低冰点沥青混合料应用试验

张朝旭

（石家庄市公路桥梁建设集团有限公司，河北 石家庄 050090）

冬季公路易积雪结冰，抗滑能力下降，严重危害交通安全。针对路面积雪结冰问题，传统方法采取的是机械清除和撒布融雪剂等被动手段，效率低且污染环境。低冰点路面是一种新型路面，能够抑制路面结冰。其原理是通过在沥青混合料中添加低冰点填料，降低路面水的冰点。该填料在日常公路的使用过程中，会缓慢释放到路面。

沥青混合料路用性能的验证是目前低冰点路面的主要研究方向，但对低冰点材料的抗凝冰、抗冰黏、吸附、渗透和扩散机理的研究尚不深入，对其使用寿命的评价和预估也并不统一。本文研究了低冰点材料在不同级配类型混合料中的释放特性，讨论了影响其释放和扩散的因素，同时基于冰-路黏结特性讨论了低冰点沥青路面的使用寿命。

一、材料特性和试验方法

此次试验采用工程中常用的3mm～5mm、5mm～10mm和10mm～20mm的安山岩，0mm～3mm机制砂、石灰岩矿粉、70号基质沥青、市售低冰点填料作为原材料。其结果表明，试验所用的各项材料均符合有关规范要求。根据实际工程经验，试验采用常用的AC-13、SMA-13和OGFC-13混合料，选择规范推荐的级配中值，并确定最佳沥青用量。成型马歇尔试件后切割为厚度2cm的薄片，并测试低冰点材料的释放特性及其与冰层的界面黏结力。

释放特性试验是先把切割所得的薄片置于直径14cm、深度8cm的容器中，并倒入150ml蒸馏水，以两天为测试间隔，再测试各周期结束后溶液中有效成分的浓度。界面黏结力试验是先通过控制材料测试系统开展拉拔试验，再测试马歇尔试件与表面冰面之间的冰-路界面黏结力。

二、有效成分释放特性

本文在20℃、静水压力、低冰点填料掺量为3%的条件下，测试了各种类型低冰点混合料在各浸泡时长下所释放的低冰点有效成分的释放浓度，测量溶液中低冰点材料的单次浓度并计算其累积浓度。单次浓度为一次泡水循环中混合料释放的低冰点材料浓度，可表征其释放速率，而累积浓度为从泡水起至某一时间点时所有单次浓度的累加，可代表其释放总量。

试验结果表明，随着时间增加，累计释放浓度逐渐增加且增速随着时间延长而降低，单次浓度逐渐减小且降速随着时间延长而降低。随着时间进一步延长，累计释放浓度和单次浓度最终进入释放平台期，并保持稳定。

三、有效成分释放影响因素

由文献调研和前期试验观察可知，低冰点填料中有效成分的释放规律复杂，可能受多方面因素共同影响。考虑到混合料的成型过程和级配特性，本文主要把混合料的级配类型、低冰点填料掺量和浸泡时的环境温度作为主要影响因素，讨论各因素单独作用下低冰点材料的释放特点。

各类型混合料中，AC-13与SMA-13有效成分的释放速度十分接近。而OGFC-13前期有效成分的释放速度明显快于AC-13和SMA-13，后期释放速度则与前述二者接近。通过对比不同温度下AC-13中低冰点填料的释放过程发现，温度会影响多孔介质中分子扩散和对流传质运动从而影响释放速度。温度越低，低冰点材料的释放速度越慢，越高则越快。通过对比3%和6%两种低冰点填料掺量下AC-13中低冰点填料的释放过程发现，填料的掺量越大，浸泡溶液中的累积浓度越大。对于掺量为6%的实验组，累积浓度约为0.50mol/L，相反参量为3%的实验组累积浓度约为0.25mol/L，前者与后者的累计释放浓度比值约为2。

四、融雪抑冰功能的寿命评估

寿命评价方法包括两方面，一是确定寿命评价指标，二是根据确定的指标指定合理的评价标准。本文以冰-路界面黏结力恢复常规值时的单次浓度作为临界有效成分浓度，并以其作为评价标准，评价不同类型低冰点沥青混合料的使用寿命。

路面的冰分为降雪结冰和冻雨凝冰，前者是指车辆在行驶过程中碾轧积雪，导致其结冰并黏附在路面；后者是指降雨过程中自然下落的雨水入渗道路表面的纹理中，在低温环境下结成冰层并黏附在路面。尽管二者的成因有所差异，但最后形成的冰-路界面状态是近似的，因此选择冰-路界面黏结力作为低冰点沥青路面的寿命评价指标，可准确评估低冰点有效成分是否仍然能够起到抑制路面结冰的作用。控制填料掺量按一定间隔变化，选用两种不同浓度的低冰点填料，按照规范要求制备30cm×30cm×5cm的车辙板试件，对比融雪效果可以发现，其他条件一定时，低浓度填料所成型的车辙板的融雪能力弱于高浓度填料；对于同种填料而言，融雪能力随着有效成分的释放总量增加而增加，可见融雪抑冰能力取决于有效成分浓度，说明临界有效成分浓度作为评价标准是合理有效的。

首先，测试普通沥青混合料的黏结力，以各级配类型混合料的平均值作为其对应的参考值。随后，对不同类型的低冰点沥青混合料开展重复结冰和融化试验，测试结冰状态下的冰-路界面黏结力，并测试冰面融化中所含的低冰点有效物质浓度。随着重复次数增加，低冰点有效成分逐渐流失，低冰点混合料的冰-路界面黏结力逐渐增加，最后趋于与普通沥青混合料一致。该重合点即为低冰点混合料的寿命失效点。根据该点的有效成分浓度值，结合前文所述的有效成分释放特性，可计算出低冰点路面在经历多少次降雨后会失效，同时考虑降雨频率雨量大小统计数据，即可将低冰点路面寿命的单位转化为年，便于直观比较。由于黑龙江省哈尔滨市属于典型的北方冰雪地区，后续换算均按照该地区的气候条件。

不同级配类型低冰点混合料的界面黏附力均随着循环稳步上升，最后达到普通混合料所处的水平并保持稳定。低冰点AC-13试件的冰-路界面黏结力从最低值到与普通AC-13持平维持了9个冻融周期，根据有效成分释放特性估算需要浸泡试件为39天，统计降雨量和降雨频次可得低冰点AC-13的使用寿命为2.5年。同理，换算得到低冰点SMA-13的使用寿命为2.2年，低冰点OGFC-13的使用寿命为1.7年。可见，OGFC-13由于具备较大的孔隙率和丰富的连通孔隙，受水侵蚀显著，其融雪抑冰的使用寿命显著低于AC-13和SMA-13。而SMA-13尽管具有和AC-13近似的孔隙率与密实的内部结构，但其表面构造深度较大，与水的接触面积更大，因此其受水的侵蚀较AC-13更严重，融雪抑冰的使用寿命较AC-13要短。

五、结语

本文通过室内试验，研究了低冰点沥青混合料中低冰点材料的有效成分释放特性，得出释放速度先快后慢的特点；分析了有效成分的释放影响因素，发现孔隙率增加和温度升高会提高释放速度，填料掺量增加会提高累积浓度；评价了低冰点沥青混合料的使用寿命，得出低冰点AC13、SMA-13和OGFC-13的使用寿命分别约为2.5年、2.2年和1.7年。