查 偉,王昭勇,索 智

(1.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院,北京 100044;2.貴州省銅仁公路管理局,銅仁市 554300)

冬季路面結(jié)冰往往會(huì)引起交通事故頻發(fā)、高速公路部分路段封閉等一系列威脅人民群眾生命安全和影響交通運(yùn)輸行業(yè)平穩(wěn)有序運(yùn)行的嚴(yán)峻問題，加之2022北京冬奧會(huì)的臨近，如何快速融冰除冰以保證道路行車安全、運(yùn)輸順暢成為亟待解決的難題.

目前，我國道路融冰除冰還以人工法、機(jī)械法和撒鋪化學(xué)融雪劑等被動(dòng)方法為主.其中人工法效率低，難以做到快速恢復(fù)交通的作用；機(jī)械法效率較高，但是冰雪鏟除機(jī)等易造成路面橋面的損傷；而常用的幾類化學(xué)除雪劑，都以氯鹽類、醇類為主，雖然其成本較低、使用方便，能利用其中抑制凍結(jié)成分的析出，來降低冰點(diǎn)抑制結(jié)冰融化冰層，但是在冬季多次撒鋪往往會(huì)帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題，污染水源和土壤[1].各國研究人員針對(duì)該問題也研發(fā)了一些新技術(shù)，如在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部埋設(shè)傳熱管道或?qū)狍w，通過熱傳遞的方式使結(jié)冰融化的熱力除雪，但是由于其施工工藝復(fù)雜、能源消耗過大等問題，并未大規(guī)模展開實(shí)際的應(yīng)用[1-2].此外，通過添加功能性材料開發(fā)了主動(dòng)融冰除冰技術(shù)，如通過在混合料內(nèi)添加高彈性的橡膠顆粒替代填料的一部分，來改善混合料的變形特性進(jìn)而改變輪胎與路面之間的接觸狀態(tài)，利用橡膠變形能力較強(qiáng)的特點(diǎn)，通過路面在車輛荷載作用下產(chǎn)生自應(yīng)力，使路面結(jié)冰破碎，從而起到融冰除冰的自應(yīng)力彈性鋪裝除雪，但僅依靠自應(yīng)力，路面的融冰除冰效果不能滿足使用要求[3].部分研究人員也通過在路面材料中加入除雪材料，達(dá)到除冰的效果，如鄧爽對(duì)2種蓄鹽集料代替AC-13C型混合料中的細(xì)集料后混合料的路用性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)代替體積摻量為10%時(shí)，混合料路用性能最佳[4]；姜紹升等通過室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)比分了摻加融雪劑前后瀝青路面的凍結(jié)抑制效果，發(fā)現(xiàn)摻加融雪劑的瀝青路面具有一定的除冰效果，但在結(jié)冰較多時(shí)，其融冰除冰效果同普通路面差異不大[5].可見無論是被動(dòng)除冰技術(shù)，還是主動(dòng)除冰技術(shù)，都存在各自的缺陷，但主動(dòng)除冰技術(shù)因其環(huán)保節(jié)能、工藝簡(jiǎn)單，具有廣闊的前景.

在此基礎(chǔ)上，為了能快速、高效地清除路面上的結(jié)冰，本文通過結(jié)合蓄鹽類材料降低冰點(diǎn)抑冰融冰、彈性材料在荷載下產(chǎn)生自應(yīng)力除冰方面的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)出一種主動(dòng)型融冰除冰技術(shù)，即高彈蓄鹽瀝青混合料.鑒于橡膠顆粒和蓄鹽類材料均要替換掉混合料中的部分礦料，以SMA-13作為載體，通過分析摻配過程中馬歇爾穩(wěn)定度、混合料的路用性能等指標(biāo)，確定蓄鹽類材料和橡膠顆粒的最佳摻量，并對(duì)高彈蓄鹽瀝青混合料的融冰除冰能力進(jìn)行研究.

1 原材料及其技術(shù)性質(zhì)

1.1 瀝青結(jié)合料

研究中采用的瀝青為北京市政路橋建材集團(tuán)提供的SBS改性瀝青，相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)及檢測(cè)結(jié)果見表1[6].

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 粗細(xì)集料和礦粉

研究中使用的粗、細(xì)集料為北京市昌平區(qū)石料廠生產(chǎn)的；礦粉采用的是河北保定生產(chǎn)的石灰?guī)r礦粉.粗細(xì)集料、礦粉均滿足《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)等相關(guān)要求[7].

1.3 橡膠顆粒

研究采用10、40目橡膠顆粒2種，見圖1，相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及技術(shù)要求見表2.

表2 橡膠顆粒技術(shù)指標(biāo)

圖1 2種橡膠顆粒

1.4 蓄鹽填料

采用自制的以氯鹽為基本材料、硅酸鹽礦物為多孔載體、并摻配有機(jī)硅憎水劑的蓄鹽填料(圖2)，相關(guān)材料性能參數(shù)見表3.

圖2 蓄鹽填料

表3 蓄鹽填料技術(shù)指標(biāo)

2 橡膠顆粒及蓄鹽填料最佳摻量

2.1 橡膠顆粒最佳摻量

1)橡膠顆粒摻配方法.研究以SMA-13為基準(zhǔn)級(jí)配，采用等體積替代的方法進(jìn)行高彈蓄鹽瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，即用橡膠顆粒等體積替代某幾檔礦料，用自制的蓄鹽填料等體積代替礦粉.首先根據(jù)橡膠顆粒的篩分結(jié)果，由篩分比例對(duì)礦料進(jìn)行替換，10、40目橡膠顆粒篩分結(jié)果見表4.為了確定最佳的橡膠顆粒的摻量，根據(jù)相關(guān)研究結(jié)論[8]，橡膠顆粒摻量取0%、2%、3%、4%.

表4 10、40目橡膠顆粒篩分結(jié)果

m膠粉=M×a

(1)

m石料替換質(zhì)量=M×(V2-V1)

(2)

(3)

式中：a為替換橡膠顆粒占原混合料質(zhì)量比(%)；M為原混合料質(zhì)量(g)；ρ1、ρ2表示石料密度和膠粉密度(g·cm-1)；V2為替換集料占原混合料體積百分比(%)；V1為替換集料體積百分比(%).

2)橡膠最佳顆粒摻量.為了保證設(shè)計(jì)的合理性，本研究依據(jù)馬歇爾試驗(yàn)中的穩(wěn)定度、高溫穩(wěn)定性的對(duì)應(yīng)技術(shù)指標(biāo)動(dòng)穩(wěn)定次數(shù)，低溫抗裂性對(duì)應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)最大彎拉應(yīng)變，水穩(wěn)定性對(duì)應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)凍融劈裂強(qiáng)度比的最終試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)10、40目?jī)深愊鹉z顆粒的最佳摻量進(jìn)行確定，橡膠顆粒的替代摻量分別為0%、2%、3%、4%，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果如表5所示.其中，10目橡膠瀝青替代集料的SAM簡(jiǎn)稱為SMA-X,40目的簡(jiǎn)稱為SMA-C.

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)10、40目?jī)深惒牧虾拖鹉z顆粒的摻量進(jìn)行選擇.由表5可知，SMA-C的穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比結(jié)果均大于SMA-X測(cè)試結(jié)果，雖然最大彎拉應(yīng)變略低，但二者之間相差不大，表明 SMA-C的路用性能要優(yōu)于SMA-X.隨著橡膠顆粒摻量的增加，馬歇爾穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果隨之減少.以SMA-C為例，隨著橡膠替代量增加，穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別降低至8.1 kn、85.7%，但凍融劈裂強(qiáng)度比仍滿足≥80%的技術(shù)要求；動(dòng)穩(wěn)定度隨摻量增加而減少至9 295次/mm，但遠(yuǎn)高于規(guī)范中≥3 000次/mm的技術(shù)要求；最大彎拉應(yīng)變隨橡膠顆粒的摻量的增加也呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，在4%摻量時(shí)降低為3 063 με，但其最大彎拉應(yīng)變?nèi)詽M足≥3 000 με相關(guān)要求.綜上所述，選取40目橡膠顆粒的SMA-C進(jìn)行高彈蓄鹽瀝青混合料設(shè)計(jì)工作，由于隨著橡膠顆粒的摻量的增加，穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度、最大彎拉應(yīng)變和劈裂強(qiáng)度比均有所下降，在2%時(shí)得到的試驗(yàn)結(jié)果值最大，因此最終選擇橡膠顆粒的摻入量為2%.

表5 SMA-X和SAM-C馬歇爾及路用性能試驗(yàn)結(jié)果

2.2 蓄鹽填料最佳摻量

1)蓄鹽填料摻配方法.在上述工作的基礎(chǔ)上，選取橡膠顆粒摻量為2%的SMA-C作為本小節(jié)的基礎(chǔ)級(jí)配.其中蓄鹽填料仍采用等體積替代礦粉的方法，蓄鹽填料替代的摻量分別為0%、20%、40%、60%、80%、100%，按照式(4)、式(5)將蓄鹽材料對(duì)礦粉進(jìn)行等體積替換.

V替換礦粉的體積=V摻入蓄鹽體積

(4)

(5)

式中，ρ礦粉為礦粉的表觀密度；ρ蓄鹽為蓄鹽的表觀密度.

此外，考慮到蓄鹽填料的密度與礦粉的吸油能力會(huì)有一定的差異，因此需重新進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，以確定混合料的最佳瀝青用量.在此基礎(chǔ)上進(jìn)行高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水溫定性試驗(yàn)，根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)中所得穩(wěn)定度和路用性能中所得到的動(dòng)穩(wěn)定次數(shù)、最大彎拉應(yīng)變和凍融劈裂強(qiáng)度比，確定最佳的蓄鹽填料摻量.

2)蓄鹽最佳填料摻量.試驗(yàn)結(jié)果見表6，其中以SMA-CY表示最終所得的、以SMA為基礎(chǔ)級(jí)配的高彈蓄鹽瀝青混合料.

表6 SMA-CY的馬歇爾及路用性能試驗(yàn)結(jié)果

由表6試驗(yàn)結(jié)果，按照路用性能試驗(yàn)結(jié)果最大的原則對(duì)蓄鹽填料的最佳摻量進(jìn)行選取.從表6可知，隨著蓄鹽填料的量不斷增加，穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度、最大彎拉應(yīng)變都不同程度有所下降，其中在摻量為80%時(shí)，最大彎拉應(yīng)變低于3 000με已不能滿足低溫抗裂性能的要求；當(dāng)替換摻量達(dá)100%時(shí)，劈裂強(qiáng)度比已經(jīng)低于80%，不能滿足水穩(wěn)定性的要求.根據(jù)表6，當(dāng)摻量為40%時(shí)，穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定次數(shù)、最大彎拉應(yīng)變和劈裂強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果為所有摻量下最大.因此為獲得各項(xiàng)最佳的路用性能，選取40%蓄鹽填料作為最終等體積替代礦粉的摻量.

綜合各自路用性能的試驗(yàn)結(jié)果，得到了以SAM為基準(zhǔn)級(jí)配、以40目橡膠顆粒按照2%等體積代替的部分集料、以自主研發(fā)的蓄鹽填料按40%等體積替代石灰?guī)r礦粉的高彈蓄鹽瀝青混合料SMA-CY.

3 融冰除冰性能

最終形成的高彈型蓄鹽瀝青混合料SMA-CY的融冰除冰功能主要通過以下2個(gè)機(jī)理得以實(shí)現(xiàn)：①通過SMA-CY中自主研發(fā)的蓄鹽材料的鹽分析出，從而降低水結(jié)成冰的“冰點(diǎn)”達(dá)到阻礙冰的形成和融冰效果；②摻入一部分橡膠顆粒，通過加入彈性材料的混合料，在行車荷載下產(chǎn)生的自應(yīng)力從而達(dá)到一個(gè)破冰、除冰的效果.本研究分別通過混合料表面融冰試驗(yàn)和輪碾破冰試驗(yàn)對(duì)SMA-CY的融冰除冰能力進(jìn)行評(píng)價(jià)[9-10]，同時(shí)為了驗(yàn)證SMA-CY有更好的融冰除冰能力，設(shè)置SMA、僅添加40目橡膠顆粒的SMA-C和僅添加蓄鹽材料的SMA-Y作為對(duì)照組，進(jìn)行混合料表面融冰試驗(yàn)和輪碾破冰試驗(yàn).

3.1 混合料表面融冰試驗(yàn)

采用混合料表面融冰試驗(yàn)來評(píng)價(jià)混合料與冰粘結(jié)能力.該試驗(yàn)以混合料表面冰層剝落時(shí)間為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，用以評(píng)價(jià)混合料的融冰性能.該試驗(yàn)在成型的馬歇爾試件的一面進(jìn)行封水處理，之后將封水的一面朝上，擱置在-10 ℃的環(huán)境箱中冷凍直至形成冰層，冰層的厚度在4 mm左右，平面大小與馬歇爾試件尺寸大小相同.然后取出置于室內(nèi)正常的環(huán)境溫度下(該天室內(nèi)溫度為19 ℃)，記錄冰層從混合料表面脫落的時(shí)間.試驗(yàn)過程中，試件置于平板車上且冰層垂直于地面，以保證其能在自身重力下脫落，如圖3所示.開始時(shí)，冰層緊貼于試件表面，隨著時(shí)間的推移，由于室內(nèi)溫度高于正常結(jié)冰的溫度，SMA-CY和SMA-Y開始融化滴水，此時(shí)其余2個(gè)對(duì)照組無任何現(xiàn)象，在38 min時(shí)，SMA-CY表面冰層融化程度較高，并從試件表面掉落破碎，冰層厚度與最初厚度相比有所降低.此時(shí)SMA-Y冰面與混合料表面縫隙較大，其余對(duì)照試件表面冰層融化，但仍緊貼于試件表面.隨著時(shí)間延長(zhǎng)，各試件冰層融化加劇，與試件表面貼合度有所降低，最終在80 min時(shí)，冰層從試件表面全部脫落，脫落試驗(yàn)結(jié)果見表7.

圖3 混合料表面融冰試驗(yàn)

從表7試驗(yàn)結(jié)果可知，僅添加橡膠顆粒的SMA混合料脫冰時(shí)間與常規(guī)SMA相差不大，而添加蓄鹽填料的混合料脫冰效果明顯，較常規(guī)混合料脫冰時(shí)間縮短50%，究其原因與蓄鹽材料的鹽分析出有關(guān).可見蓄鹽填料的加入對(duì)于混合料融冰除冰效果顯著.

表7 混合料表面融冰試驗(yàn)結(jié)果 min

3.2 輪碾破冰試驗(yàn)

為了探究高彈蓄鹽瀝青混合料在實(shí)際車輛重復(fù)荷載下的融冰除冰效果，考慮與實(shí)際情況更為接近輪碾破冰試驗(yàn)對(duì)SMA-CY的融冰除冰能力進(jìn)行評(píng)價(jià).該試驗(yàn)首先成型車轍板試件，在成型的車轍板試件四周用凡士林和膩?zhàn)用芊猓砻娣馑?，將其置?10 ℃的冰箱冰凍，期間不斷補(bǔ)水，保證在其上可最終形成長(zhǎng)寬均為300 mm，厚度5 mm的冰層.在帶冰試件制作完成后，為防止冰層脫落，立即水平放入車轍儀中碾壓，參考融冰試驗(yàn)結(jié)果避免時(shí)間過長(zhǎng)冰層融化，選取碾壓時(shí)間為20 min，輪碾試驗(yàn)過程見圖4，其余試件保存在冰箱中防止冰層融化為排除室內(nèi)溫度的干擾，車轍試驗(yàn)儀底部擱置一些預(yù)先成型的冰塊以保持溫度，試驗(yàn)過程中觀察試件的破裂脫落情況，破裂情況可用破碎率來表征，見式(6)：

圖4 混合料輪碾破冰試驗(yàn)

(6)

式中，RC為車轍試件的破碎率(%)；C為開裂的總面積(cm2)；λ為將單根裂紋長(zhǎng)度換算成面積的影響系數(shù)，取0.3；L為單根裂紋總長(zhǎng)度(cm)；A為測(cè)試總面積(cm2).

在輪碾除冰實(shí)驗(yàn)過程中，隨著碾壓次數(shù)的不斷增加，冰層開始碎裂，在碾壓完成后，SMA-CY冰層破碎最為嚴(yán)重，并且從試件表面完全剝落，且在試件表面可觀察到一層水膜；SMA-Y的輪碾結(jié)束后也可觀察到水膜的形成，但其破碎程度低于SMA-CY,且冰層未完全剝落；SMA-C試件在輪碾結(jié)束后，冰層破碎較為嚴(yán)重，冰層部分脫落，但未在脫落后的試件表面發(fā)現(xiàn)水膜形成；SMA試件在輪碾結(jié)束后，冰層完整情況最好，僅出現(xiàn)少量裂縫和剝落，冰層仍整體附著在試件表面.通過對(duì)破碎冰層開裂面積、單根裂紋總長(zhǎng)度等值的測(cè)量，最終得到4種混合料在輪碾破碎試驗(yàn)中破碎率均值計(jì)算結(jié)果，如表8所示，其中冰層總面積為90 cm2.

表8 混合料輪碾破冰試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)過程中可看到，含有蓄鹽填料的混合料在輪碾試驗(yàn)結(jié)束后，在試件的表面會(huì)出現(xiàn)因冰層融化而形成的水膜，說明蓄鹽填料加快了冰層融化的過程；含有彈性橡膠顆粒的混合料破冰現(xiàn)象更加明顯，結(jié)合表8對(duì)破碎率計(jì)算結(jié)果，4類混合料中，高彈蓄鹽瀝青混合料SMA-CY的破碎率最高，破碎率均值達(dá)77%.其次為僅有蓄鹽填料的SMA-Y，為51%，僅有橡膠顆粒的SMA-C，為49%，僅有蓄鹽填料的和僅有橡膠顆粒的SMA混合料的破碎率差異不大.常規(guī)的SMA混合料破碎率最低，僅為10%，說明彈性橡膠顆粒加速了混合料的破冰過程，且高彈蓄鹽型瀝青混合料SMA-CY的融冰除冰效果最好，破碎率最大，但是其融冰除冰效果并非是高彈和蓄鹽2種除冰效果的簡(jiǎn)單疊加.

4 結(jié)論

以SMA為初始混合料，通過適量添加自主研發(fā)的蓄鹽填料和破碎的橡膠顆粒，最終完成了融冰除冰效果更優(yōu)的高彈蓄鹽瀝青混合料SMA-CY.

結(jié)論如下：

1)按照橡膠顆粒和蓄鹽填料等體積替代部分礦料和礦粉的方法，根據(jù)路用性能試驗(yàn)結(jié)果，最終確定橡膠顆粒的等體積替代集料的摻入量為2%，蓄鹽填料按等體積替換的礦粉的摻量為40%，此時(shí)SMA-CY的路用性能試驗(yàn)結(jié)果滿足相關(guān)技術(shù)要求且為不同摻量下混合料實(shí)驗(yàn)結(jié)果最大值.

2)混合料表面融冰試驗(yàn)結(jié)果表明，含有蓄鹽填料的瀝青混合料SMA-CY的融冰除冰能力較常規(guī)瀝青混合料和添加橡膠顆粒的瀝青混合料效果更好，其中高彈蓄鹽瀝青混合料效果最佳，脫冰時(shí)間為38 min，相對(duì)常規(guī)混合料脫冰時(shí)間縮短50%以上；混合料輪碾破冰試驗(yàn)結(jié)果表明，高彈蓄鹽瀝青混合料的冰層破碎率為77%，遠(yuǎn)高于其余對(duì)照組的試驗(yàn)結(jié)果，且其融冰除冰效果并非是高彈和蓄鹽2種融冰除冰效果的簡(jiǎn)單疊加.綜上，高彈蓄鹽瀝青混合料具有良好的融冰除冰能力，為冬季路面融冰除冰提供一種新方案.