王文峰，郭良倩，吳冬生，章榮福，韓　超，朱浩然

（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098；3.鎮(zhèn)江市五鳳口高架工程現(xiàn)場指揮部，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

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路面抗冰劑對瀝青混合料路用性能的影響分析

王文峰1，郭良倩2，吳冬生1，章榮福3，韓超1，朱浩然1

（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098；3.鎮(zhèn)江市五鳳口高架工程現(xiàn)場指揮部，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

摘要：抗冰型添加劑摻入瀝青混合料后可以明顯降低材料冰點(diǎn)，減少鋪裝表面結(jié)冰機(jī)率。文章選用2種典型抗冰添加劑，研究了不同應(yīng)用方式、不同摻量對密級配瀝青混合料的體積參數(shù)、路用性能的影響。結(jié)果表明，抗冰劑的加入對密級配瀝青混合料的骨架結(jié)構(gòu)和體積參數(shù)產(chǎn)生的影響不容忽視，抗冰凍混合料的高溫性能變化不大，但水穩(wěn)定性能和低溫性能有所下降，且隨著摻量增加，路用性能進(jìn)一步衰減，同時不同添加劑的緩釋效果相差較大。

關(guān)鍵詞：道路工程；抗冰凍添加劑；密級配混合料；路用性能

路面的抗滑性能是保證車輛安全行駛的關(guān)鍵因素，但在冬季，路面積雪結(jié)冰現(xiàn)象較為常見，尤其是初冬和殘冬季節(jié)，氣溫冷暖交替，路表非常容易有薄冰產(chǎn)生，導(dǎo)致車輛輪胎的附著系數(shù)大大降低，嚴(yán)重危害道路的通行能力和行車安全。傳統(tǒng)的抗冰凍技術(shù)主要包括機(jī)械和人工除冰雪、撒布融雪劑等被動型的除冰雪技術(shù)和熱力融冰雪技術(shù)，此類技術(shù)人力和物力消耗較大，成本較高。常用的融雪劑（氯化鈉、氯化鈣等）對車輛及道路設(shè)施有嚴(yán)重的腐蝕性，而且嚴(yán)重破壞周圍植被環(huán)境，降低路面使用壽命。20世紀(jì)60年代起，國外學(xué)者逐漸開始研究一種主動型抗冰凍技術(shù)，即緩釋型抗冰凍鋪裝技術(shù)。瑞士在進(jìn)行了大量的對比試驗(yàn)后首先研制出一種緩釋型抗冰劑——Verglimit，并將這種添加劑應(yīng)用到路面結(jié)構(gòu)中。20世紀(jì)70年代日本開始引入該種路面形式，并于20世紀(jì)90年代初期成功地進(jìn)行了創(chuàng)新性研究［1］，目前日本廣泛應(yīng)用的添加劑產(chǎn)品為Mafilon。我國對主動型抗冰凍技術(shù)的研究起步較晚，從2008年開始，長安大學(xué)、東南大學(xué)等相關(guān)院校陸續(xù)開展緩釋型抗冰凍技術(shù)研究［2-4］，并鋪筑添加抗冰劑的瀝青路面的試驗(yàn)路段。但是國內(nèi)學(xué)者對2種常用添加劑的添加方式及混合料配合比設(shè)計(jì)的研究不足，缺乏對添加緩釋型抗冰劑密級配混合料體積參數(shù)和路用性能的研究。鑒于此，本文針對2種緩釋型抗冰凍混合料制備方式及配合比設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)分析，討論Mafilon及Verglimit材料的添加對密級配混合料空隙率的影響，并對2種混合料的路用性能進(jìn)行對比，由此評價2種添加劑對密級配混合料的影響。

1　原材料及試驗(yàn)方法

1.1緩釋型抗冰劑的性能及作用機(jī)理

（1）Mafilon材料

Mafilon（簡稱MFL）材料為日本生產(chǎn)的抗路面凍結(jié)材料，其主要成分為NaCl，含量為55%，材料顏色為淺紅色，呈粉末狀，其技術(shù)性質(zhì)如表1所示。

表1　MFL的技術(shù)性質(zhì)

（2）Verglimit材料

Verglimit（簡稱VGT）為瑞士生產(chǎn)的抗冰凍材料，VGT材料具有較好的溫度穩(wěn)定性，可直接以外摻的方式加入到路面混合料中進(jìn)行拌和，其技術(shù)性質(zhì)如表2所示。

表2　Verglimit的物理性質(zhì)

（3）作用機(jī)理

緩釋型抗冰劑的主要成分為易溶鹽化物，由于瀝青路面結(jié)構(gòu)中集料與集料之間存在一定的空隙。當(dāng)外界環(huán)境降雨時，水分逐漸進(jìn)入混合料內(nèi)部，使得氯化鈉易溶鹽成分溶解。當(dāng)大氣的環(huán)境溫度、濕度與路表層和路面層深度發(fā)生差異時，路面受到壓縮、振動、磨損等各項(xiàng)因素影響，易溶鹽溶液從瀝青混合料內(nèi)部濃度較高的狹小空間逐漸向鹽分濃度較低的路面表面擴(kuò)散，從而降低道路表面水的冰點(diǎn)，延遲道路表面積雪結(jié)冰，使得與路表直接粘結(jié)的一部分冰雪融化，冰層與路表的黏結(jié)力大大降低，在車輛輪胎的帶動下，路表冰層直接脫離路面，達(dá)到了融冰雪效果。同時，輪胎的反復(fù)碾壓和流動的降雨或降雪加速了易溶鹽的濃度擴(kuò)散，從而加速了有效凍結(jié)抑制成分的散失。

1.2瀝青、集料及填料性能

試驗(yàn)所用瀝青采用自制的SBS改性瀝青，集料采用新疆出產(chǎn)的玄武巖石料，各材料的技術(shù)性質(zhì)如表3、表4所示。

表3　SBS改性瀝青技術(shù)性質(zhì)

表4　礦料的技術(shù)性質(zhì)

1.3試驗(yàn)方法

研究采用AC-16混合料作為面層鋪裝材料，根據(jù)2種添加劑的使用要求，首先采用馬歇爾法對普通瀝青混合料的基礎(chǔ)配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定最佳瀝青用量。

分別根據(jù)2種抗冰添加劑材料的添加要求，制備緩釋型抗冰凍混合料MMAM（MFL Modified Asphalt Mixtures）和VMAM（VGT Modified Asphalt Mixtures）。制備MMAM時采用體積置換法，用MFL替代部分或全部礦粉，并在此基礎(chǔ)上增加MFL的用量進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，分析不同的摻量對密級配混合料體積參數(shù)的影響。VMAM混合料的制備采用外摻的添加方式，根據(jù)用量要求，直接加入基礎(chǔ)混合料中，并對烘料溫度進(jìn)行調(diào)整，以提高混合料的混合均勻性。 然后按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）的要求進(jìn)行試驗(yàn)，對比分析3種瀝青混合料的高溫性能、低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性能等路用性能的差異，評價2種緩釋型抗凍結(jié)材料的適用性。

2　抗冰凍混合料設(shè)計(jì)方法分析

2.1MMAM的配合比設(shè)計(jì)

MFL是一種多孔結(jié)構(gòu)的材料，主要成分為氯化鈉。當(dāng)氯化鈉析出后，多孔材料的體積不變，從而避免有效成分析出造成的孔洞產(chǎn)生危害，并且MFL粒徑與礦粉類似，因此可以替代全部或部分礦粉添加到混合料中。

由于MFL材料的密度比礦粉小，等質(zhì)量替代礦粉會增加0.075 mm篩孔的通過率，從而增加拌和及攤鋪難度，因此試驗(yàn)在基礎(chǔ)配合比的基礎(chǔ)上，采用體積等效置換法取代全部礦粉。東南大學(xué)周健、趙永利［2］關(guān)于MFL混合料的研究中，MFL材料摻量為3.4%，本文在3.4%的基礎(chǔ)上將MFL摻量提高到5%，制備的抗冰凍密級配混合料MMAM級配設(shè)計(jì)如表5所示，MMAM最佳瀝青用量為4.6%。從級配組成可以看出，采用MFL替代一定的礦粉后，通過率變化不大，級配組成與普通混合料的級配相似。

表5　密級配混合料的級配組成

2.2VMAM的配合比設(shè)計(jì)

VGT材料的粒徑在0.1~5 mm，質(zhì)地較軟且具有緩釋性、吸濕性。根據(jù)廠商提供的添加方式，可直接外摻加入到普通密級配混合料中制備緩釋型抗冰凍混合料，VMAM的配合比設(shè)計(jì)在普通瀝青混合料基礎(chǔ)上進(jìn)行。

依據(jù)Verglimit供應(yīng)商的工程經(jīng)驗(yàn)，文中VGT材料摻量采用5.5%，VGT材料具有一定的吸油性且易粉碎，因此在制備VMAM的過程中，將瀝青及礦料的烘料溫度提高5~10 ℃，并對VGT的拌和時間和溫度進(jìn)行調(diào)整［5-6］。具體級配設(shè)計(jì)如表5中AC-16所示，采用馬歇爾法確定VMAM的最佳瀝青用量為4.6%。

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1馬歇爾試驗(yàn)

試件成型前，先將拌和均勻的瀝青混合料置于135 ℃烘箱中2 h，以模擬短期老化過程，試件采用馬歇爾擊實(shí)儀雙面各擊實(shí)75次成型。采用表干法測試計(jì)算瀝青混合料的空隙率，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

由表6可知，摻加緩釋型抗冰劑材料后密級配瀝青混合料的體積參數(shù)有所變化。以MFL替代AC-16的全部礦粉后，混合料的空隙率略減小，穩(wěn)定度增加，但隨著MFL材料摻量的增加，瀝青混合料的空隙率變化不大。外摻VGT材料后，密級配混合料的空隙率明顯增加，穩(wěn)定度變化不大，但流值增加。

表6　不同瀝青混合料的體積參數(shù)值

分析可知添加MFL材料后，經(jīng)壓實(shí)的瀝青混合料的空隙率變化不大，MFL材料對密級配混合料的結(jié)構(gòu)骨架幾乎沒有影響。而VGT材料粒徑較大且用量較多，會增加密級配混合料的壓實(shí)難度，明顯增大瀝青混合料的空隙率，干涉既有結(jié)構(gòu)的骨架特性，因此，在VMAM設(shè)計(jì)時須嚴(yán)格控制原混合料的空隙率。

3.2水穩(wěn)定性能

3.2.1常規(guī)水穩(wěn)定性能試驗(yàn)

本文依照《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的要求，采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)來檢驗(yàn)緩釋型抗冰凍瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，以殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比作為評價指標(biāo)。分別制備摻加MFL材料和VGT材料的密級配混合料的馬歇爾試件，進(jìn)行水穩(wěn)定性能驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1　浸水馬歇爾、凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

從圖1可以看出，添加MFL及VGT材料后，密級配混合料的水穩(wěn)定性能有所降低。以3.4%的MFL全部替代礦粉后，其殘留穩(wěn)定度下降11%，且隨著MFL摻量增加，殘留穩(wěn)定度下降越大，而凍融劈裂強(qiáng)度下降不明顯。摻入5.5%的VGT材料后，密級配混合料的殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度下降顯著，大大損害了混合料的抗水損害能力。為保證MMAM具備一定的抗凍性和水穩(wěn)定性，MFL摻量盡量控制在3%~5%，VGT摻量不宜超過5.5%。

有研究指出，空隙率與水穩(wěn)定性指標(biāo)之間存在顯著的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.98以上［7］。如前所述，添加VGT材料后，混合料的空隙率明顯增加，水分更容易滲透到混合料內(nèi)部，損害瀝青與集料的黏附性，從而影響瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。并且MFL和VGT材料具有緩釋性和吸濕性，在浸水環(huán)境下，其有效成分會逐漸析出形成溶液，混合料空隙率逐漸增大，內(nèi)部水分大大破壞瀝青與集料的黏附性，尤其在凍融環(huán)境下，顆粒較大的VGT材料與瀝青混合料收縮系數(shù)相差大，凍融循環(huán)下混合料內(nèi)部形成大量微裂縫［8］，較多的內(nèi)部水分的體積變化造成混合料體積膨脹變化，從而使集料容易松散脫落，抗水損害能力下降。

3.2.2非常規(guī)水穩(wěn)定性能試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證MMAM和VMAM的水穩(wěn)定性，分析緩釋型抗冰劑材料的析出能力對密級配混合料的影響。試驗(yàn)對2種混合料分別進(jìn)行了非常規(guī)的水穩(wěn)定性能試驗(yàn)，將制備的馬歇爾試件放置在60 ℃水浴中，浸泡24 h，檢測并計(jì)算試件的殘留穩(wěn)定度。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，摻加緩釋型抗冰劑材料的瀝青混合料在不同的浸水時間下，殘留穩(wěn)定度明顯下降且相差較大。隨著浸水時間的增加，MMAN（3.4%）混合料的穩(wěn)定度減小，并且MFL摻量越大，殘穩(wěn)定度下降越快；相比較而言，VMAM試件在較短時間內(nèi)浸水穩(wěn)定度變化不大。由此分析，MFL及VGT材料的有效成分會隨著外界濕度增大而析出，且與VGT材料相比，MFL早期析出較快，釋放程度不能有效控制，緩釋效果較差［9］。為了不影響完全析出后的水穩(wěn)定性能，MFL材料的用量需控制在一定的范圍內(nèi)。

圖2　不同的浸水時間的殘留穩(wěn)定度

3.3高溫性能

動穩(wěn)定度越高表示混合料的抗車轍能力越強(qiáng)，高溫穩(wěn)定性能越好。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)程，在60±1℃的溫度及0.7±0.05 MPa的荷載條件下對3種抗冰凍混合料成型車轍板試件進(jìn)行車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

由表7可知，添加緩釋型抗冰劑材料后的密級配混合料的動穩(wěn)定度與原普通瀝青混合料的動穩(wěn)定度相比變化不大。當(dāng)MFL摻量不大時（3.4%），MFL的加入減少了空隙率，有利于減少初期壓密車轍的發(fā)生，從而動穩(wěn)定度有所上升；當(dāng)MFL增加到一定量時（5.0%），空隙率進(jìn)一步減小，又會造成流動車轍的過早發(fā)生，因而MFL的摻量應(yīng)控制在合理范圍之內(nèi)，否則會造成高溫性能的損失。但總的來看，在合理摻量范圍之內(nèi)，2種抗凍劑對高溫性能的影響均不明顯。

表7　車轍試驗(yàn)結(jié)果

3.4低溫性能

緩釋型抗冰添加劑主要成分為氯鹽類物質(zhì)，由于鹽類物質(zhì)自身具有較強(qiáng)的吸水性，添加此類抗冰劑的瀝青混合料具有較強(qiáng)的遇水析出特性。因此在進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)時，水浴保溫會影響其低溫性能的評價，本文考慮采用空氣浴對小梁試件進(jìn)行降溫至-10 ℃，研究抗冰凍混合料的低溫性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3　低溫抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果

魏建國研究指出［10］，氯鹽類除雪劑顯著降低SBS改性瀝青的低溫延度。在濕冷條件下，MFL及VGT材料的主要有效成分NaCl和CaCl2等氯鹽物質(zhì)析出并形成溶液，改變材料的連續(xù)狀態(tài)，顯著降低了瀝青膠結(jié)料的低溫性能，其中MFL材料析出較快，低溫性能降低較大。同時抗冰劑與瀝青混合料具有不同的感溫收縮系數(shù)，當(dāng)溫度降低時，由于兩者的變形不同容易在接觸面上脫離剝落，形成微裂縫，從而降低瀝青混合料的低溫抗裂性能。

摻加緩釋型抗冰劑材料后，瀝青混合料的低溫抗裂性能有所降低，其中MFL材料由于吸水性強(qiáng)，析出較快，對瀝青混合料的低溫抗裂性能影響顯著，且隨著摻量的增加低溫性能越差，因此應(yīng)合理控制MFL的摻量。VGT材料由于變形系數(shù)不同，產(chǎn)生少量的微裂縫而使低溫性能有一定的衰減。

3.5抗冰凍性能

采用輪碾法分別制備MMAM（3.4%）和VMAM（5.5%）的車轍板試件各2塊，室溫下養(yǎng)護(hù)冷卻24 h后進(jìn)行試驗(yàn)。將試件同時放在保溫箱內(nèi)16 h，溫度控制為-5 ℃，試件加水結(jié)冰后的效果圖如圖4所示。

圖4　抗冰凍效果圖

結(jié)果表明，VMAM（5.5%）抗冰效果良好，MMAM （3.4%）抗冰效果稍差，部分結(jié)冰。

4　結(jié)論

（1）摻量較小時，MFL材料對密級配瀝青混合料的空隙率影響不大，但隨著MFL摻量的增加，密級配混合料的初始空隙率降低；而VGT材料會增大密級配混合料的空隙率，干涉既有結(jié)構(gòu)的骨架特性。

（2）添加MFL及VGT材料后，密級配混合料的水穩(wěn)定性能有所降低。隨著MFL摻量增加，殘留穩(wěn)定度下降速度增加；摻入5.5%的VGT材料后，密級配混合料的殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度均有所下降。

（3）由不同浸水時間的馬歇爾穩(wěn)定度對比可知，MFL材料及VGT材料的有效成分會隨著外界濕度增大而析出，且與VGT材料相比，MFL早期析出較快，緩釋效果較差。

（4）緩釋型抗冰劑MFL、VGT材料在摻量較小時，對密級配混合料的高溫性能影響不大，但隨著MFL材料摻量的增加，高溫穩(wěn)定性能下降。

（5）摻加緩釋型抗冰劑MFL、VGT材料后，瀝青混合料的低溫抗裂性能大大降低，且隨著MFL摻量的增加，其低溫性能越差。

（6）建議MFL抗凍劑的合理摻量為3.4%，可以采用內(nèi)摻法添加，部分替代礦粉；粒徑相對較大的VGT抗凍劑采用外摻法，并控制用量不大于5.5%。

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Effect Analysis of Anti-freezing Additive on Asphalt Pavement Performance

Wang Wenfeng1， Guo Liangqian2， Wu Dongsheng1， Zhang Rongfu3， Han Chao1， Zhu Haoran1
（1. JSTI Group， Nanjing 210017， China； 2. Hohai University， Nanjing 210098， China；3. Zhenjiang Wufengkou Elevated Engineering Field Headquarters， Zhenjiang 212000， China）

Abstract:The anti-freezing additives，being incorporating into asphalt mixture， can significantly reduce asphalt materials freezing point and pavement freezing probability. In this paper， two typical anti-freezing additives are selected and the influences additives application methods and contents on the volume parameter and road performance of dense-graded asphalt mixture are analyzed . The results show that the impacts of additives on skeletal structure and volume parameters can not ot be ignored， the high temperature performance of mixture with anti-freeing additive change a little， but the water stability and low temperature performance declined； and further declined with mixing amount increased. At the same time， release effects of different additives are quite different.

Key words:road engineering； anti-freezing additive； dense-graded mixture； pavement performance

中圖分類號：U419.92

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672–9889（2016）03–0009–05

收稿日期：（2015-08-17）

作者簡介：王文峰（1981-），男，黑龍江佳木斯人，工程師，主要從事新型道路材料研究工作。