不同除冰鹽類型對路面集料性能的影響研究

李慶賀

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

目前應(yīng)用最廣泛的除冰鹽是氯鹽類除冰鹽，環(huán)保型除冰鹽在逐漸推廣和應(yīng)用中。除冰鹽對冬季交通提供便利的同時，凍融循環(huán)作用下瀝青路面容易在除冰鹽的促進作用下出現(xiàn)路面裂紋和集料裸露等病害。據(jù)美國聯(lián)邦公路局的研究表明，除冰鹽會降低路面的抗滑性能[1]。瀝青路面主要由瀝青和石料組成，瀝青具有抗腐蝕性，除冰鹽對瀝青性能的影響相對較小。本文從除冰鹽對路面集料影響的角度出發(fā)，研究不同除冰鹽對瀝青路面集料的力學(xué)性能和黏附性的影響。

1 鹽凍的破壞機理

除冰鹽對集料的影響體現(xiàn)在3個方面，包括鹽溶液的結(jié)晶膨脹、鹽溶液的結(jié)冰凍脹、鹽溶液的腐蝕。

1.1 鹽溶液的結(jié)晶膨脹

除冰鹽以鹽溶液的形式進入瀝青路面后，在凍融循環(huán)中水分不斷揮發(fā)，鹽溶液失水后不斷析出，鹽漬顆粒物在瀝青混凝土縫隙內(nèi)不斷增大，在細(xì)微空間內(nèi)形成膨脹壓力。同時，由于鹽溶液的不斷揮發(fā)，溶液出現(xiàn)濃度差，在細(xì)微空隙內(nèi)形成滲透壓，滲透壓加速水分的遷移，在瀝青和集料表面不斷沖刷，引起瀝青的加速剝離，暴露出更多的集料表面。在膨脹壓力和滲透壓的協(xié)同作用下，瀝青混凝土以及集料的空隙在逐漸擴大，進而形成微裂紋。

1.2 鹽溶液的結(jié)冰凍脹

氣溫在冰點附近，瀝青混凝土被反復(fù)凍融。除冰鹽的鹽溶液滲入到混凝土的內(nèi)部空隙和裂縫中。在混凝土內(nèi)部，鹽溶液經(jīng)歷吸入、結(jié)冰膨脹、融化平衡的過程[2]。各個過程中鹽溶液的結(jié)冰凍脹和融化過程一直存在，在反復(fù)凍脹中，鹽溶液在混凝土內(nèi)不斷遷移，影響集料的力學(xué)性能，降低集料與瀝青的黏附性。

1.3 鹽溶液的腐蝕

鹽溶液對混凝土的腐蝕，包括兩點：第一是對瀝青的腐蝕，目前已經(jīng)被證實醋酸根對瀝青具有乳化作用，瀝青被乳化成絮狀物，易被水溶解到鹽溶液中[3]；第二是對瀝青與集料黏附性的腐蝕，集料易與氯鹽溶液的Na、K、Ca等離子發(fā)生反應(yīng)，降低集料表面的自由能，降低瀝青與集料的黏附性。

2 除冰鹽的類型

目前高速公路上采用的除冰鹽主要有兩種，一種是傳統(tǒng)的氯鹽類除冰鹽，一種是新興的環(huán)保型除冰鹽。氯鹽類除冰鹽主要為氯化鈉和氯化鈣，環(huán)保型除冰鹽主要為醋酸鉀。選用以上3種除冰鹽的分析純試劑進行試驗測試，由于低濃度鹽溶液對集料具有更大的腐蝕性[4]，且隨著鹽溶液中水分的不斷揮發(fā)，鹽溶液的濃度會不斷提高。結(jié)合3種除冰鹽的20℃溶解度，考慮到凍融循環(huán)鹽漬的析出，按照質(zhì)量比配置鹽溶液，除冰鹽的濃度統(tǒng)一為15%，除冰鹽的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 除冰鹽的技術(shù)指標(biāo)

3 除冰鹽對集料的影響

除冰鹽對集料的影響主要體現(xiàn)在集料經(jīng)腐蝕后壓碎值和磨光值的變化，在凍融環(huán)境下，鹽溶液降低集料的力學(xué)性能。

制備上述3種除冰鹽的鹽溶液，為了模擬除冰鹽對路表集料的凍融效果，采用9.5～13.2 mm的玄武巖石料進行凍融腐蝕試驗。將石料放入以上3種溶液中，在-18℃的環(huán)境下放置12 h，取出后在60℃烘箱中放置6 h，作為一個循環(huán)。如此反復(fù)進行5～10個循環(huán)。分別按照磨耗值和壓碎值的試驗方法測試集料物理性能的變化。

3.1 對集料磨耗值的影響

圖1是集料的磨耗值試驗結(jié)果。試驗前未做任何處理的集料的磨耗值為8.2。在凍融循環(huán)的環(huán)境下，水的凍融對集料的性能也是有影響的，隨著凍融次數(shù)的增多，對集料的影響逐漸提高，凍融15次，磨耗值為8.7%。幾種除冰鹽溶液中，考慮水的影響是一致的，對集料磨耗值影響最大的是醋酸鉀，5次凍融集料磨耗值為11.1%，其次為10.3%的氯化鈉和9.2%的氯化鈣。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，集料磨耗值在逐漸變大，但整體呈現(xiàn)逐漸減弱的態(tài)勢。主要是集料表面空隙和裂紋在初始的凍脹壓力和滲透壓力下，集料表面在逐漸破壞中又形成新的穩(wěn)定面。

圖1 不同除冰鹽的磨耗值

結(jié)合鹽凍的破壞機理可以看出，氯化鈉溶液的冰點在-10℃，氯化鈣溶液的冰點在-20℃，凍融環(huán)境為-18℃。在凍融循環(huán)中，氯化鈉溶液會出現(xiàn)結(jié)冰，體積變大，在集料的表面和孔隙中出現(xiàn)結(jié)冰的膨脹壓力，氯鹽的反復(fù)凍脹降低集料表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)，尤其是對細(xì)微裂紋具有加速破壞的作用。同時，集料浸泡在氯化鈉溶液中，溶液會進入到集料的表面和縫隙之中，鹽溶液在反復(fù)凍融之中鹽漬會不斷析出和溶解，鹽漬在逐漸變大的過程中對縫隙形成膨脹壓力，降低石料的力學(xué)性能。氯化鈣冰點較低，在凍融循環(huán)下不會出現(xiàn)冰凍的現(xiàn)象，而且氯化鈣本身具有吸潮的特性，干燥狀態(tài)下易吸水，鹽漬析出的問題較氯化鈉低，對集料表面和縫隙的膨脹壓力小，故而凍融狀態(tài)下集料磨耗損失值較小。

醋酸鉀溶液呈現(xiàn)弱堿性，集料浸泡其中，易發(fā)生堿集料反應(yīng)，造成單位體積內(nèi)集料變化，集料內(nèi)部應(yīng)力加大，抵抗外界沖擊能力降低[5]。在3種鹽溶液中，對集料的影響最大，磨耗值最大?？梢钥闯觯鳛榄h(huán)保型除冰鹽的醋酸鉀對水土的污染較少，但對集料性能的影響最大。

3.2 對集料壓碎值的影響

如前所述，醋酸鉀在浸泡中與集料發(fā)生堿集料反應(yīng)，造成集料內(nèi)部應(yīng)力的增加，集料抵抗外部沖擊的能力略有降低。在壓碎值試驗中，集料自身的壓碎值為11.1%，經(jīng)醋酸鈉溶液處理的集料壓碎值最多，5次循環(huán)后壓碎值為12.3%。兩種氯鹽溶液也符合之前的描述，氯化鈉溶液在凍脹和鹽漲的雙重壓力下，集料5次凍融循環(huán)壓碎值為11.7%，氯化鈣沒有鹽溶液的凍脹影響，壓碎值僅11.4%。

圖2 不同除冰鹽的壓碎值

隨著凍循環(huán)次數(shù)的增加，凍融循環(huán)對集料壓碎值的影響在逐漸增加，總體上表現(xiàn)出遞增的趨勢，但壓碎值變化量在逐漸降低。醋酸鉀在雙重壓力下?lián)p失量最多，凍融循環(huán)5次壓碎值為12.3%，10次為12.8%，15次為12.9%，壓碎值隨著凍融循環(huán)的進行在逐漸變大，但損失量在逐漸減少。在路面的實際應(yīng)用中，由于除冰鹽在撒布后鹽溶液處于飽和狀態(tài)，滲透壓更高，對集料的影響更為顯著。

3.3 對集料黏附性的影響

集料與瀝青的黏附性是瀝青混合料水穩(wěn)定性的重要影響因素。鹽溶液進入到集料后會附集到集料表面，影響瀝青與集料的黏附性。為了更顯著地考察集料經(jīng)過鹽溶液處理后與瀝青的黏附性，采用沸水試驗進行黏附性測試[6]：粗集料在鹽溶液中浸泡1 h后進行干燥處理，裹覆熱瀝青，將裹覆有瀝青的粗集料試樣放入沸水中蒸煮10 min，觀察集料表面瀝青的裹覆情況，評級見表2。

表2 不同除冰鹽處理后的黏附性等級

經(jīng)過沸水處理的試件表面瀝青剝離嚴(yán)重，表明鹽漬對集料的影響較大。其中，經(jīng)氯化鈉和氯化鈣處理的粗集料表面剝離較多，黏附性等級為3級；清水和醋酸鈉處理的粗集料表面出現(xiàn)小部分剝離，黏附性等級為4級。醋酸鈉為弱堿性，經(jīng)浸泡處理的粗集料表面相當(dāng)于被進行堿性加工處理，與瀝青內(nèi)的酸性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提高了集料與瀝青吸附效果，黏附性能級得以提高。比較來看，氯鹽對集料與瀝青黏附性的降低效果更嚴(yán)重。

4 結(jié)語

綜合來看，除冰鹽因?qū)系淖饔脵C理不同，對集料的影響具有較大差別。

a）在凍融循環(huán)下，以醋酸鉀為代表的環(huán)保型除冰鹽對集料的壓碎值和磨耗值影響最大，受到凍脹和鹽漲壓力的影響，氯化鈉次之，氯化鈣因其吸潮性和低冰點的特點對壓碎值和磨耗值的影響最小。

b）在與瀝青的黏附性上，由于醋酸鉀提高了集料表面與瀝青的吸附效果，其與瀝青的黏附性較氯鹽更高。