有機融雪劑對SBS改性瀝青混合料路用性能的影響

梁 紀，穆榮芳，嚴 釗，張旭景，張 倩

(1.陜西省高速公路建設集團公司，陜西 西安 710065； 2.西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055； 3.安徽省建設工程測試研究院有限責任公司，安徽 合肥 230051；4.陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室，陜西 西安 710055)

0 引 言

冬季冰雪嚴重影響道路交通運行，氯鹽融雪劑因冰點低、取材豐富和價格低廉等優(yōu)點，被廣泛應用于路面融雪化冰。但是大量地撒布氯鹽融雪劑會給道路材料、附屬結構及周圍環(huán)境帶來諸多負面影響。目前，融雪劑的腐蝕性研究已成為國內(nèi)外道路學者的重點課題。已有研究發(fā)現(xiàn)在凍融作用下，尿素腐蝕性高于氯鹽，甲酸和醋酸類新型融雪劑對瀝青混合料侵蝕作用較小[1]；氯鹽融雪劑會引起水泥和瀝青混凝土結晶破損[2-4]，降低瀝青低溫和抗老化性能[5-6]；氯鹽能滲入集料和瀝青接觸面，弱化面層混合料的路用性能[7]。

如今的融雪劑腐蝕研究主要集中于氯鹽融雪劑，較少涉及新型融雪劑的腐蝕情況和作用機理。隨著對氯鹽融雪劑腐蝕性和環(huán)境影響的認知，新型低腐蝕性有機融雪劑的研發(fā)和推廣已成為趨勢。為探究有機融雪劑對瀝青路面的作用機理，本文以自主研發(fā)的3種以醋酸鈣鎂為主、其他組分特征不同的有機融雪劑為主體，對比分析腐蝕前后瀝青混合料路用性能的變化，以期完善有機融雪劑腐蝕性的客觀評價和理論基礎。

1 原材料和試驗方案

1.1 原材料

原材料包括閃長巖粗、細集料，最大粒徑16 mm；石灰?guī)r礦粉；70#SBS改性瀝青，各項技術指標見表1。

表1 SBS改性瀝青的技術指標

混合料采用AC-13級配，見表2。依據(jù)馬歇爾設計法，確定SBS改性瀝青混合料的最佳油石比為4.6%。

表2 礦料級配組成

有機融雪劑分別為NA-cma(亞硝酸型融雪劑，全稱Nitrous Acid Calcium Magnesium Acetate)、BDS-cma(鹵水復鹽型融雪劑，全稱Brine Double Salt Calcium Magnesium Acetate)、GA-cma(甘醇型融雪劑，全稱Glycerin Alcohol Calcium Magnesium Acetate)，選用氯鹽融雪劑(NaCl)作對比，融雪劑各項技術指標見表3。

表3 融雪劑的主要技術指標

圖1 瀝青混合料路用性能試驗

1.2 試驗方案

分別采用車轍試驗、小梁彎曲試驗、凍融劈裂試驗和擺式摩擦儀試驗(圖1)研究融雪劑對瀝青混合料高低溫性能、水穩(wěn)定性和抗滑性能的影響。制備車轍和馬歇爾試件，各試件成型后浸入融雪劑溶液中，并設置清水浸泡對照組，測定混合料試件浸泡腐蝕前后路用性能的變化，具體試驗方案如下。

1.2.1 車轍試驗

車轍試件成型48 h后泡入20%融雪劑溶液和清水中，如圖1(a)所示，以浸泡6 d、干置1 d為一個周期，干濕循環(huán)28 d后進行車轍試驗。

1.2.2 小梁彎曲試驗

車轍試件成型48 h后，按照長(250±2)mm、寬(30±2)mm、高(35±2)mm的尺寸切制小梁試件，小梁試件在20%融雪劑溶液和清水中分別干濕循環(huán)浸泡28 d和56 d后，進行彎曲試驗，如圖1(b)所示，試驗溫度為(-10±0.5)℃。

1.2.3 凍融劈裂試驗

試驗采用增加濃度的凍融循環(huán)方法，在除雪過程中多次撒布融冰雪劑，使路面殘留融雪劑濃度增大。第1次凍融循環(huán)：馬歇爾試件在10%濃度融冰雪劑溶液或自來水中飽水120 h、(-18±2)℃的恒溫冰柜中保溫16 h、60 ℃水浴8 h，如圖1(c)所示。在凍融循環(huán)試驗中，60 ℃水浴前稱取一定量融雪劑固體加入溶液，使?jié)舛仍黾?%，確保5次凍融循環(huán)后融雪劑溶液濃度為15%。測定1次和5次凍融循環(huán)后的試件劈裂強度，試驗溫度為(25±0.5)℃。

1.2.4 擺式摩擦儀試驗

在車轍試驗中干濕循環(huán)浸泡28 d后的車轍板上進行抗滑測試，如圖1(d)所示。

2 融雪劑對混合料路用性能的影響

2.1 高溫穩(wěn)定性

瀝青路面作為典型的柔性結構，在高溫下表現(xiàn)出黏彈性，在車輛荷載的重復作用下，容易產(chǎn)生車轍、擁包、推移、泛油等病害[8]。因此，研究融雪劑對瀝青混合料高溫抗車轍性能的影響具有重要意義。在不同融雪劑溶液中干濕循環(huán)浸泡28 d后的車轍試驗結果如圖2所示。

圖2 浸泡后車轍試件的動穩(wěn)定度

除去清水浸泡的影響，氯鹽和BDS-cma溶液浸泡后車轍試件的動穩(wěn)定度分別增大4.20%和3.28%，NA-cma和GA-cma浸泡后試件的動穩(wěn)定度分別降低3.26%和4.77%。原因是BDS-cma中含有與氯鹽類似的低分子無機鹽，該鹽離子會逐漸滲入瀝青混合料中，提高瀝青結合料軟化點。NA-cma和GA-cma中的有機組分與瀝青極性相似溶解，造成混合料穩(wěn)定度降低。

2.2 低溫穩(wěn)定性

瀝青混合料的低溫抗裂性能是路用性能的一項重要技術指標，低溫開裂是路面出現(xiàn)裂縫的重要原因[9]。本研究利用小梁低溫彎曲試驗分析融雪劑對瀝青混合料低溫穩(wěn)定性的影響。

由圖3可知，隨著干濕循環(huán)浸泡時間增加，小梁試件的抗彎拉強度逐漸降低。試件在清水、氯鹽、NA-cma、BDS-cma和GA-cma溶液中浸泡56 d后，抗彎拉強度分別降低4.71%、10.59%、0.33%、5.33%和6.20%。

圖3 小梁彎曲試驗結果

干濕循環(huán)浸泡后，瀝青混合料的低溫性能均有所降低，其中以氯鹽融雪劑的腐蝕性最為顯著。究其原因，一方面是氯鹽與瀝青作用，降低了瀝青膠漿的低溫變形能力；另一方面，氯鹽離子滲入小梁試件孔隙中，離子結晶降低了瀝青混合料的整體黏附性。NA-cma、BDS-cma和GA-cma為有機融雪劑，可與瀝青混合料發(fā)生乳化作用，使其低溫抗彎拉強度降低，但影響比氯鹽融雪劑小。

2.3 水穩(wěn)定性

本文通過凍融劈裂試驗，研究不同融冰雪劑對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響[10-11]。

由表4可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，馬歇爾試件空隙率增大，混合料黏結力開始下降，瀝青從集料表面脫落，力學性能上表現(xiàn)為劈裂強度和凍融劈裂強度比均降低。融雪劑溶液冰點較低，凍融循環(huán)過程中結冰凍脹作用較弱，因此經(jīng)清水凍融循環(huán)后劈裂強度變化最大。除了水的物理凍脹作用之外，氯鹽融雪劑溶液中的離子會破壞瀝青與集料的黏結，因此它對混合料水穩(wěn)定性的降低效應比3種有機融雪劑更顯著。

表4 凍融劈裂強度試驗結果

2.4 抗滑性能

按照路面擺式摩擦系數(shù)的試驗方法，在室溫下對干濕浸泡28 d后的車轍板進行抗滑性能測試。

干濕浸泡后，瀝青混合料抗滑摩擦系數(shù)存在輕微波動，與清水浸泡后車轍板的抗滑值相比，NA-cma和GA-cma溶液浸泡后混合料擺式摩擦系數(shù)略有降低，BDS-cma浸泡后抗滑值基本不變，氯鹽融雪劑可輕微提高瀝青混合料的抗滑值。

NA-cma、BDS-cma和GA-cma溶液中的有機組分具有較大表面張力，親油，易置換集料表面的瀝青，導致瀝青與集料黏附性降低，瀝青混合料黏滯摩擦力減小。氯鹽離子作為微凸體附著于瀝青混合料表面，會增強摩擦、切削作用。BDS-cma溶液中含有有機組分和無機鹽離子，二者作用互相抵消。

3 結 語

以3種有機融雪劑NA-cma、BDS-cma和GA-cma腐蝕后的SBS改性瀝青混合料AC-13為研究對象，選取氯鹽融雪劑作對比，在干濕浸泡、凍融循環(huán)后進行車轍、彎曲、劈裂和抗滑試驗，分析有機融雪劑對其路用性能的影響，得到以下結論。

(1)有機融雪劑中因含有親油性有機組分，對SBS改性瀝青混合料的影響機理主要是相似相溶和乳化作用，而氯鹽融雪劑的腐蝕主要以離子侵蝕為主。

(2)融雪劑通過孔隙進入瀝青混合料內(nèi)部，發(fā)生乳化、溶解和離子結晶作用，均會降低瀝青膠結料與集料之間的黏附性，建議實際工程中嚴格控制瀝青混合料的空隙率。

(3)與氯鹽融雪劑相比，NA-cma、BDS-cma和GA-cma三種有機融雪劑對瀝青混合料路用性能的影響較小，且冰點較低，可以在實際工程中推廣使用；高溫地區(qū)推薦使用BDS-cma。