融雪剂配比对沥青混合料水稳定性的影响研究

马永连

（山西路桥第六工程有限公司，山西 晋中 030600）

0 引言

北方地区尤其严寒地区的融雪工作主要通过撒铺融雪剂方式处理。融雪剂有两种:第一种是氯盐类，由氯化钠、氯化钙、氯化镁等一种纯物质或几种物质混合形成。其优点是原材料富足、价格便宜、冰点低、融冰化雪的效果较好，其缺点是对环境、土壤危害严重；第二种是有机物类，由醋酸镁、醋酸钙等有机物组成，其缺点是融雪效果差、冰点高、价格较贵，其优点是对环境污染小。

只有一种物质的氯盐融雪剂[1]如氯化钠、氯化钙、氯化镁等单独使用过程中虽然融冰化雪效率高，但是在经济与环保方面仍存在很大问题。相比于一种物质的氯盐融雪剂，由氯化钠、氯化钙、氯化镁中的两种或3种物质组成的混合型融雪剂得到广泛应用[2-7]。但是混合型融雪剂仍存在融雪剂造价偏高等问题，关于三者混合使用的配比问题上国内外学者研究较少，因此有必要对三者使用配比进行相关研究。

本文以氯盐融雪剂（其成分由氯化钠，氯化镁，氯化钙3种物质组成）为研究对象，通过融雪剂融冰能力、融雪剂经济与环保分析以及融雪剂配比对沥青混合料水稳定性能影响，指导融雪剂的合理使用，达到经济环保，高效融雪的目的。

1 试验材料

1.1 沥青

采用90号沥青，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20—2011[8]进行沥青相关指标测试，如表1所示。

表1 沥青技术性质

1.2 集料

集料来自拌合站，选用集料为玄武岩，矿粉为石灰石矿粉，集料指标[9]见表2所示。

表2 集料试验结果

1.3 集料级配

级配设计采用AC-13，各档集料所需比例如表3所示。

表3 混合料级配表

1.4 油石比

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20—2011试验方法进行试验，得到沥青混合料的油石比为5%.

1.5 融雪盐

NaCl、MgCl2、CaCl2来自化工公司。经莫尔法推算出每种盐分的纯度[10]，为配制融雪剂准备，如表4所示。

表4 3种融雪剂的纯度

1.6 水

来自试验室的自来水。

2 试验方案

因NaCl对沥青混合料路用性能的不利影响更为敏感，故融雪剂配制以NaCl含量为主。成品融雪剂的检测报告表现为：NaCl∶CaCl2∶MgCl2=8∶59∶33，因此在原有配比基础上尝试以NaCl占比8%、15%、22%和MgCl2占比33%、27%、39%为基准，得到9种新配比，同时分别以仅含 NaCl、CaCl2、MgCl2的融雪剂为3种配比，因此共得到12种配比，其配比及造价如表5所示。

表5 融雪剂配比与造价表

为检验融雪剂的融冰能力，以融雪剂各自纯度来推算配置设计浓度为0.2 g/mL（参考融雪剂规范）的溶液进行融冰试验，试验中与10号融雪剂组（仅含NaCl）对比，并结合融雪剂造价，优选出3种融雪剂。

在研究沥青混合料的水稳性能时，因真空饱水马歇尔试验和冻融劈裂试验的相关性较好，故应合理选择评价沥青混合料的水稳试验方法，本文采用冻融劈裂试验来研究沥青混合料的水稳性能。试验前，将试件进行编组，第1组为空白组；第2组、第3组、第4组为融雪剂浸泡组。以融雪剂组为例（其余组只有浸泡溶液的区别），对试验过程进行说明。将优选出的3种融雪剂，配制成0.2 g/mL的融雪剂溶液对试件进行真空饱水，在真空度为 97.3～98.7 kPa中保持15 min；然后打开阀门恢复常压，试件在溶液中放置0.5 h。取出试件放入塑料袋中，加入约10 mL的溶液，密封放入恒温冰箱。冷冻温度为-18℃±2℃，保存时间为16 h±1 h；将试件取出后立即放入60℃±0.5℃的恒温水槽中，去掉塑料袋，保温24 h，至此，为一次冻融循环结束，为全面了解融雪剂对沥青混合料水稳定性的影响，增加了5次、10次冻融循环[11-12]。试验开始时，将所有试件浸入25℃±0.5℃的恒温水槽中不少于2 h，保温时试件距离不少于10 mm，取出试件按照50 mm/min的加载速率进行劈裂试验。

3 试验结果与分析

3.1 融雪剂融冰能力试验

根据试验方案，使用250 mL容量瓶配置融雪剂溶液[13]，本文设计研究浓度为0.2 g/mL，则计算纯净溶质质量为50 g，因为3种融雪剂各自纯度不同，所以应根据融雪剂各自纯度来推算配制溶液时各自添加的质量，计算如式（1）所示。取3个50 mL烧杯加入15 mL蒸馏水（使水冻成冰），另取50 mL烧杯3个各加入融雪剂溶液25 mL（使融雪剂溶液温度达到融冰试验所需温度）。将盛有水和融雪剂溶液的烧杯一同放置于恒温冰柜（温度为-10℃±1℃）中3 h。将电子秤置于试验台上，从恒温冰柜中取出保温3 h后的盛有冰块的烧杯，将外壁的冰水拭干称量，记录质量m0；取出已保温3 h的盛有融雪剂溶液的烧杯，将其中溶液倒入盛冰块的烧杯中后将盛有融雪剂溶液和冰块的烧杯放回恒温冰柜中，30 min后取出烧杯并倾倒杯中液体，称量烧杯剩余质量记为m1。以上步骤应尽可能迅速，以减小试验误差，进行3组平行试验，融雪剂的融冰化雪能力按式（2）计算。

式中：mp为配置融雪剂溶液时固体融雪剂称取的质量，g；d为固体融雪剂的纯度，%；t为拟配置融雪剂中纯物质的含量，%.

式中：mr为融冰质量，g；m0为烧杯中冰块的质量，g；m1为烧杯中融冰后剩余冰块质量，g。

经式（2）整理分析得到12种融雪剂融冰结果如图1所示。由融雪剂规范可知，3、4号不达标。除3、4号融雪剂，其余10种融雪剂的融冰能力为12号＞5号 ＞8号 ＞2号 ＞9号 ＞6号 ＞1号 ＞7号 ＞10号 ＞11号。由 1号、3号、4号、6号、7号、11号融雪剂可知，氯化镁所占比例相对较高，然而其融雪质量相对较少，且氯化镁融雪剂本身具有溶解度较低的特性，初步判断最佳比例是氯化镁占比较小，氯化钙占比较大。

图1 融冰质量平均值

经市场调研，12种融雪剂造价见表5所示，其大小 为 11号 ＞9号 ＞3号 ＞1号 ＞12号 ＞2号 ＞6号 ＞4号＞5号 ＞7号 ＞8号 ＞10号，其中造价较低的是1号，2号，5号，8号。

综上所述，3号、4号融雪剂达不到规范规定的融雪能力，1号、2号、5号、8号融雪剂造价最低。又因为1号、3号、4号、6号、7号融雪剂氯化镁含量较高，且大于33%，对路面损坏较大，故综合考虑选定最佳融雪剂为2号、5号、8号融雪剂。

3.2 冻融劈裂试验

为了更全面地研究融雪剂配比对沥青混合料水稳定性能的影响，增加了5次、10次冻融循环下的试验，即模拟在沥青混合料经过5年、10年的融雪剂浸泡下的水稳定性能变化，且冻融循环试验条件参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20—2011设置。

按照试验方案，将试件按编组依次进行试验。劈裂抗拉强度如式（3）、式（4）所示，冻融劈裂强度比如式（5）所示：

式中：RT1为未进行冻融循环第1组单个试件的劈裂抗拉强度，MPa；RT2为进行冻融循环第 2、3、4组单个试件的劈裂抗拉强度，MPa；PT1为第1组单个试件的试验荷载值，N；PT2为第2、3、4组单个试件的试验荷载值，N；h1为第 1组每个试件的高度，mm；h2为第 2、3、4组每个试件的高度，mm。

式中：TSR为冻融劈裂试验强度比；为未进行冻融循环第1组有效试件的劈裂抗拉强度平均值，MPa；RT2为进行冻融循环第2、3、4组有效试件的劈裂抗拉强度平均值，MPa。

由图2、图3均得出：冻融一次条件下，在2号融雪剂的作用下劈裂抗拉强度平均值和冻融劈裂强度比都比5号融雪剂作用下数值大，并且在5号融雪剂的作用下劈裂抗拉强度平均值和冻融劈裂强度比都比8号融雪剂作用下数值大。同样，在5次、10次冻融条件下都呈现相同规律。因此，冻融循环对试件的水稳定性破坏的程度为：10次冻融循环＞5次冻融循环＞1次冻融循环，融雪剂对试件水稳定性能影响按从大到小排序为：8号融雪剂＞5号融雪剂＞2号融雪剂。

图2 劈裂抗拉强度

图3 冻融劈裂强度比

因此，为进一步探究冻融次数与融雪剂配比的关系，以冻融次数A、融雪剂溶液B作为影响水稳定性的因素，影响因素A的不同影响水平分别用A1（冻融一次），A2（冻融 5次），A3（冻融 10次）表示。影响因素B的不同影响水平分别用B1（2号融雪剂溶液），B2（5号融雪剂溶液），B3（8号融雪剂溶液）表示。通过两因素进行等重复试验的方差分析，确定两因素各自对水稳性的评价影响，也能分析冻融次数A、融雪剂溶液B两因素是否存在交互作用的影响。试验结果如表6所示，以显著性水平进行方差分析，方差分析数据如表7所示。

表6 试验数据

表7 方差分析数据

由表7可知，冻融次数对沥青混合料的水稳性评价水平有高度显著影响，而融雪剂配比却对沥青混合料水稳性没有显著影响，但冻融次数和融雪剂配比的交互作用却对沥青混合料的水稳性评价却有显著影响。这说明添加融雪剂后，降低雪水的冰点，使其不易结冰，在一定程度上能够缓减冻融作用对水稳定性的影响，使得二者的交互作用呈现显著状态。

4 结语

a）通过融雪剂融冰能力试验得到：综合造价及融雪能力两方面分析，确定出12种融雪剂配比中最佳的 2、5、8 号融雪剂。

b）通过冻融劈裂试验得到：（a）融雪剂对沥青混合料水稳定性能影响排序为：2号融雪剂＜5号融雪剂＜8号融雪剂，故建议融雪剂的NaCl含量为8%、15%、22%，推荐使用2号融雪剂。（b）经过方差分析得到，冻融次数和融雪剂配比的交互作用对冻融劈裂试验评价水稳性能有显著影响，故在融雪剂配比对水稳定性影响的评价中，推荐冻融劈裂试验为主要试验，并相应增加5次、10次冻融劈裂试验，以便更全面评价水稳定性能。