不同方法的每公里除雪抗冰费用

由表12可看出，每公里融雪剂法除雪抗冰费用较石屑法多了3 769元，主要原因是融雪剂价格较高。与这两种方法相比，抗冰冻路面5年内基本不需要采取除雪抗冰措施，基本不会产生支出。因此，在工程营运费用方面，抗冰冻沥青路面具有一定优势。

5.1.3 后期维护保养分析

镇江地区夏季潮湿多雨，地表温度也较高，对沥青路面的水稳定性和抗车辙能力有较高的要求，而MFL的掺入对沥青混合料路用性能没有消极影响。冬季温度偏低，冻融对沥青路面的损害不容忽视，MFL的掺入可大大减轻路面冰冻形成的损害，缓解冰雪对路面的侵蚀，延长沥青路面使用寿命，从而降低冬季沥青路面管理养护成本。

5.2 社会效益分析

针对处理沥青路面积雪结冰的问题，国内已探索出了多种方法，主要包括撒布融雪剂、砂石材料及机械清除等[9-10]。撒布融雪剂能够较好地清除冰雪，但效率低、费用高，且容易腐蚀破坏道路结构；砂石材料能够达到抗滑的目的，但清除冰雪的效果不佳；机械清除需要投入大量的人力、物力，且存在着影响交通的问题。相比传统处理积雪结冰的方法，采用抗冰冻沥青路面具有如下优势：①在环境影响方面，可有效减少氯盐对水资源、大气环境造成的危害；②在服务性能方面，缓解了因温度偏低产生的路面冻融损害，延长了路面使用寿命；③在行车安全方面，有效抑制了路面结冰，减少了路面打滑导致的交通事故，保障了司乘人员及行人的生命财产安全。

6 结语

(1)通过对MFL的物理指标进行检测，证实该材料各项指标均满足相应技术要求，因此，MFL作为抗冰冻沥青混合料填料可替代部分或全部矿粉。

(2)抗冰冻沥青混合料的配合比中各材料所占比例为1#料∶2#料∶4#料∶矿粉∶MFL=43∶35∶12∶5∶5，油石比为6.0%。通过对抗冰冻沥青混合料的各项性能指标进行研究，证明其高温稳定性、低温抗裂性能、水稳性能等指标均满足相应技术要求。

(3)跟踪调查结果显示，抗冰冻沥青路面整体状况较好，在历经积雪冰冻后基本无积雪结冰现象，保持道路本色；且抗冰冻沥青路面具有良好的承载能力，与普通沥青路面基本相当。

(4)在经济效益方面，每吨SMA-13(MFL掺量为5%)抗冰冻沥青混合料施工成本较普通SMA-13沥青混合料多了914.2元，但在工程营运成本和后期维护保养等方面具有一定优势；在社会效益方面，SMA-13抗冰冻沥青混合料在环境影响、路面服务性能、行车安全等方面均具有明显优势。因此，MFL作为一种绿色环保材料具有广阔的推广应用前景。