朱浩然, 于明明, 溫肖博

(1. 蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112； 2. 新型道路材料國家工程實驗室，江蘇 南京 211112)

0 引 言

在冬季，路面(尤其橋面)的積雪與結(jié)冰給通行車輛帶來極大的安全隱患，輕則影響行車舒適性、降低通行效率，重則引發(fā)交通事故，給人民的生命財產(chǎn)造成極大損失[1]。目前對路面積雪結(jié)冰的處理，主要有外部除冰雪技術(shù)和內(nèi)部除冰雪技術(shù)兩大類。外部除冰雪技術(shù)可通過撒融雪劑、人工清除或機械清除等。內(nèi)部除冰雪技術(shù)包括熱力融冰雪技術(shù)、摻加鹽化物的緩釋型防冰雪技術(shù)和抑制凍結(jié)鋪裝技術(shù)。緩釋型防冰雪技術(shù)具有操作方便、對道路橋梁腐蝕性低、能達到多年路面防結(jié)冰、養(yǎng)護成本較低等優(yōu)點，已漸漸成為主流的融雪抑冰技術(shù)[2]。

2008年以來，我國引入的緩釋型防冰雪路面技術(shù)，主要有瑞士Verglimit和日本Mafilono。相關(guān)研究部門和機構(gòu)對緩釋型防冰雪路面的使用性能和防冰雪效果進行了探索[3-4]，并取得了一定成果。在防冰雪效果評價方面，F(xiàn). GIULIANI等[5]、A. MUTHUMANI等[6]利用圖像處理分析方法對瀝青混合料防冰效果進行了研究；T. G. BENJAJNIN等[7]、TIAN Miaomiao等[8]、LIU Zhuangzhuang等[9]采用電導(dǎo)率試驗評價靜態(tài)和加速溶出條件下的鹽釋放規(guī)律，從而評價防冰雪效果的長期性；LUO Sang等[10]通過室外雪融化觀察、海綿提升試驗和混合料-冰剪切強度試驗評價MFL混合料融雪性能和除冰效果；孫嶸蓉[11]采用路面裸露率分析法、黏結(jié)力測試、動水沖刷試驗研究蓄鹽混合料除冰雪性能及耐久性；蔣松利[12]設(shè)計了破冰試驗、防附著試驗、室內(nèi)融雪試驗等評價涂層的融冰雪性能和耐久性。

雖然國內(nèi)外研究人員開發(fā)了多種試驗方法對鹽化物融冰雪混合料的防冰雪效果進行研究，但尚沒有統(tǒng)一的試驗方法，測試評價方法也不夠完善(如缺乏定量的評價指標，深層位緩釋效果尚沒有有效地評價方法)，同時以往研究僅針對進口的Mafilon和Verglimit，尚沒有國產(chǎn)緩釋材料相關(guān)的報道。筆者借鑒相關(guān)研究成果的破冰試驗和鹽分溶析電導(dǎo)率試驗，創(chuàng)新性提出撕裂試驗和不同層位電導(dǎo)率試驗，形成全面評價防冰雪混合料的防冰雪效果的試驗方法；同時在國產(chǎn)緩釋型材料路用性能研究的基礎(chǔ)上，重點對國產(chǎn)緩釋型材料的防冰效果進行系統(tǒng)研究，并與進口緩釋型材料進行對比，優(yōu)選具有高性價比、持久融冰雪和抗冰凍效果的防冰雪材料。

1 材 料

1.1 瀝 青

采用SBS改性瀝青，其性能指標如表1。

表1 SBS改性瀝青性能指標 Table 1 Performance indexes of SBS modified asphalt

1.2 礦 料

玄武巖碎石的技術(shù)指標見表2；砂的表觀密度為2.634g/cm3；石灰?guī)r礦粉的技術(shù)指標見表3。

表2 碎石的技術(shù)指標 Table 2 Performance indexes of crushed stone

表3 礦粉性能指標 Table 3 Performance indexes of mineral filler

1.3 緩釋型防冰雪材料

筆者所研究的國產(chǎn)常州履信緩釋型防冰雪材料(簡稱“履信”)，是一種以氯化鈉和阻銹劑為芯材，以緩釋劑材料為包覆膜，包覆芯材形成的顆粒狀雙層復(fù)合材料，白色，粒徑為1～2 mm球狀顆粒，可降低路面冰點至-14 ℃，從而有效地抑制道路表面結(jié)冰。它具有冰點低、硬度高、熱穩(wěn)定性好和綠色環(huán)保等特點。同時，選擇瑞士進口的Verglimit進行對比試驗。Verglimit是采用氯化鈣與憎水性油脂混合反應(yīng)、經(jīng)化學(xué)濃縮工藝處理而得到的產(chǎn)品，可降低路面冰點到-20 ℃，從而有效地阻止和延緩路面結(jié)冰。國產(chǎn)“履信”和進口Verglimit物理性能指標如表4。

表4 緩釋型材料性能指標 Table 4 Performance indexes of sustained-release material

1.4 瀝青混合料配制

緩釋型防冰雪瀝青混合料主要用于瀝青路面的上面層，因此筆者選擇SMA-13瀝青混合料進行試驗。為避免緩釋型防冰雪材料破碎，先將集料、礦粉、瀝青充分的拌和均勻，在拌和終止前5～10 s再加入緩釋型防冰雪材料，摻量為礦料質(zhì)量的5.0%。從而得到“SMA-13-普通”(未摻)、摻緩釋型防冰雪材料的瀝青混合料——“SMA-13-履信”“SMA-13-Verglimit”。

2 “SMA-13-履信”路用性能試驗

根據(jù)JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》及工程經(jīng)驗，用馬歇爾方法確定“SMA-13-履信”的油石比Pa=6.2%，測試瀝青混合料的空隙率VV、馬歇爾穩(wěn)定度MS、殘留穩(wěn)定度MS0、劈裂強度比TSR、動穩(wěn)定度DS和低溫破壞應(yīng)變ε，試驗結(jié)果見表5。

表5 “SMA-13-履信”路用性能指標 Table 5 Road performance indexes of SMA-13-Lvxin

由表5看出，“SMA-13-履信”的各項路用性能指標均滿足要求，具有良好的綜合路用性能。

3 防冰效果評價試驗

緩釋型自融雪路面的防冰雪效果評價包括短期和長期兩部分，目前尚沒有標準的試驗評價方法。筆者參照破冰試驗[12]和鹽分溶析電導(dǎo)率試驗[13]，自主開發(fā)了撕裂試驗和不同層住電導(dǎo)率試驗，對比分析“履信”及Verglimit的防冰雪效果。

3.1 破冰試驗

破冰試驗可直觀、定性地評價進口和國產(chǎn)緩釋型材料的融冰雪效果[14]。試驗步驟如下：

1)用泡沫膠將“SMA-13-普通”“SMA-13-履信”及“SMA-13-Verglimit”試件四周圍成一個水槽，并用蠟密封，注入一定量的水；

2)將制作好的試件放在-5、-10 ℃高低溫箱內(nèi)冰凍24 h，使試件表面形成5 mm厚的冰層。

3)用鋼尺劃破冰層，觀察試件表面冰層的紋理及冰層與混合料的結(jié)合面產(chǎn)生水膜情況。

3.2 撕裂試驗

利用測力裝置，在-5、-10℃條件下，對冰層與瀝青混合料在低溫下凍結(jié)形成的結(jié)合力進行測量，定量評價緩釋型防冰雪混合料除冰效果。試驗步驟如下：

1)準備寬70 mm、長200 mm的布條若干。浸濕布條和試件表面，將布條平鋪在試件表面上，然后將各個試件放入-5、-10 ℃高低溫箱中，待溫度恒定后冷凍2 h，再用噴水壺向試件上噴水使水自然淌下為止。

2)冷凍24 h后，將瀝青混合料試件從高低溫箱拿出，迅速安放在測力裝置上，同時將布條的一端放入兩塊夾板之間，旋緊螺母。

3)開動試驗機，以50 mm/min的速度向上拉動，直到布條從試件上完全脫離開，記錄數(shù)據(jù)的最大值，如圖1。當一組測定值中某個數(shù)據(jù)與平均值之差大于標準差的k倍時(試件數(shù)目為3/4/5時，k分別為1.15/1.46/1.67)，該測定值應(yīng)予舍棄，并以其余測定值的平均值作為試件與冰的結(jié)合力。

圖1 撕裂測試Fig. 1 Tearing test

3.3 鹽分溶析電導(dǎo)率試驗

緩釋型防冰雪混合料中起到融雪效果的關(guān)鍵成分為氯化物，氯化物溶于水后產(chǎn)生氯離子，隨著時間的延長，氯化物析出增多，溶液中氯離子濃度增大，溶液導(dǎo)電性增強[13, 14]。因此，通過測試水溶液的電導(dǎo)率，判斷溶液中氯離子濃度的大小，可間接反映緩釋型防冰雪混合料試件中防冰雪劑的析出量，最終預(yù)估防冰雪混合料融冰雪效果的使用壽命。試驗步驟如下：

1)將“SMA-13-履信”“SMA-13-Verglimit”試件放入2 000 mL的大燒杯中，試件底部用墊塊墊起，加入800 mL蒸餾水。

2)開啟電導(dǎo)率儀，測定電導(dǎo)率記為K0，每隔24 h測定一次溶液的電導(dǎo)率，連續(xù)測量15天，如圖2。

圖2 鹽分融析電導(dǎo)率測試Fig. 2 Salt dissolution conductivity test

3.4 不同層位電導(dǎo)率試驗

筆者自行設(shè)計了不同層位的電導(dǎo)率試驗。試驗步驟如下：

1)采用密封溶析法，分別將“SMA-13-普通”“SMA-13-履信”“SMA-13-Verglimit”試件用密封材料(石蠟)封起來，只留一個表面，放入蒸餾水溶液中進行溶析，模擬路面實際工作狀態(tài)。

2)分別在浸泡10、20 d后，取出試件，將試件分層切割，切割厚度約1 cm。

3)將切割下的不同層位混合料放入800 mL蒸餾水中，浸泡24 h，然后測試溶液的電導(dǎo)率，如圖3。

圖3 不同層位的電導(dǎo)率測試Fig. 3 Conductivity test with different horizons

4 試驗結(jié)果分析

4.1 短期融冰性能評價

4.1.1 破冰試驗結(jié)果分析

-5、-10 ℃條件下，3種瀝青混合料試件表面和破冰試驗結(jié)果如圖4。

圖4 3種瀝青混合料破冰層試驗結(jié)果Fig. 4 Results of ice-breaking test of three asphalt mixtures

由圖4可知：

1)在相同的試驗條件下，試件的表面形成光滑致密的冰層，較薄的地方透明，可見路面黑色，冰層較為堅硬，用鋼尺很難劃破，說明冰層與試樣表面結(jié)合緊密。

2)“SMA-13-履信”試件，一方面，冰層并不像“SMA-13-普通”試件那般光滑致密，而是密密麻麻布滿了很多細小的紋理，冰層成冰渣狀；另一方面，相同的試驗條件下，冰層較“SMA-13-履信”試件容易清除得多，且-5、-10 ℃條件下，冰層與瀝青混合料間結(jié)合面均有明顯水膜，無結(jié)冰現(xiàn)象。說明“SMA-13-履信”可以有效地抑制路面結(jié)冰，有利于冰層的去除，具有良好的防冰雪效果。

3)“SMA-13-Verglimit”試件，在-5 ℃條件下未結(jié)冰；在-10 ℃條件下，試件冰層的紋理較“SMA-13-履信”試件更密。說明“SMA-13-Verglimit”的短期抗凝冰效果優(yōu)于“SMA-13-覆信”。

4.1.2 撕裂試驗結(jié)果分析

3種瀝青混合料撕裂試驗結(jié)果如表6。

表6 3種瀝青混合料撕裂試驗結(jié)果 Table 6 Tearing test results of three asphalt mixtures

從布條冰凍情況及表6可以看出：

1)-5 ℃時，在“SMA-13-普通”試件表面的浸濕布條結(jié)冰變硬，與冰層凍結(jié)成一個整體，很難將布條從試件表面分開，黏結(jié)力高達73.71 N；“SMA-13-履信”試件，雖然浸濕布條結(jié)冰，但與冰層的黏結(jié)力只有3.19 N，遠小于前者；“SMA-13-履信”表面有少量薄冰，布條未結(jié)冰，潮濕柔軟，防冰雪效果良好。

2)-10 ℃時，“SMA-13-履信”試件與冰層的黏結(jié)力較“SMA-13-普通”試件與冰層的黏結(jié)力降低60.4%，“SMA-13-Verglimit”與冰層的黏結(jié)力較“SMA-13-普通”試件降低75.1%。分析原因：緩釋型防冰雪混合料中鹽化物有效成分的析出導(dǎo)致表面冰點降低，破壞了布條與試件的黏結(jié)，使得布條與試件的黏結(jié)力降低。

綜合破冰試驗和撕裂試驗，-5、-10 ℃條件下，“SMA-13-履信”可以抑制路面結(jié)冰，具有明顯的短期防冰雪效果。3種瀝青混合料的防冰雪效果依次為：“SMA-13-Verglimit”>“SMA-13-履信”>“SMA-13-普通”。

4.2 長期防冰效果評價

4.2.1 析出速率分析

根據(jù)鹽分溶析電導(dǎo)率試驗繪制電導(dǎo)率K隨時間t的變化曲線，如圖5。

圖5 “SMA-13-Verglimit”“SMA-13-履信”電導(dǎo)率K與時間t的擬合曲線Fig. 5 Fitting curves of conductivity K and time t of SMA-13-Verglimit and SMA-13-Lvxin

由圖5可以看出，電導(dǎo)率K與時間t具有良好的線性關(guān)系：K=at+b。斜率a即電導(dǎo)率的變化率，在一定程度上代表了防冰雪劑析出速度，a越大，表示氯離子析出越快。

采用線性回歸方法對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，可得到電導(dǎo)率K與時間t呈線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均超過99%：

“SMA-13-Verglimit”：

K進口=0.939t+ 13.81 (R2=0.997)

(1)

“SMA-13-履信”：

K國產(chǎn)=0.625t+ 13.05 (R2=0.994)

(2)

由式(1)、式(2)可以看出，“SMA-13-Verglimit”電導(dǎo)率的變化率比“SMA-13-履信”的大。

4.2.2 防冰效果壽命預(yù)估

鹽化物溶液質(zhì)量濃度與電導(dǎo)率具有良好的線性相關(guān)性，電導(dǎo)率隨著溶液濃度增加而增大[13]。因此，根據(jù)鹽化物溶液濃度和電導(dǎo)率的標準曲線[13]可將電導(dǎo)率的變化率轉(zhuǎn)化為每天溶液鹽分濃度的變化n，按式(3)計算緩釋型防冰雪路面的使用壽命T(單位：a)，計算結(jié)果如表7：

(3)

式中：N為緩釋型防冰雪瀝青混合料防冰雪效果的有效天數(shù)，d；D為當?shù)氐哪昶骄邓鞌?shù)，d/a，可通過查詢當?shù)氐臍夂驐l件得出；m為每平方米路面防冰雪材料的質(zhì)量，g/(m2·d)，與瀝青路面厚度、混合料密度、防冰雪材料的摻量有關(guān)；Q為每天每平方米路面表面鹽分析出量，g/(m2·d)；h為防冰雪瀝青路面厚度，cm；ρ為防冰雪混合料密度，g/cm3；Pa為油石比，%；k為防冰雪材料摻量占礦料質(zhì)量的比值，%；c為防冰雪材料中易溶鹽含量，%；V為加入蒸餾水的體積，V=800 mL；ρw為蒸餾水的密度，ρw=1.0 g/cm3；n為每天溶液鹽分濃度變化，1/d；S為馬歇爾試件的表面積，m2。

表7 “SMA-13-Verglimit”及“SMA-13-履信”壽命預(yù)估 Table 7 Service life prediction of SMA-13-Verglimit and SMA-13-Lvxin

由表7可以看出，“SMA-13-Verglimit”發(fā)揮防冰雪效果的有效天數(shù)為248 d，“SMA-13-履信”為310 d。以江蘇鎮(zhèn)江市區(qū)為例，常年平均降水日數(shù)119 d，“SMA-13-Verglimit”防冰雪效果可持續(xù)2～3年，“SMA-13-履信”防冰雪效果可持續(xù)3～4 年。

4.3 深層位(路面深度3～4 cm)有效性

“SMA-13-Verglimit”及“SMA-13-履信”浸泡0、10、20 d后，不同層位的電導(dǎo)率試驗結(jié)果如表8。

表8 “SMA-13-Verglimit”及“SMA-13-履信”不同層位電導(dǎo)率 測試結(jié)果 Table 5 Conductivity of SMA-13-Verglimit and SMA-13-Lvxin at different depths ms/cm

從表8可以看出：“SMA-13-Verglimit”及“SMA-13-履信”未浸泡時，不同層位的電導(dǎo)率差別不大，在2.3 ～3.0 ms/cm之間；浸泡10 d和20 d時，浸泡相同時間，不同層位的電導(dǎo)率從下到上依次減小：1 cm層位 < 2 cm層位 < 3 cm層位；浸泡10 d較未浸泡，距頂面1、2 cm層位的電導(dǎo)率減小，距頂面3 cm層位的電導(dǎo)率增大。原因是：由于表面防冰雪材料中氯化物的析出，導(dǎo)致距頂面較近的1、2 cm層位的電導(dǎo)率減小，同時距離頂面3cm層位的防冰雪材料反應(yīng)活躍。浸泡20 d較浸泡10 d，距頂面1、2 cm層位的電導(dǎo)率有所增加，距頂面3 cm層位的電導(dǎo)率略有降低，說明隨著浸泡時間的延長，路面深度3～4 cm深層位的防冰雪材料可以向表層移動，驗證了路面深度3～4 cm深層位的防冰雪材料能持續(xù)從內(nèi)部遷移到路面表面發(fā)揮融冰雪的作用。

5 結(jié) 論

筆者對國產(chǎn)常州履信緩釋型防冰雪材料進行了防冰效果試驗研究，得到主要結(jié)論如下：

1)基于國產(chǎn)常州履信緩釋型材料的瀝青混合料路用性能試驗結(jié)果表明，摻加國產(chǎn)常州履信緩釋材料的瀝青混合料車轍動穩(wěn)定度DS、低溫彎曲破壞應(yīng)變ε、殘留穩(wěn)定度MS0和劈裂強度比TSR均滿足技術(shù)指標要求。

2)破冰和撕裂試驗表明：在短期融冰方面，-5、-10 ℃條件下，國產(chǎn)常州履信緩釋材料可以抑制路面結(jié)冰，融冰雪效果：“SMA-13-Verglimit”>“SMA-13-履信”>“SMA-13-普通”。

3)鹽分溶析電導(dǎo)率試驗結(jié)果表明：不同緩釋型材料的析出速率：進口緩釋型材料 > 國產(chǎn)緩釋型材料。通過析出速率預(yù)估不同緩釋型材料的使用壽命，進口防冰雪混合料發(fā)揮防冰雪效果的有效天數(shù)為248 d，國產(chǎn)防冰雪混合料防冰雪有效天數(shù)為310 d。

4)自行設(shè)計包括蠟封溶析、分層切割、蒸餾水浸泡的不同層位電導(dǎo)率試驗方法，以評價深層位緩釋型防冰雪瀝青混合料的有效性。試驗結(jié)果表明，隨著浸泡時間從10 d延長至20 d，距頂面1、2 cm層位的電導(dǎo)率有所增加，距頂面更深層位(3 cm)的電導(dǎo)率略有降低。驗證了路面深度3～4 cm深層位的防冰雪材料能持續(xù)從內(nèi)部遷移到路面表面，發(fā)揮融冰雪的作用。