徐 劍，龔 演，薛 成，劉 凱

(1. 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院, 北京 100088；2. 中交第二公路工程局有限公司, 陜西 西安 710061；3. 合肥工業(yè)大學(xué), 安徽 合肥 230009)

0 引言

《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》明確了我國(guó)交通發(fā)展的總體思路，即構(gòu)建安全、便捷、高效、綠色、經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)代化綜合交通體系，“交通安全”的理念也逐漸成為道路工程建設(shè)的重要發(fā)展趨勢(shì)。隨著降溫等氣候變化，雨霧和冰雪等惡劣天氣極大影響交通系統(tǒng)，瀝青路面出現(xiàn)積雪、結(jié)冰等現(xiàn)象，路面表面的抗滑性能下降，同時(shí)由于氣候?qū)е碌哪芤姸冉档停斐山煌ㄊ鹿试黾?，?yán)重威脅交通安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，冬季時(shí)期15%～30%的交通事故與路表結(jié)冰積雪有關(guān)。另外，在冬季凍雨、冰雪等不良?xì)夂蛳拢肪W(wǎng)通行能力受到顯著影響，嚴(yán)重時(shí)還將導(dǎo)致該區(qū)域的交通中斷、運(yùn)輸癱瘓，造成巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)影響。因此，冬季道路融冰除雪工作是瀝青路面養(yǎng)護(hù)的重點(diǎn)及難點(diǎn)[1-8]。

經(jīng)過我國(guó)科學(xué)工作者近10 a的研究和國(guó)內(nèi)近20個(gè)省的工程實(shí)踐，我國(guó)公路瀝青混合料用融冰雪材料技術(shù)已經(jīng)較為成熟，并經(jīng)過大量工程驗(yàn)證。實(shí)踐表明，公路瀝青混合料用融冰雪材料技術(shù)一方面可以有效減少冬季的交通事故，確?！敖煌ò踩盵9-12]；另一方面，極大程度地避免了對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的破壞和環(huán)境污染，降低冬季瀝青路面的養(yǎng)護(hù)成本，為實(shí)現(xiàn)“綠色交通、平安交通”提供了技術(shù)支撐。

隨著國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)鹽化物材料的深入研究，鹽化物材料的種類越來越多[13]，除常規(guī)的氯離子類鹽化物外，非氯離子類鹽化物包括硫酸類及醋酸類等材料，我國(guó)現(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路瀝青混合料用融冰雪材料 第2部分：鹽化物材料》(JT/T 1210.2—2018)[14]暫未考慮非氯離子類鹽化物材料的評(píng)價(jià)指標(biāo)，相關(guān)內(nèi)容還需補(bǔ)充及修訂。同時(shí)，由于我國(guó)不同區(qū)域環(huán)境差異較大，融冰雪鹽化物材料依然不能很好地改善瀝青混合料的融冰雪性能?？紤]到融冰率及冰點(diǎn)指標(biāo)是瀝青混合料的融冰雪性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，本研究選擇4種不同的鹽化物材料，研究了鹽化物的材料性能、融冰雪性能評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)瀝青混合料性能影響，開展了相關(guān)參數(shù)與設(shè)計(jì)方法的優(yōu)化研究，為融冰雪鹽化物材料在我國(guó)的應(yīng)用和推廣提供參考。

1 材料與試驗(yàn)方案

1.1 瀝青

為了研究摻鹽化物融雪劑瀝青混合料的融冰雪性能，本研究采用70#瀝青，其基本性能參數(shù)如表1所示[15]。

表1 70#瀝青的基本性能指標(biāo)

1.2 鹽化物材料

本研究選用4種不同的融冰雪鹽化物材料，其中A與B分別為顆粒狀，主要成分為氯化物鹽，C為非氯化物鹽，主要成分為有機(jī)醋酸類材料，D為氯化物鹽與醋酸類材料組合而成的復(fù)合材料，均為國(guó)內(nèi)比較常用的融冰雪鹽化物材料。

1.3 混合料設(shè)計(jì)

表2是密級(jí)配瀝青混合料的AC-13級(jí)配配比，本研究采用的鹽化物融雪劑為5%，采用原樣的設(shè)計(jì)最佳油石比4.9%。

表2 瀝青混合料AC-13級(jí)配配比

2 試驗(yàn)方法

2.1 有效陰離子含量試驗(yàn)

目前市面上存在融冰雪鹽化物材料種類繁多，包含氯化物鹽、非氯化物鹽或其組合而成的復(fù)合材料，其中非氯化物鹽主要是指醋酸類材料為代表的有機(jī)物材料?，F(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路瀝青混合料用融冰雪材料》(JT/T 1210.2—2018)[14](以下簡(jiǎn)稱《鹽化物材料》)中氯離子含量指標(biāo)，主要用于檢測(cè)有效成分氯離子的含量，而無法定量測(cè)量非氯化物鹽的有效成分含量。本試驗(yàn)針對(duì)不同的融冰雪鹽化物材料：對(duì)于氯化物鹽材料，根據(jù)上述行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的附錄A方法進(jìn)行試驗(yàn)，確定其氯離子含量；對(duì)于醋酸類材料，本試驗(yàn)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《路用非氯有機(jī)融雪劑》(JT/T 973—2015)中的5.7方法[16]進(jìn)行相對(duì)融雪化冰能力試驗(yàn)，通過相對(duì)融雪化冰能力W1計(jì)算出權(quán)衡因子Q的值，計(jì)算公式如式(1)～(2)所示。

(1)

(2)

式中,W1為相對(duì)融雪化冰能力;m0，m1分別為非氯化物材料溶液試驗(yàn)前及試驗(yàn)0.5 h后燒杯和冰塊總質(zhì)量；m′0，m′1分別為氯化納溶液試驗(yàn)前及試驗(yàn)0.5 h后燒杯和冰塊總質(zhì)量，燒杯的體積為200 mL。QAc，Qf分別為本次相對(duì)融雪化冰能力試驗(yàn)中非氯化物材料溶液和氯化納溶液的陰離子含量。

對(duì)于復(fù)合材料，其有效陰離子含量Qn根據(jù)式(3)可計(jì)算得出。

Qn=Q×Q′Ac+Q′f，

(3)

式中，Q′Ac，Q′f分別為復(fù)合材料中的醋酸離子、氯離子含量。

醋酸離子含量的測(cè)量方法如下：將試樣研磨、篩分并烘干，取烘干后質(zhì)量為m的試樣(10±0.1) g放置于磨口瓶中，倒入200 mL蒸餾水充分溶解，靜置2 h后過濾。將移液管吸取1 mL濾液倒入燒杯中，用50 mL蒸餾水稀釋，再加入0.2%酚酞指示劑溶液1～2滴，用0.1 mol/L氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定法，直至呈現(xiàn)微紅色為滴定終點(diǎn)。記錄消耗的標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉溶液體積為V，單位為mL。根據(jù)式(4)計(jì)算醋酸離子含量QAc。

(4)

式中，C為氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的摩爾濃度0.1 mol/L。

2.2 碳鋼腐蝕率試驗(yàn)

本試驗(yàn)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《路用非氯有機(jī)融雪劑》(JT/T 973—2015)中5.9節(jié)的方法進(jìn)行[16]。由于公路瀝青混合料用融冰雪材料鹽化物材料均具有疏水特征，無法直接溶于水中。另外，為了更好地模擬鹽化物材料在瀝青路面使用過程中的釋放規(guī)律，將摻鹽化物材料的瀝青混合料馬歇爾試件進(jìn)行快速?zèng)_洗，使試件表面無可見融冰雪材料，沖洗總時(shí)間不宜大于10 s。沖洗完成后，將試件浸泡在5 L的去離子水中24 h，取浸出液進(jìn)行碳鋼腐蝕率測(cè)定。

2.3 融冰率試驗(yàn)

融冰率試驗(yàn)是在一定溫度條件下，評(píng)價(jià)鹽化物融冰化雪能力的檢測(cè)方法?，F(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鹽化物材料》(JT/T 1210.2—2018)中以質(zhì)量為40 g的冰塊進(jìn)行融冰試驗(yàn)，測(cè)量1 h時(shí)間內(nèi)冰塊質(zhì)量損失率dm(即融冰效率，%)，計(jì)算公式如式(5)所示。

(5)

式中，m0為冰的初始質(zhì)量；mt為冰在時(shí)間t時(shí)的質(zhì)量。

本研究中將考慮冰塊的初始質(zhì)量變?yōu)?0 g，與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鹽化物材料》(JT/T 1210.2—2018)中的融冰率試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，研究不同初始質(zhì)量對(duì)融冰率試驗(yàn)結(jié)果以及對(duì)實(shí)際工況模擬準(zhǔn)確性的影響。

2.4 冰點(diǎn)試驗(yàn)

如圖1所示，冰點(diǎn)試驗(yàn)主要原理是將海綿吸飽水，置于矩形瀝青混合料試件表面，其中海綿尺寸為4 cm×4 cm×3 cm，混合料試件尺寸為10 cm×10 cm×5 cm。將海綿及矩形瀝青混合料一起放置于恒溫箱中保溫4 h，檢查海綿與瀝青混合料的黏結(jié)情況。恒溫箱溫度分別設(shè)置為-5，-10，-15 ℃。冰點(diǎn)即為海綿與瀝青混合料黏結(jié)較弱，較容易分離時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度。

圖1 冰點(diǎn)試驗(yàn)

3 結(jié)果與討論

3.1 有效陰離子含量試驗(yàn)

將5種融冰雪鹽化物材料分別進(jìn)行氯離子含量試驗(yàn)、醋酸離子含量試驗(yàn)及融雪化冰能力試驗(yàn)，氯離子含量與醋酸離子含量試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，其溶液試驗(yàn)前及試驗(yàn)0.5 h后燒杯和冰塊總質(zhì)量如表4所示。其中，試驗(yàn)0.5 h后燒杯和冰塊總質(zhì)量測(cè)量3次，取平均值。相對(duì)融雪化冰能力以融冰雪材料A為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。

表3 4種融冰雪材料有效陰離子含量試驗(yàn)結(jié)果

表4 4種融冰雪材料融雪化冰能力試驗(yàn)結(jié)果

材料A與材料B均為氯化物材料，有效成分均為氯離子。材料B的相對(duì)融雪化冰能力與氯離子含量的比值(38.4∶36.1)相吻合，證實(shí)了融冰雪材料的有效成分含量越高，其融冰雪效果越好。根據(jù)融冰雪材料A與C的試驗(yàn)結(jié)果可計(jì)算出權(quán)衡因子Q的值為0.72。為檢驗(yàn)該計(jì)算結(jié)果的可信度，采用融冰雪材料D和E的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。材料D為氯化物及醋酸類材料的復(fù)合類融冰雪材料，根據(jù)材料D的陰離子含量及權(quán)衡因子Q的值計(jì)算得出材料D的有效陰離子含量為47.2，材料D與材料A的相對(duì)融冰化雪能力為1.308。材料E為醋酸類材料的復(fù)合類融冰雪材料，根據(jù)材料E的陰離子含量及權(quán)衡因子Q的值計(jì)算得出材料E的有效陰離子含量為50.1。材料D和E的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)吻合，證實(shí)權(quán)衡因子Q的值具有可靠性。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鹽化物材料》中采用氯離子含量確定該融冰雪材料的有效成分含量，通過本試驗(yàn)及討論，建議采用權(quán)衡因子Q來修正非氯離子類鹽化物的有效成份，提出有效陰離子含量作為融冰雪材料性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，更具普適性。醋酸離子的權(quán)衡因子Q=0.72，對(duì)于復(fù)合類融冰雪材料，其有效陰離子含量計(jì)算公式為：

Qn=0.72×QAc+Qf。

(6)

3.2 碳鋼腐蝕率試驗(yàn)

融冰雪材料中含有氯化鈉、醋酸鉀等鹽化物，氯化鈉與醋酸鉀的析出是影響基礎(chǔ)設(shè)施(主要是鋼材)腐蝕的重要因素，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施具有很強(qiáng)的破壞性，并造成環(huán)境污染。在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鹽化物材料》中，pH值應(yīng)在7.0～9.0范圍內(nèi)，以減少氯化鈉與醋酸鉀的析出對(duì)碳鋼的腐蝕影響，碳鋼腐蝕率應(yīng)不大于0.11 mm/a。

有研究結(jié)果表明[17-18]，當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于3.5%時(shí)，自腐蝕電位隨溶液中NaCl質(zhì)量的增加而降低，更容易發(fā)生腐蝕；當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到4.5%時(shí)，腐蝕傾向減弱。對(duì)不同濃度下融雪劑的腐蝕速度開展試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 不同濃度融雪劑碳鋼腐蝕率試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果表明：在3.5%～15%濃度范圍內(nèi)，碳鋼腐蝕率影響受融雪劑濃度影響較大，超過15%時(shí)，融雪劑濃度對(duì)碳鋼腐蝕率影響較小，碳鋼腐蝕率趨于穩(wěn)定。隨著融雪劑濃度越大，碳鋼腐蝕率越小，推測(cè)與融雪劑中有效成分的釋放速率等均有關(guān)。但是，目前尚未存在較為成熟的融雪劑碳鋼腐蝕率變化的機(jī)制分析。另外，根據(jù)北京大興機(jī)場(chǎng)等實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，碳鋼腐蝕率指標(biāo)對(duì)環(huán)境的實(shí)際腐蝕情況的影響較小。綜上所述，考慮到溶液酸堿性對(duì)碳鋼類材料腐蝕速度的影響，當(dāng)溶液的pH值太大或者太小時(shí)，碳鋼腐蝕緩慢，另外，根據(jù)實(shí)際施工中碳鋼腐蝕率指標(biāo)對(duì)環(huán)境的微弱影響，建議取消碳鋼腐蝕率指標(biāo)。

3.3 融冰率試驗(yàn)

冰的初始質(zhì)量和融冰時(shí)間對(duì)融冰率有重要影響，因此分別選取約40 g和20 g冰作為初始質(zhì)量開展融冰率試驗(yàn)。4種摻鹽化物融雪劑瀝青混合料在-5 ℃條件下的融冰率試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，在室內(nèi)試驗(yàn)條件下，當(dāng)初始質(zhì)量為40 g時(shí)，4種混合物的融冰率數(shù)值基本在12%左右，不符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鹽化物材料》中對(duì)融冰率指標(biāo)的要求；當(dāng)初始質(zhì)量為20 g時(shí)，4種混合物的融冰質(zhì)量基本與初始質(zhì)量為40 g時(shí)差異不大，而融冰率的結(jié)果基本是在24%左右。

表6 摻融雪劑瀝青混合料的融冰率試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，對(duì)目前工程上廣泛使用的融冰雪效果較好的融冰雪鹽化物材料產(chǎn)品進(jìn)行融冰率試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這些融冰雪鹽化物材料的融冰率試驗(yàn)結(jié)果均不符合融冰率指標(biāo)的要求，但當(dāng)初始質(zhì)量為20 g時(shí)，大部分融冰雪鹽化物材料的融冰率指標(biāo)不小于20%。因此，選用融冰率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來評(píng)價(jià)混合料的融冰雪性能需要統(tǒng)一的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，建議采用20 g冰塊作為研究對(duì)象計(jì)算冰塊的融冰率，融冰率范圍不小于20%。

3.4 冰點(diǎn)試驗(yàn)

原樣及摻4種融冰雪材料的瀝青混合料的冰點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果見表7，當(dāng)溫度處于瀝青混合料的冰點(diǎn)以下時(shí)，隨著溫度降低，海綿與瀝青混合料之間的黏結(jié)強(qiáng)度增強(qiáng)，冰凍的海綿與瀝青混合料之間難以分離；當(dāng)溫度高于瀝青混合料的冰點(diǎn)時(shí)，冷凍的海綿與混合料試樣能被完全脫離，同時(shí)冷凍的海綿仍非常完整。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以判斷出融冰雪材料C與D能顯著降低瀝青混合料的冰點(diǎn)，冰點(diǎn)溫度范圍不大于-15 ℃，可以更好地適用于北方冬天寒冷的氣候。而摻有融冰雪材料A與B的瀝青混合料冰點(diǎn)處于-5～-10 ℃溫度范圍，適用于南方冬天。

表7 四種融冰雪瀝青混合料冰點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鹽化物材料》中，冰點(diǎn)指標(biāo)的技術(shù)要求為不大于-5 ℃，考慮到融冰雪材料研發(fā)工作迅猛發(fā)展，目前市面上開發(fā)的部分融冰雪材料具有更優(yōu)秀的融冰雪性能，能較好地降低瀝青混合料的冰點(diǎn)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鹽化物材料》中的技術(shù)要求已經(jīng)不能較好地區(qū)分不同融冰雪材料的性能。同時(shí)，考慮我國(guó)南北方冬天氣候的巨大差異性，建議將冰點(diǎn)指標(biāo)分成兩個(gè)等級(jí)，分別為：-5～-15 ℃和≤-15 ℃，可以分別適用于我國(guó)南方和北方不同的氣候條件。

4 結(jié)論

(1)建議采用權(quán)衡因子Q來修正非氯離子類鹽化物的有效成份性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出有效陰離子含量替代氯離子含量，作為融冰雪材料性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以評(píng)價(jià)氯離子類和非氯離子醋酸類融冰雪材料，適用范圍更廣，更具普適性。醋酸離子的權(quán)衡因子Q=0.72。

(2)考慮到溶液酸堿性對(duì)碳鋼類材料腐蝕速度的影響，當(dāng)溶液的pH值太大或者太小時(shí)，碳鋼腐蝕緩慢。另外，根據(jù)實(shí)際施工中碳鋼腐蝕率指標(biāo)對(duì)環(huán)境的微弱影響，建議取消碳鋼腐蝕率指標(biāo)。

(3)冰的初始質(zhì)量對(duì)融冰率有重要影響，為了更好地適應(yīng)目前材料開發(fā)現(xiàn)狀和工程應(yīng)用實(shí)際，建議采用20 g冰塊作為研究對(duì)象計(jì)算冰塊的融冰率，融冰率范圍不小于20%。

(4)將冰點(diǎn)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)可以更好地適用于我國(guó)南方和北方不同的氣候條件?？紤]到我國(guó)南北方冬天氣候的巨大差異性，建議將冰點(diǎn)指標(biāo)分成兩個(gè)等級(jí)：南方為-5～-15 ℃，北方為≤-15 ℃，可以分別適用于我國(guó)南方和北方不同的氣候條件。