段掌璽 張明虎

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 550081)

在低溫環(huán)境下，冰雪黏附于路表面，引起車輪與路面的附著力急劇下降，特別是在橋面、隧道出入口、山坡背陰處等特殊路段，常常引發(fā)連環(huán)交通事故。若深夜突發(fā)雨雪狀況，養(yǎng)護(hù)人員無法及時(shí)對(duì)路面上的冰雪進(jìn)行清理，交通事故的發(fā)生率則大幅度提升。

目前路面的除冰雪技術(shù)多為被動(dòng)式清除冰雪，其代表方式有撒布融冰雪鹽、人工除冰雪和機(jī)械除冰雪技術(shù)等[1-6]。采用撒布融冰雪鹽的方式進(jìn)行路面除冰雪，會(huì)腐蝕道路基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)，降低其使用壽命，而且嚴(yán)重污染環(huán)境。人工除冰雪技術(shù)效率低，無法及時(shí)對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)的路面進(jìn)行清理；機(jī)械除冰雪技術(shù)是一種強(qiáng)行清理方式，清理過程中可能會(huì)對(duì)路面造成損壞，而且能耗較大不經(jīng)濟(jì)，因此，業(yè)內(nèi)人士亟待尋求一種主動(dòng)式路面除冰雪技術(shù)。

隨著研究的不斷深入，在1960年初瑞士研究出了一種融雪抑冰材料V-260，其融雪抑冰能力及路用性能均相對(duì)較優(yōu)[7-8]，因此，在國(guó)內(nèi)也得到了部分推廣運(yùn)用。1970年末日本開發(fā)出了一種自融冰雪材料MFL，并鋪筑了試驗(yàn)段，試驗(yàn)段的融冰雪效果較明顯。我國(guó)對(duì)于自融冰雪路面的研究相對(duì)較晚，但是在借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，同時(shí)也開發(fā)出了多種融雪抗凝冰材料，其中較有代表性的產(chǎn)品有ICB、IGD和中交抗暗冰填料。

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外路面自融冰雪產(chǎn)品的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)其成分大多為氯化物，主要原因是氯化物來源廣、價(jià)格低和穩(wěn)定性好。自融冰雪路面通常為析出式，路面在水和車輛的綜合作用下，融雪劑中的鹽分逐漸析出到路表面，降低了路表水冰點(diǎn)及冰雪與路面之間的黏附力，從而達(dá)到自融冰雪的效果。由于在瀝青混合料摻加融雪劑的量及融雪劑的組分對(duì)路面的融雪效果有著關(guān)鍵性的影響，國(guó)內(nèi)研制的融雪抑冰材料大多處于室內(nèi)研究驗(yàn)證階段。而目前較為成熟的MFL和V-260存在著造價(jià)高和路用性能差等劣勢(shì)，因此，本文研發(fā)出一種新型融雪劑A，研究思路為利用鋼渣將鹽分包裹，然后對(duì)包裹有鹽分的鋼渣進(jìn)行疏水處理，以提高融雪劑的耐久性。實(shí)驗(yàn)證明，該方法可以實(shí)現(xiàn)固體廢棄物再生利用、鹽分緩釋的效果，同時(shí)具有較好的路用性能。

1 融雪劑研發(fā)

1.1 材料選擇

鋼渣是一種多孔結(jié)構(gòu)，可以充分吸附融雪劑，本文選擇山東日照鋼鐵廠的鋼渣為融雪劑載體。目前市場(chǎng)上融雪劑主要分為氯鹽和非氯鹽2類。氯鹽類包括氯化鈣、氯化鈉、氯化鎂等；非氯鹽類包括乙酸鹽、醋酸鹽等。通過調(diào)研對(duì)比不同鹽分的融冰雪能力，優(yōu)選出天津某公司生產(chǎn)的氯化鈉為融雪劑的主要成分。在雨季時(shí)，鹽分的的加速析出，造成水中鹽分質(zhì)量濃度增大，污染環(huán)境，為了延緩融雪劑的析出速率和降低產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的危害，選用聚甲基硅氧烷為疏水劑對(duì)包裹有融雪劑的鋼渣進(jìn)行處理。另外為解決經(jīng)疏水劑處理后的鋼渣與瀝青黏附力差的問題，本文采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)鋼渣的表面進(jìn)行二次裹附，以增強(qiáng)有機(jī)物與無機(jī)物之間的黏結(jié)強(qiáng)度。

1.2 融雪劑制備

融雪劑制備工藝如下：①將鋼渣和氯化鈉在160 ℃環(huán)境下加熱烘干4～6 h；②將偶聯(lián)劑溶于乙醇與水混合液中，使偶聯(lián)劑發(fā)生水解縮合反應(yīng)，進(jìn)一步生成網(wǎng)狀聚合物結(jié)構(gòu)；③將干燥的鋼渣與氯化鈉充分?jǐn)嚢?，使鹽分充分進(jìn)入鋼渣的孔隙中；④在鋼渣與氯化鈉的混合物中加入疏水劑充分?jǐn)嚢瑁故杷畡┕苍诨旌衔锏谋砻?；⑤再加入水解之后的偶?lián)劑溶液，使得偶聯(lián)劑充分包裹混合物的表面；⑥將制備的混合料放入保溫箱中進(jìn)行陳化30 min；⑦將混合物加入球磨機(jī)進(jìn)行研磨，制備不同粒度的成品融雪劑。

采用上述制備工藝，制備出4種不同成分比例的融雪劑A(包括A(1)、A(2)、A(3)、A(4))，其中鋼渣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%～72%，氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～30%，偶聯(lián)劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～6%，疏水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～10%。融雪劑成分見表1。

表1 不同含量融雪劑成分 %

2 自融冰雪路面混合料配合比設(shè)計(jì)

利用球磨機(jī)將融雪劑制成粒徑約為0.075 mm的顆粒，雖然自制融雪劑與0.075 mm石料的粒徑很接近，但因密度存在差異性，采用等質(zhì)量置換易造成混合料拌和功率增大、施工和易性變差、空隙率降低，進(jìn)而影響鹽分析出，增加施工難度。因此，在配合比設(shè)計(jì)過程中采用等體積完全置換的方法替換礦粉，制備出混合料類型為AC-13的馬歇爾試件，以計(jì)算添加融雪劑A的瀝青混合料最佳瀝青用量,試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 油石比試驗(yàn)

由圖1馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果可知，空隙率中值的油石比為4.75%，密度最大值的油石比為5.1%，穩(wěn)定度最大值的油石比為5.0%，瀝青飽和度中值的油石比為4.73%，由此可得，OAC1(最佳油石比1)為4.90%；所有指標(biāo)均滿足要求時(shí)OACmin(最小最佳油石比)為4.05%，OACmax(最大最佳油石比)為4.99%，由此可得，OAC(最佳油石比2)2為4.52%；綜上可得，最佳油石比為4.71%。

3 融冰雪效果評(píng)價(jià)

3.1 融冰效果評(píng)價(jià)

在-5 ℃的環(huán)境條件下，以多組對(duì)照為原則進(jìn)行室內(nèi)融冰實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而評(píng)價(jià)自融冰雪路面的融冰效果，首先將一定質(zhì)量的冰塊同時(shí)置于添加和未添加有融雪劑A的馬歇爾試件表面，測(cè)試1 h后試件表面冰塊的質(zhì)量變化，結(jié)果見表2。

由表2可知，未添加融雪劑的試件融冰百分率為6.5%，添加融雪劑A的試件，融冰百分率分別為16.0%、19.7%、22.2%和17.2%，從數(shù)據(jù)上可知，融雪劑A具有超強(qiáng)的融冰能力，其融冰效果大約是正常試件的2.4～3.4倍。

3.2 融雪效果評(píng)價(jià)

結(jié)合2018年貴陽降雪狀況，進(jìn)行室內(nèi)融雪實(shí)驗(yàn)。以降雪4 h之后車轍板表面的裸露面積為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)比分析添加融雪劑A的路面融雪效果。

在小雪環(huán)境下，4 h之后未添加和添加融雪劑A的車轍板表面裸露狀況見圖2。

圖2 小雪4小時(shí)之后板式試件表面積雪狀況

由圖2可知，在小雪4 h之后，以試件表面的裸露面積為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)比分析未添加和添加融雪劑A的板式試件表面積雪狀況可知，未添加融雪劑的板式試件被一層薄薄的積雪完全覆蓋，而添加了融雪劑的板式試件表面幾乎全部處于裸露狀態(tài)，說明研發(fā)出的融雪劑在小雪環(huán)境下具有較好的融雪效果。

在中雪環(huán)境下，4 h之后未添加和添加融雪劑A的車轍板表面裸露狀況見圖3。

圖3 中雪4 h之后板式試件表面積雪狀況

由圖3可知，在中雪環(huán)境下4 h之后，以試件表面的裸露面積為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)比分析未添加和添加融雪劑A的板式試件表面積雪狀況可知，未添加融雪劑的車轍板式試件被一層厚的積雪完全覆蓋，而添加了融雪劑的板式試件表面可以明顯看出試件的顏色，特別是A(2)和A(4)2種比例的融雪劑，在中雪的環(huán)境下仍能裸露出路面，說明其具有極好的融雪效果。

4 路用性能研究

一種新材料和新技術(shù)的推廣和應(yīng)用，都不能破壞原有材料的使用性能，因此本文研發(fā)出的自融冰雪混合料不但要具備融冰雪的功能，而且還必須滿足路用性能的各項(xiàng)指標(biāo)。本研究采用等體積替換法，將融雪劑等體積替換0.075 mm的集料，從而制備出一種具有融冰雪功能的瀝青混合料。由于加入融雪劑之后的瀝青混合料高低溫穩(wěn)定性沒有太大的變化，本文就不做贅述。但是在冬季或雨季，由于鹽分的不斷析出，而引起混合料內(nèi)部空隙率不斷增大，在冬季凍融循環(huán)作用下會(huì)引起瀝青混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)加速破壞；同時(shí)由于空隙率的增大，水與瀝青的接觸面積變大，造成瀝青的黏附力下降，從而加速促使集料剝落，繼而產(chǎn)生松散、剝落和坑槽等一系列病害水損害，降低了路面的使用壽命。

由于在瀝青混合料中加入融雪劑之后，對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性和耐久性影響較大，因此需要采用一定措施提高瀝青與集料之間的黏附性，從而保證瀝青混合料的水穩(wěn)定性和耐久性。本研究選擇消石灰改善自融冰雪瀝青路面的水穩(wěn)性能，利用消石灰代替部分礦粉，用于增強(qiáng)自融冰雪瀝青混合料的水穩(wěn)性，主要是因?yàn)椋孩傧铱筛纳萍系谋砻嫘再|(zhì)；②石灰粉的比表面積比礦粉的大，還可提高瀝青與集料之間的分子力；③消石灰具有活性，通過消石灰與瀝青成分發(fā)生反應(yīng)生成表面活性劑，提高與集料表面之間的黏附力，從而使瀝青不易剝落[9-10]。

采用多組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，將配置的4種融雪劑依次添加比例為1%，1.5%和2%的消石灰，制成試件后進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，對(duì)比分析在加入不同比例的消石灰條件下自融冰雪路面試件的水穩(wěn)性能，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 添加消石灰后水穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖4可知，消石灰可以提高自融雪瀝青混合料水穩(wěn)性能。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入消石灰之后，4種自融冰雪路面初始階段殘留馬歇爾穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比均有明顯的改善，其殘留馬歇爾穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比值均提高4～5個(gè)百分點(diǎn)。對(duì)比添加1.5%和2.0%消石灰的4種自融冰雪路面，其殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度變化不大，因此，推薦消石灰摻量為1.5%。

5 結(jié)論

1) 本試驗(yàn)以鋼渣、氯化鈉、聚甲基硅氧烷和硅烷偶聯(lián)劑為主要原材料，研發(fā)出了一種新型融雪劑，并推薦4種配合比例。

2) 通過對(duì)自融冰雪瀝青路面的融雪和抗凝冰效果進(jìn)行室內(nèi)評(píng)價(jià)，本文研發(fā)的自融冰雪材料其融冰能力是正常路面的2.4～3.4倍，在小雪和中雪環(huán)境下可以快速融化冰雪，具有較大的使用價(jià)值。

3) 針對(duì)自融冰雪混合料的水穩(wěn)定性和耐久性差的缺點(diǎn)，提出添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的消石灰，實(shí)驗(yàn)證明，其殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比值均提高4～5個(gè)百分點(diǎn)。