抗凝冰填料瀝青混合料路用性能研究

吉玉梅，李耀業(yè)

（1.新疆路橋試驗(yàn)檢測研究所，新疆 烏魯木齊 831400；2.新疆交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司）

1 引言

路面冰凍是我國北方地區(qū)普遍存在的現(xiàn)象，尤其是在初冬或殘冬季節(jié)。該時(shí)期氣溫冷暖交替，路面表面的降雪在行車荷載作用下逐漸融化，在負(fù)溫作用下極易形成薄冰，且該現(xiàn)象具有出現(xiàn)頻率高、持續(xù)時(shí)間長、不易清除、使路面抗滑性下降、對交通影響嚴(yán)重、導(dǎo)致路面損傷等特征[1]。路面冰凍不但會嚴(yán)重影響交通運(yùn)輸效率，給人們的生產(chǎn)生活帶來不便，甚至可能會造成生命和財(cái)產(chǎn)的損失[2，3]。

冰凍現(xiàn)象發(fā)生后，為了盡快恢復(fù)交通，通常會采取一定的除冰雪措施。目前，較為常見的抑制路面凝冰處理技術(shù)有被動(dòng)抑制路面凝冰技術(shù)和主動(dòng)抑制路面凝冰技術(shù)兩大類[2]。被動(dòng)除冰雪措施主要采用人工、機(jī)械除雪方式進(jìn)行，傳統(tǒng)的除冰雪技術(shù)中人工除雪方式效率低，而機(jī)械除冰雪措施易對路面造成硬損傷，加速路面損傷松散細(xì)集料的剝落；主動(dòng)式融冰雪技術(shù)主要采用外能源熱力融冰雪和自能源融冰雪技術(shù)，自能源融冰雪技術(shù)主要是在混合料中添加橡膠顆粒、鹽化物和相變材料實(shí)現(xiàn)融雪功能[4-6]。

Mafilon抗凝冰材料是鹽化物系的一種，為粉末狀材料，具有與礦粉相似的級配，可以置換瀝青混合料中的部分或全部礦粉。置換量一般為5%-7%，文章通過Mafilon抗凝冰材料的使用，采取7%的礦粉置換量，研究抗凝冰材料瀝青混合料的路用性能，為除冰雪路面的研究提供參考。

2 作用機(jī)理

Mafilon抗凝冰材料為粉末狀物質(zhì)，其多孔結(jié)構(gòu)的火山巖包裹氯化物的多孔結(jié)構(gòu)具有使凝固點(diǎn)下降作用[7-9]。該材料替代礦粉后均勻分布在瀝青混合料中，由于瀝青混合料內(nèi)部濃度較高、空間狹小，在滲透壓和拉烏爾定律自然滲透下，鹽分逐漸向濃度較低的路面表面析出，并迅速溶于水中，使水的液相蒸汽壓下降，但冰的固態(tài)蒸汽壓不變。為達(dá)到冰水混合物的固液蒸汽壓的平衡，冰雪開始融化，從而防止和延緩冬季路面的冰凍。

3 原材料

3.1 瀝青

采用東海SBS（I-C）改性瀝青，基本性能指標(biāo)見表1。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 抗凝冰填料技術(shù)指標(biāo)

3.2 抗凝冰材料

Mafilon抗凝冰材料由山東生態(tài)新材料有限公司生產(chǎn)，其主要特征與礦粉相似，具有與礦粉粒度相似的級配，由于其短時(shí)間難融與水，密度試驗(yàn)采用李氏瓶排油法測定，其技術(shù)指標(biāo)見表2。

表3 混合料級配組成

4 配合比設(shè)計(jì)

4.1 級配設(shè)計(jì)

瀝青混合料級配結(jié)構(gòu)采用AC-13C型，混合料級配組成見表3。

表4 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表5 試驗(yàn)結(jié)果對比

4.2 最佳油石比確定

按照確定的集料級配，采用傳統(tǒng)馬歇爾設(shè)計(jì)法，根據(jù)瀝青混合料室內(nèi)拌和與擊實(shí)溫度規(guī)定，制備瀝青混合料，確定抗凝冰瀝青混合料的最佳油石比，最佳油石比結(jié)果見表4。

通過表4試驗(yàn)結(jié)果得出：最佳油石比確定在4.7%時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。根據(jù)表4未摻加抗凝冰材料的AC-13C密級配瀝青混凝土混合料最佳油石比，筆者將抗凝冰材料以瀝青混合料質(zhì)量的7%置換混合料中的礦粉進(jìn)行了馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5，并與未摻加抗凝冰材料瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。

由表5可知，未摻加抗凝冰材料與抗凝冰材料置換量為7%的瀝青混合料各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，且各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果相差不大，說明抗凝冰材料以瀝青混合料質(zhì)量的7%置換混合料中的礦粉對混合料體積參數(shù)影響較小。

表6 試驗(yàn)結(jié)果對比

5 路用性能研究

瀝青混合料是一種感溫性材料，高溫時(shí)表現(xiàn)為粘彈性狀態(tài)，低溫時(shí)為彈性玻璃體狀態(tài)，其性能受溫度影響較大，同時(shí)，路面長期在行車荷載作用下以及環(huán)境等因素影響下極易產(chǎn)生各種病害，因此抗凝冰瀝青混合料路面不僅要滿足抗凝冰要求還必須具備良好的路用性能。為研究抗凝冰填料置換礦粉對混合料性能的影響，本文通過試驗(yàn)對抗凝冰填料瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性及低溫抗裂性能進(jìn)行了綜合分析。

5.1 高溫穩(wěn)定性

通過車轍動(dòng)試驗(yàn)評價(jià)抗凝冰瀝青混合料高溫穩(wěn)定性，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E20-2011成型車轍板[10]，在60℃條件下保溫6h進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

從表6試驗(yàn)結(jié)果可以看出，瀝青混合料高溫性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，均不小于2800次/mm，具有較好的高溫性能；以7%瀝青混合料質(zhì)量置換礦粉后，瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度較未置換礦粉條件下結(jié)果下降14.9%，說明抗凝冰材料會對瀝青混合料高溫性能產(chǎn)生影響，分析其原因?yàn)榭鼓牧厦芏容^普通礦粉小，通過置換一定比例礦粉后瀝青混合料密度降低，空隙率增大，混合料動(dòng)穩(wěn)定度下降，車轍深度加深，混合料高溫抗車轍性能下降。

表7 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

圖1 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表8 瀝青混合料低溫性能指標(biāo)

5.2 水穩(wěn)定性

水損害為瀝青路面主要病害之一，嚴(yán)重危害路面使用性能。研究采用浸水馬歇爾試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)進(jìn)行抗凝冰瀝青混合料水穩(wěn)定性評價(jià)，按試驗(yàn)規(guī)程成型馬歇爾試件，在60℃分別保溫30min和48h進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，浸水馬歇爾試件結(jié)果如圖1所示；再成型2組馬歇爾試件，其中一組進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表9 冰點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

表10 融冰試驗(yàn)結(jié)果

由圖1和表7可以看出，馬歇爾殘留穩(wěn)定度在進(jìn)行礦粉置換后均出現(xiàn)下降。同時(shí)，進(jìn)行礦粉置換后凍融劈裂強(qiáng)度也有所降低，表明抗凝冰材料置換礦粉后混合料水穩(wěn)定性變差，但仍能滿足規(guī)范要求。

5.3 低溫抗裂性

通過低溫彎曲試驗(yàn)評價(jià)瀝青混合料低溫抗裂性能，按試驗(yàn)規(guī)程成型小梁減件進(jìn)行加載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

從表8試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，兩種瀝青混合料低溫性能指標(biāo)遠(yuǎn)大于規(guī)范值要求，瀝青混合料彎拉應(yīng)變相差不大，說明采用抗凝冰材料置換混合料中礦粉不影響瀝青與礦料粘結(jié)強(qiáng)度及瀝青混合料均勻性，瀝青混凝土具有較好的低溫抗變形能力。

圖2 雪層剝離

圖3 路面積雪融

5.4 除冰效果評價(jià)

①冰點(diǎn)試驗(yàn)。

按輪碾法成型車轍試件，切割尺寸為100mm×100mm×50mm試驗(yàn)用若干試塊備用；試驗(yàn)溫度設(shè)置為-5℃、-10℃、-15℃和-20℃四檔，每檔溫度需2個(gè)試塊進(jìn)行平行試驗(yàn)。冰點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果見表9。

從表9可知，添加7% Mafilon的冰層與試件粘結(jié)強(qiáng)度明顯低于未進(jìn)行置換的試件，在-20℃時(shí)粘結(jié)強(qiáng)度差值達(dá)到最大0.34MPa，除冰效果較好。

②融冰試驗(yàn)。

為了評價(jià)鹽化物融冰雪能力，采用一定質(zhì)量的冰塊與摻加融雪劑低溫養(yǎng)生馬歇爾試件在-5℃環(huán)境箱內(nèi)進(jìn)行融冰試驗(yàn)，以2h融冰率即冰塊質(zhì)量損失率作為評價(jià)指標(biāo)，即融冰率。試驗(yàn)結(jié)果見表10。

從表10試驗(yàn)結(jié)果可知：添加7%的Mafilon的試件融冰能力，質(zhì)量損失率達(dá)到23.8%，未置換的冰塊未融化，質(zhì)量未損失，表明添加Manon有助于更好地融冰。

③工程試驗(yàn)。

為觀察抗凝冰填料瀝青混合料融雪除冰效果，通過對試鋪路段的實(shí)際觀測來判別抗凝冰材料的抗凝冰性能，并結(jié)合氣候條件和冰雪狀態(tài)評價(jià)試驗(yàn)段的抗凝冰效果。

2018年11月22日，天氣多云，氣溫-10℃～-17℃，經(jīng)連續(xù)多日降雪，地面已被雪層覆蓋。本次觀測實(shí)地圖片如圖2、圖3所示。

由圖可看出，抗凝冰材料摻入瀝青混合料后使路面具備了抗凝冰功能，可在低溫下使雪層與路面發(fā)生剝離，并緩慢使冰雪融化。在該條件下，路面無附著冰面，使路面行駛操控性大幅提高，達(dá)到安全行駛條件。

6 結(jié)語

①抗凝冰材料（Mafilon）部分置換礦粉作為瀝青混合料的填料，其各項(xiàng)性能均能滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

②Mafilon置換瀝青混合料中的礦粉對瀝青混合料高溫性能、水穩(wěn)定性能具有一定影響，對低溫抗裂性能影響不大。

③從工程試驗(yàn)路面的除冰雪效果看，摻加了Mafilon的瀝青混凝土路面具有較好的除冰雪效果，抗凝冰材料的添加對瀝青混凝土路面融雪除冰具有的效果，但同時(shí)也對混合料其他性能產(chǎn)生一定程度的影響。建議結(jié)合材料特性，確定合理的評價(jià)周期、試驗(yàn)條件和評價(jià)方法近對混合料的耐久性進(jìn)行進(jìn)一步研究。