朱 燁 陳寶敏 沈菊男

(蘇州科技大學(xué)道路工程研究中心，江蘇 蘇州 215011)

噴灑融雪劑是各大城市和高速公路用來有效清除積雪的手段之一[1]。但是融雪劑會影響瀝青路面的使用壽命，同時污染土壤、腐蝕基礎(chǔ)設(shè)施、排水系統(tǒng)等[2]。因此研究融雪劑對路面和環(huán)境的破壞是非常重要的。融雪劑通過降低冰點來防止結(jié)冰或加速冰雪融化[3]，可以分為有機和無機，有機類以醋酸鉀(CH3COOK)為主，無機類以氯鹽為主，現(xiàn)也有將有機與無機融雪劑復(fù)配使用的融雪劑。

除了使用三大指標(biāo)來研究融雪劑對瀝青的宏觀性能影響之外，還可以使用紅外光譜、掃描電鏡等微觀方法來分析瀝青微觀形貌的變化。在融雪劑對瀝青的影響基礎(chǔ)上，研究融雪劑對瀝青混合料各方面性能的影響尤為重要。除了使用常規(guī)方法來研究瀝青混合料的性能，還可以通過建模的方法來模擬和預(yù)測瀝青和瀝青混合料與融雪劑發(fā)生的作用，并預(yù)測影響結(jié)果，為實際試驗和生產(chǎn)提供參考。

1 國內(nèi)外研究進展

1.1 國內(nèi)研究進展

國內(nèi)學(xué)者初期先針對融雪劑對混凝土的影響展開研究。2006年，楊全兵[4]研究了氯化鈉(NaCl)、氯化鈣(CaCl2)、硫酸鈉(NaSO4)、尿素(CO(NH2)2)、海水以及三種不同廠家的融雪劑對水泥混凝土的鹽凍破壞，認為只要是能除冰的化學(xué)物質(zhì)，都會引起水泥混凝土嚴重的鹽凍剝蝕破壞。趙瑩瑩[5]研究了氯鹽融雪劑的影響，經(jīng)過凍融，氯鹽融雪劑對水泥混凝土路面的影響非常顯著，同時對建筑、植物、水體等都會產(chǎn)生影響。

隨著瀝青路面的發(fā)展和普遍，融雪劑對瀝青及瀝青混合料的影響方式和機理研究越來越重要。2010年，傅廣文[6]研究了瀝青宏觀、微觀以及老化后的性能，發(fā)現(xiàn)融雪劑提高了基質(zhì)瀝青的針入度指數(shù)和軟化點,降低了延度和抗老化性能,但是基質(zhì)瀝青分子結(jié)構(gòu)從紅外光譜來看沒有明顯變化；SBS改性瀝青的各項性能均降低,而質(zhì)量損失和熱穩(wěn)定性變化不大。

2012年，彭子馨等[7]用去離子水配置了醋酸鈉(CH3COONa)溶液并將瀝青置于溶液中攪拌處理后用光學(xué)顯微鏡觀察瀝青懸浮物狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)醋酸基融雪劑對瀝青有乳化作用，這是醋酸陰離子作用導(dǎo)致的，乳化作用會隨溶液的濃度和系統(tǒng)溫度的變化而變化。馮超[8]在制作試樣的時候?qū)r青使用了靜態(tài)腐蝕和動態(tài)腐蝕兩種方式，還研究了瀝青混合料靜載或無荷載條件下以及動載和動水沖刷下的各方面性能，并提出通過添加消石灰等無機結(jié)合料可以增強瀝青路面抵抗融雪劑的腐蝕能力。此外，吳澤媚等[9]采用掃描電鏡(SEM)觀察到瀝青混合料的內(nèi)部產(chǎn)物和形貌,如圖1所示，可以看到有白色顆粒即氯化鈉晶體留在瀝青表面，這是由于氯化鈉溶液通過孔隙進入混合料內(nèi)部并結(jié)晶，降低了集料與瀝青的粘附性。

2013年，王明和陳華鑫[10]研究發(fā)現(xiàn)CaCl2的吸水性會將少量水分帶入瀝青內(nèi)部，形成有水的孔洞，又因NaCl溶液促進試件劈裂強度的衰減作用，而CH3COONa溶液的影響最小，甚至使劈裂強度略微增加，因此認為CH3COONa等有機融雪劑性能更佳。

賈恩澤[11]研究了不同濃度的氯鹽溶液對瀝青混合料的侵蝕，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)的周期越長，粘結(jié)力越差。但氯鹽濃度越大，對粘結(jié)力的影響減小，這是因為溶液濃度低時冰點低，產(chǎn)生的膨脹力大，對集料的粘結(jié)影響力則大。李根森[12]自行設(shè)計了模擬瀝青混合料的勞損試驗并使用image J軟件對一些習(xí)慣指標(biāo)進行量化分析，綜合得出融雪劑的影響會使瀝青路面的耐久性大大降低。

由于融雪劑不僅會對瀝青路面產(chǎn)生負面影響，而且會破壞生態(tài)環(huán)境和建筑設(shè)施，大量學(xué)者開始研究自融雪路面和環(huán)保型融雪劑。2010年，重慶交通大學(xué)的崔龍錫[13]已經(jīng)開始研究蓄鹽類瀝青混合料，不僅證實了鹽化物的可釋性，還設(shè)計了滿足路用性能和施工性能的瀝青混合料配合比。郭志東通過摻加氯化鈣融雪劑和聚酯纖維研究了自融雪纖維瀝青路面，路用性能滿足公路技術(shù)標(biāo)準要求并具有良好的融雪功效。李鵬[14]研究了醋酸基的自制液態(tài)噴灑型融雪劑，對混合料性能和環(huán)境影響較小，并具有生物可降解作用，體現(xiàn)出良好的環(huán)保效益。

1.2 國外研究進展

國外至今為止使用最多的融雪劑依舊是氯化鈉(NaCl)，使用量最多的美國達到了1 700萬t之多[15]。1997年，國外就有關(guān)于除冰鹽對瀝青混凝土路面的影響研究[16]。P Starck等[17]認為融雪劑有增塑作用，使用融雪劑這種化學(xué)處理方法可能會使瀝青變硬。一方面是融雪劑影響后的瀝青軟化點升高了，另外，用剪切應(yīng)力流變儀測量的振蕩流動也表明，浸泡在融雪劑溶液中后，瀝青的粘度顯著增加。Pan等[18]證明了氯鹽能直接影響瀝青路面的完整性，可進入瀝青與集料的接觸面，并引起瀝青乳化。

2013年，Le Wang等[19]對三種不同應(yīng)力下鹽凍瀝青砂漿進行單軸壓縮蠕變試驗，從應(yīng)力和應(yīng)變的比率得出剛度模量曲線。隨著鹽濃度的增加，瀝青砂漿的剛度模量顯著降低。同時，Y Hassan[20]研究認為所有融雪劑對骨料造成最大損害的濃度都在1%～2%的范圍內(nèi)，且石英巖骨料比石灰石受到的損害更大。因此考慮使用更環(huán)保的融雪劑，比如醋酸鉀和甲酸鈉的影響就相對較小。

為了指導(dǎo)制備防冰劑改進的方向，Xianming Shi等[21]使用實驗室數(shù)據(jù)建立預(yù)測模型評估20種混合氯化物防冰配方并計算防冰復(fù)合指數(shù)，然后構(gòu)建響應(yīng)表面以說明這種預(yù)測的相關(guān)性。針對不同用戶優(yōu)先級情景預(yù)測的抗冰復(fù)合指數(shù)見圖2，成本優(yōu)先情況下的最優(yōu)抗冰劑具有較低的抑制濃度，而效果優(yōu)先的情況下抑制濃度較高。Mulian Zheng等[22]為了評估防冰瀝青路面的長期防冰性能，通過浸泡溶解試驗獲得鹽溶解隨時間的回歸模型，建立了防冰瀝青路面長期防冰性能評價模型，并且驗證了評價模型的可行性。

除了研究融雪劑對瀝青及其混合料的影響，現(xiàn)在越來越多的學(xué)者開始研究可以減少融雪劑影響的改性材料。

Sang Luo和Xu Yang[23]研究采用含有防凍劑Mafilon(MFL)的高彈性瀝青(HEA)混合料來改善融雪/除冰性能和瀝青路面的功能性能。HEA-MFL混合料表現(xiàn)出比常規(guī)SBS混合物更好的抗車轍性和低溫性能，僅具有稍弱的抗水損傷性，另外，融雪速度更快以及混合物—冰粘合強度也更低。Ke Zhong等[24]也研究了相似的高彈/鹽儲瀝青混合物，并建立了時效評估模型估算融雪效應(yīng)持續(xù)的時間。

Zhaohui Min等[25]研究了采用不同于傳統(tǒng)熱塑性瀝青SBS改性瀝青的熱固性環(huán)氧瀝青來減少瀝青混合料被融雪劑影響后性能的降低，這種環(huán)氧瀝青含有雙酚—A—二縮水甘油醚型環(huán)氧樹脂(DGEBA)和固化劑。結(jié)果表明：在相同條件下環(huán)氧瀝青混合料的融雪劑釋放量均低于SBS改性瀝青混合料中的釋放量，并且具有融雪劑的環(huán)氧瀝青混合料可提供優(yōu)秀的融雪性能和低冰粘附性。

Zhenjun Wang等[26]用NaCl、玻璃粉和麥飯石粉以4.5∶1∶1的比例混合制備了含有鹽儲存聚集體(SSA)的瀝青混合物作為石灰石聚集體(LSA)，具有優(yōu)異的水穩(wěn)定性，高機械強度和儲鹽功能,并且證明SSA可替代常規(guī)骨料用于路面工程。SSA的示意圖如圖3所示。

2 新型自熱融雪路面研究方向

化學(xué)融雪劑屬于傳統(tǒng)的融雪方法，會對瀝青混凝土路面的路用性能和耐久性能等方面產(chǎn)生一定的影響，因此，放棄使用融雪劑也是一種趨勢，從而改用一些導(dǎo)電導(dǎo)熱材料來研發(fā)新型自熱融雪路面。

H V Vo等[27]研究了石墨改性瀝青混合料的熱物理性質(zhì)和融雪路面的敏感性。石墨顆粒在整個瀝青混合物中形成簇，提高了瀝青混合料的導(dǎo)電性，縮短了融雪所需的時間。Mingyu Chen等[28]采用數(shù)值模擬方法預(yù)測瀝青路面作為太陽能集熱器的總體設(shè)計要求，建立了一種實驗性瀝青融雪系統(tǒng)。用石墨粉改善瀝青混凝土的導(dǎo)熱性，從而提高瀝青集熱器的效率，同時提供較高的流體溫度可以改善融雪系統(tǒng)性能。

3 結(jié)語

融雪劑并未改變基質(zhì)瀝青的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，二者沒有產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，而對于改性瀝青，融雪劑則會破壞改性劑與基質(zhì)瀝青組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致瀝青性能的降低。醋酸基的融雪劑會對瀝青產(chǎn)生乳化效果，尤其對水、濕度、高溫較敏感，但是對瀝青混合料的性能影響較小，甚至?xí)古褟姸嚷晕⒃黾?。在氯鹽融雪劑的影響下，瀝青混合料的高溫性能、低溫性能以及水穩(wěn)性能均降低。

融雪劑作為目前冬季路面防凍和融雪的主要手段，依舊有很大的研究價值，通過研究融雪劑對瀝青和瀝青混合料的影響機理，可以指導(dǎo)路面養(yǎng)護人員對融雪劑的使用。同時，開發(fā)出對瀝青路面和自然環(huán)境、基礎(chǔ)設(shè)施等破壞很小的新型環(huán)保融雪劑是重點的研究方向，這對社會有巨大的經(jīng)濟和環(huán)保效益。另外，研究新型自熱融雪路面也是一大研究熱點，融雪劑可替代填料加入瀝青混合料中，或者摒棄融雪劑直接加入導(dǎo)電導(dǎo)熱或彈性材料來提高融雪化冰能力，避免融雪劑的負面影響。