抗凝冰劑在市政橋梁瀝青面層中的應(yīng)用

史紅霞

中鐵十五局集團(tuán)城市建設(shè)工程有限公司 河南 洛陽 471000

1 引言

我國冬季潮濕多雨地區(qū)，路面極易形成凝冰而使其抗滑能力大幅度降低，既降低了道路的通行能力，容易產(chǎn)生惡性交通事故，又會(huì)對道路及其附屬構(gòu)造產(chǎn)生破壞，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成交通中斷、人們的生活和生產(chǎn)無法正常進(jìn)行，甚至危害人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全。針對冰雪路面處理技術(shù)的現(xiàn)狀，目前，國際上在融雪劑使用，反結(jié)冰技術(shù)，機(jī)械除雪配套技術(shù)工藝等方面，已經(jīng)基本形成了一套成熟的做法。我國在主動(dòng)除雪技術(shù)方面的研究尚未起步，在被動(dòng)除冰雪技術(shù)方面還缺乏具有指導(dǎo)意義的規(guī)范性成果。如：化學(xué)除雪劑的用量和撒布時(shí)機(jī)并不明確，反結(jié)冰技術(shù)的研究尚屬空白，除雪機(jī)械設(shè)備配套不到位等。

為了從長期被困擾的被動(dòng)除冰雪方法中解脫出來，尋找適合中國國情、易操作的主動(dòng)型防冰雪路面技術(shù)，同時(shí)也為了有效彌補(bǔ)現(xiàn)有主動(dòng)型防冰技術(shù)（自應(yīng)力彈性路面鋪裝技術(shù)、導(dǎo)電鋪面融冰雪技術(shù)、其它的鹽化物防冰雪材料等）由于資源浪費(fèi)、操作困難或適用范圍窄、壽命短等不足，國內(nèi)越來越多的企業(yè)針對新型抗凝冰改性劑在道路面層瀝青混凝土的應(yīng)用加以研究，填補(bǔ)主動(dòng)型防冰路面技術(shù)在中國研究應(yīng)用的空白[1]。

隨著洛陽市城市建設(shè)的快速發(fā)展，近幾年洛陽施工了大量的高架橋梁，在主要道路口設(shè)置樞紐型互通立交，橋梁上跨或者入地的時(shí)候往往出現(xiàn)縱坡大于3.5%的情況，相對洛陽地理緯度而言，冬季行車路面結(jié)冰對行車安全和道路行駛功能有重大影響，抗凝冰劑填量不同，對路面抗凝冰效果，融冰效果均不同，使用的地理位置、氣候條件不同效果也不盡相同，本工程作為洛陽市政工程添加抗凝冰劑試點(diǎn)。在抗凝冰效果、融雪、融冰效果、道路使用功能等方面進(jìn)行對比研究，為洛陽市市政工程大體量使用抗凝冰劑提供數(shù)據(jù)支撐。

2 工程概況

洛陽市東環(huán)路向北打通工程-唐寺門立交項(xiàng)目，項(xiàng)目位于洛河以北，在洛陽市瀍河區(qū)和洛龍區(qū)交匯處。項(xiàng)目合同金額14.5億元，合同工期360天，分為東環(huán)路與北環(huán)路（老G310）立交和東環(huán)路瀍澗大道立交2個(gè)單位工程。

東環(huán)路主線北起瀍澗大道北側(cè)（大楊樹村路口），上跨瀍澗大道，南接北環(huán)路（老310）立交，設(shè)計(jì)長度1.6km，紅線寬度54m；主線采用雙向六車道，其中橋梁長度721m，路基長度901m；地面輔道采用雙向四車道，長度1.6km。采用全互通式立體交叉，立交層數(shù)5層，設(shè)置匝道8條（A～H匝道），地面保留信號(hào)路口。

3 抗凝冰改性劑基本要求

根據(jù)設(shè)計(jì)單位要求，針對東環(huán)路主線及匝道縱坡在3.5%以上路段路面上面層瀝青混凝土中添加抗凝冰改性劑，有效降低路面冰點(diǎn)至-5℃，阻止結(jié)冰，適用范圍為：BHK0+510-HK0+600、BHK2+000-BHK2+150、AK0+140-AK0+300、BK0+120-BK0+105、CK0+190-CK0+430、DK0+145-DK0+910、EK0+100-EK0+190、FK0+065-FK0+645、HK0+175-HK0+540。

3.1 抗凝冰劑的機(jī)理分析

抗凝冰改性劑其有效成分為氯鹽（氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂等），主要原理是在毛細(xì)管壓力及車輛的碾壓作用下，混合料內(nèi)部的鹽分逐漸析出，從而降低了道路表面水的冰點(diǎn)，抑制表面積雪結(jié)冰。鹽類物質(zhì)還可使冰在較低的溫度下融化以便于清除。

對抗凝冰改性劑和基質(zhì)、乳化、SBS改性瀝青溶液分別進(jìn)行了離析試驗(yàn)，測試他們的相容性。結(jié)果顯示：其余三種瀝青溶液均勻、無結(jié)皮、沉淀和離析現(xiàn)象，相容性較好。

3.2 抗凝冰劑的基本組成

抗凝冰改性劑采用多元混合物優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證降低路面冰點(diǎn)的前提下，其主要成分包括緩釋劑、抗腐蝕劑、增強(qiáng)劑、氯化鈣、氯化鎂、氯化鈉。其主要作用有：

（1）鹽化物：可有效降低路面冰點(diǎn)到-20℃，阻止路面結(jié)冰，降低冬季路面養(yǎng)護(hù)成本。（2）緩釋劑：可有效減緩鹽化物的釋放，使其在路面使用年限內(nèi)能勻速地釋放，保障其使用的長期性。（3）抗腐蝕性：綠色環(huán)保，對道路周邊的植物、土壤、水源不會(huì)造成任何破壞。同時(shí)，還可有效保護(hù)橋梁等構(gòu)造物中的鋼筋受到腐蝕。（4）增強(qiáng)劑：有助于改性劑顆粒能承受較強(qiáng)的壓力，避免其在瀝青混合物拌和中被破壞[2]。

3.3 抗凝冰改性劑基本要求

（1）使用劑量一般為瀝青混合料的5%-6%；（2）密度為1.8g/ml；（3）顆粒度為0.1-3mm；（4）熔點(diǎn)為220℃；（5）溶液PH值為8-10；（6）硬度60N。

4 抗凝冰改性劑優(yōu)點(diǎn)

使用抗凝冰改性劑瀝青混合料的具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）有效降低路面冰點(diǎn)到-10℃，阻止路面結(jié)冰。具有永久性路面抗凝冰功效，降低冬季路面管理養(yǎng)護(hù)成本。（2）適合各類瀝青路面，按照最優(yōu)摻量添加抗凝冰劑不影響瀝青混合料的各項(xiàng)性能指標(biāo)，滿足現(xiàn)行瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范的要求。（3）綠色環(huán)保，對道路周邊的植被、土壤、水源不會(huì)造成任何破壞。同時(shí)有效保護(hù)橋梁，防止出現(xiàn)鋼筋腐蝕，用于對環(huán)保要求較高的道路環(huán)境。

5 抗凝冰改性劑摻量確定

在相同的外部環(huán)境下，抗凝冰改性劑的摻量將直接影響路面抗冰凝的效果[3]。以項(xiàng)目設(shè)計(jì)的橋面瀝青上面層AC-13C的級配中值作為礦料設(shè)計(jì)級配，并用馬歇爾設(shè)計(jì)方法確定最佳瀝青使用量（AC-13C瀝青混凝土配合比見表1），各原材料產(chǎn)地為：薊縣產(chǎn)石灰?guī)r粗、細(xì)集料及礦粉；瀝青為濱州70#A級石油瀝青。通過采用0%、4.8%、5.0%、5.2%四種不同的抗凝冰改性劑摻量，抗凝冰瀝青改性劑生產(chǎn)廠家為江蘇路俊新材料科技有限公司。用試驗(yàn)?zāi)M冬季路面凝冰過程，試驗(yàn)過程簡要：使用不同抗凝冰改性劑摻量的瀝青混合料制作馬歇爾試件，把四種不同試件作出明確標(biāo)識(shí)，試件上撒布水層以后，放入-5℃的低溫環(huán)境中進(jìn)行觀察，記錄不同時(shí)間不同摻量的馬歇爾試件結(jié)冰情況。由此來判斷不同摻量（0%、4.8%、5.0%、5.2%）的添加抗凝冰改性劑的瀝青混合料試件抗凝冰效果（不同摻量抗凝冰改性劑對于馬歇爾試件結(jié)冰情況影響表見表2）。

表1 AC-13C瀝青混凝土配合比

表2 不同摻量抗凝冰改性劑對于馬歇爾試件結(jié)冰情況影響表

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：不摻入抗凝冰改性劑時(shí)，在-5℃溫度下試件表面冰層附著牢固，外力作用下冰層仍與試件表面接觸緊密，難于分割；摻入抗凝冰改性劑時(shí)，在-5℃溫度下試件表面冰層無法與試件表面完美貼合，形成水膜，使得冰層與試件能夠輕易剝離。并且隨著摻量增加冰層分離效果相應(yīng)增加，在保障路用性能的前提下，摻量越大，除冰雪效果越好。按照等體積原則結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)效益確定最佳抗凝冰改性劑摻量為5.0%，本工程將按照此比例進(jìn)行添加來試驗(yàn)瀝青混合料的各項(xiàng)性能指標(biāo)，并對瀝青混凝土路面的構(gòu)造深度、滲水系數(shù)等相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。

6 摻入抗凝冰改性劑耐久性試驗(yàn)

抗凝冰改性劑中氯離子含量對于混合料的耐久性將產(chǎn)生影響，按照實(shí)際摻量5.0%為標(biāo)準(zhǔn)通過化學(xué)分析、動(dòng)態(tài)水模擬試驗(yàn)對瀝青混合料做出綜合評價(jià)，材料檢測結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

（1）離子濃度檢測結(jié)果見表3

表3 抗凝冰瀝青混合料試件浸泡檢測結(jié)果

（2） 動(dòng)態(tài)水模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別見表4

表4 抗冰凝改性劑殘余量分析

抗凝冰改性劑的摻入改變了瀝青混合料的毛體積密度、馬歇爾穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度等相關(guān)指標(biāo)，根據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》制作瀝青混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件并按照操作規(guī)程進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度、車轍等試驗(yàn)[4]，以JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》為判定依據(jù)，測定評價(jià)抗凝冰瀝青改性劑的各項(xiàng)指標(biāo)。試驗(yàn)檢測結(jié)果見表5。

表5 抗冰凝瀝青混合料試驗(yàn)檢測

7 摻抗凝冰改性劑瀝青混合料攪拌方式

抗凝冰改性劑采用干拌方式添加，在加入礦粉的同時(shí)將抗凝冰改性劑嚴(yán)格按照比例一次性投入拌和鍋中拌合5-15s，瀝青混合料拌和時(shí)間由試拌和確定，必須使所有集料顆粒全部裹覆瀝青結(jié)合料，并且能夠達(dá)到混合料均勻，工藝流程見圖1。瀝青混合料孔隙率控制在4-6%，同時(shí)瀝青含量適當(dāng)提高0.1%-0.3%，相應(yīng)減少0-0.3mm礦料用量，拌和機(jī)必須有二級除塵裝置。

圖1 抗凝冰瀝青混合料拌合工藝流程圖

8 摻抗凝冰改性劑瀝青混凝土施工要求

在鋪筑摻抗凝冰改性劑瀝青混凝土前，應(yīng)檢查下臥瀝青層的質(zhì)量，不符合要求的不得鋪筑瀝青面層。下臥層已被污染時(shí)，必須清洗或者采取局部銑刨處理完成后方可鋪筑瀝青混合料。

瀝青混合料的運(yùn)輸、攤鋪、碾壓溫度要嚴(yán)格按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中相關(guān)要求，根據(jù)施工現(xiàn)場攤鋪的室外溫度和瀝青混凝土種類，選擇不低于145℃的攤鋪溫度，開始碾壓的混合料內(nèi)部溫度不低于140℃，碾壓終了的表面溫度不低于90℃，開放交通的路標(biāo)溫度不高于50℃（瀝青混合料的施工溫度采用具有金屬探測針的插入式數(shù)顯溫度計(jì)測量，碾壓完成表面溫度可采用接觸式溫度計(jì)測量）。

9 摻抗凝冰改性劑瀝青混凝土路面現(xiàn)場檢測

瀝青混凝土路面試驗(yàn)檢測是很重要的工作，工程質(zhì)量的優(yōu)劣會(huì)受它的直接影響，摻入抗凝冰改性劑瀝青混凝土需要對滲水系數(shù)、抗滑值、平整度進(jìn)行檢測，確保瀝青路面的行車的安全性、舒適性及耐久性。對完成攤鋪的瀝青路面選取未摻抗凝冰改性劑瀝青混凝土（北環(huán)路主線DH7+680～DH7+830）與摻入摻量5.0%抗凝冰改性劑瀝青混凝土（東環(huán)路E匝道EK0+100-EK0+190）進(jìn)行抗滑性和滲水系數(shù)檢測。其中抗滑性用構(gòu)造深度（手工鋪砂法）檢測，滲水系數(shù)用瀝青路面滲水儀檢測，結(jié)果比對見表6。

表6 抗冰凝瀝青混凝土現(xiàn)場檢測

10 結(jié)論

抗凝冰劑摻量不同，將直接影響路面抗凝冰、融冰效果，本工程在洛陽地區(qū)首次使用抗凝冰劑到橋梁瀝青面層中，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定最佳的抗凝冰劑摻量。對于摻入抗凝冰改性劑瀝青混合料的毛體積密度，馬歇爾穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、耐久性等相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行檢測；對于壓實(shí)的瀝青混凝土路面進(jìn)抗滑性和滲水系數(shù)檢測；結(jié)果均符合規(guī)范要求。各項(xiàng)檢測數(shù)據(jù)通過本工程的應(yīng)用實(shí)施必將為洛陽市市政工程大體量使用抗凝冰劑提供依據(jù)和基礎(chǔ)。