葛 浩

(鎮(zhèn)江市公路事業(yè)發(fā)展中心，鎮(zhèn)江 212127)

在冬季，江蘇大部分地區(qū)都會發(fā)生道路積雪與結(jié)冰現(xiàn)象，給通行車輛造成了安全隱患[1]。因此，如何采取有效措施保障冬季凍結(jié)道路暢通和行車安全，成為當(dāng)前公路部門亟須解決的問題。20世紀(jì)60年代，瑞士、日本等發(fā)達(dá)國家已開始研究抗冰凍材料并取得了良好的應(yīng)用效果。自2008年以來，我國開始開展抗冰凍瀝青路面研究。凡濤濤[2]闡述了MFL的抗凍機(jī)理，重點研究了其摻量與適用溫度的關(guān)系，試驗表明MFL摻量要達(dá)到5%才能起到抗凍效果。廖芳齡[3]對冰凍瀝青混合料路用性能進(jìn)行了研究，試驗結(jié)果表明，隨著MFL的摻入，瀝青混合料的低溫抗裂性能、水穩(wěn)性能均得到了一定程度的提升，高溫穩(wěn)定性稍有降低但仍高于規(guī)范要求，疲勞性能及抗老特性并無顯著變化。目前，國內(nèi)抗冰凍瀝青混合料技術(shù)在橋面鋪裝上的實踐應(yīng)用研究較少，而橋面由于上下通透，更容易結(jié)冰，因此對橋面鋪裝材料進(jìn)行抗冰凍研究非常必要。本文以摻加MFL的抗冰凍瀝青混合料為研究對象，依托鎮(zhèn)江市某橋面鋪裝工程，開展配合比設(shè)計、路用性能研究和工程應(yīng)用效果評價。通過使用抗冰凍材料，可有效解決冬季道路行車安全問題，對保障人民群眾正常生產(chǎn)和生活具有重要的現(xiàn)實意義。

1 MFL物理性質(zhì)和抗冰凍原理

為優(yōu)選出符合相關(guān)技術(shù)要求的抗冰凍材料，對MFL的物理參數(shù)進(jìn)行分析研究，為后期工程實踐應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。MFL各項物理指標(biāo)如表1所示。

表1 MFL各項物理指標(biāo)

MFL是一種粉末狀材料，從表1可以看出，MFL的有效成分是NaCl(氯化鈉)，0.075 mm篩孔的通過率達(dá)到75.2%，粒徑范圍和礦粉相近，且各項技術(shù)指標(biāo)均滿足相應(yīng)技術(shù)要求，因此MFL可替代部分或全部礦粉，作為填料用于抗冰凍瀝青混合料中。

緩釋型抗冰凍技術(shù)是以主動抑制冬季橋面凍結(jié)為目的，在鋪裝材料中添加一定摻量的化學(xué)類添加劑的新技術(shù)。當(dāng)冬季降雪時，在壓縮、磨損等諸多因素的影響下，橋面鋪裝材料含有的MFL中的氯化物緩慢向橋面釋放，降低橋面積雪結(jié)冰的冰點，破壞冰雪與橋面的黏結(jié)，達(dá)到融化冰雪的效果[4-5]。在使用期限內(nèi)，摻加MFL的抗冰凍瀝青路面每年冬季都會起到融化冰雪的作用。

2 抗冰凍瀝青混合料配合比設(shè)計

本次以摻加MFL的SMA-13瀝青混合料為試驗組，以普通SMA-13瀝青混合料作為對照組，開展摻加MFL的SMA-13改性瀝青混合料配合比設(shè)計。

2.1 普通SMA-13瀝青混合料配合比

通過混合料級配調(diào)試和相關(guān)驗證試驗，表明本次所設(shè)計的普通SMA-13瀝青混合料的水穩(wěn)性能、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性能均滿足技術(shù)要求。普通SMA-13瀝青混合料配合比如表2所示。

表2 普通SMA-13瀝青混合料配合比

在普通SMA-13瀝青混合料設(shè)計級配中，1#料(10～15 mm)占43%，2#料(5～10 mm)占35%，4#料(0～3 mm)占12%，礦粉占10%，油石比為6.0%。

2.2 摻加MFL的SMA-13瀝青混合料配合比驗證

在普通SMA-13瀝青混合料級配設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用與設(shè)計級配相同的礦料配合比和油石比。為進(jìn)一步開展瀝青混合料中MFL最佳摻量的研究，調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)研究成果發(fā)現(xiàn)，瀝青混合料中MFL的摻量一般為5.0%～8.0%[6]，因此本次設(shè)計了4組不同MFL摻量(5%、6%、7%、8%)的瀝青混合料，開展抗冰凍瀝青混合料的水穩(wěn)性能、高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性能等指標(biāo)測試，不同MFL摻量下抗冰凍瀝青混合料的路用性能試驗結(jié)果如表3所示。

由表3可知，隨著MFL摻量的增加，瀝青混合料的路用性能呈下降趨勢；綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素后確定抗冰凍瀝青混合料中MFL的最佳摻量為5%，即采用MFL替代5%的礦粉，各材料所占比例為1#料∶2#料∶4#料∶礦粉∶MFL=43∶35∶12∶5∶5，油石比為6.0%。對摻加5%MFL的SMA-13瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾試驗，馬歇爾試驗結(jié)果如表4所示。

表3 不同MFL摻量下抗冰凍瀝青混合料的路用性能試驗結(jié)果

表4 馬歇爾試驗結(jié)果

由表4可看出，用MFL替代5%的礦粉后，抗冰凍瀝青混合料的各項馬歇爾參數(shù)均滿足相應(yīng)技術(shù)要求。

3 路用性能試驗研究

3.1 高溫穩(wěn)定性試驗

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)，分別對摻加MFL的抗冰凍瀝青混合料和不摻加MFL的普通SMA-13瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗，選取動穩(wěn)定度作為瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的評價指標(biāo)[7]。車轍試驗結(jié)果如表5所示。

表5 車轍試驗結(jié)果

由表5可知，抗冰凍瀝青混合料的動穩(wěn)定度較普通瀝青混合料降低了8.5%，MFL的摻入雖然降低了混合料的高溫穩(wěn)定性，但影響不大，且摻MFL的動穩(wěn)定度值均大于3 000次/mm，仍能較好地滿足瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的要求。

3.2 水穩(wěn)性能試驗

開展凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗，選取殘留穩(wěn)定度與劈裂強(qiáng)度比綜合評價摻加MFL的抗冰凍瀝青混合料的水穩(wěn)性能。浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗結(jié)果如表6所示。

表6 浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗結(jié)果

從表6可以看出，摻加MFL的抗冰凍瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度比結(jié)果分別提高了2.5%和2.8%，均大于未摻加MFL的瀝青混合料試件，表明摻加MFL能在一定程度上增強(qiáng)瀝青混合料的抗水損害能力，提高其水穩(wěn)性能。

3.3 低溫抗裂性能試驗

為研究摻加MFL的SMA-13瀝青混合料的低溫抗裂性能，開展低溫小梁彎曲試驗。選取混合料試件彎曲破壞的力學(xué)參數(shù)——最大破壞應(yīng)變作為瀝青混合料低溫抗裂性能的評價指標(biāo)。低溫小梁彎曲試驗結(jié)果如表7所示。

表7 低溫小梁彎曲試驗結(jié)果

由表7可以看出，摻加MFL的SMA-13瀝青混合料的最大破壞應(yīng)變較高，比普通瀝青混合料提高了13.5%，說明MFL的加入賦予了瀝青混合料一定的低溫柔性。

4 抗冰凍SMA-13瀝青混合料的路面應(yīng)用效果

依托鎮(zhèn)江市某橋面鋪裝工程進(jìn)一步研究摻加MFL的SMA-13瀝青混合料的路用性能。鎮(zhèn)江地區(qū)冬季溫度較低，橋面易出現(xiàn)冰凍現(xiàn)象，為有效解決冬季橋面冰雪問題，保證橋面具有長期的抗冰融雪效果，本次鋪筑抗冰凍瀝青路面試驗路段后開展相應(yīng)的性能指標(biāo)檢驗，并通過后期跟蹤檢測評價抗冰凍瀝青路面的應(yīng)用效果。

4.1 試驗路方案

根據(jù)工程的實際情況，鎮(zhèn)江市某橋面鋪裝結(jié)構(gòu)型式為4 cm SMA-13+6 cm SUP-20+水性環(huán)氧瀝青防水層+10 cm C50橋面現(xiàn)澆層。選取K1+200～K1+400上行方向共計200 m，鋪筑4 cm厚摻加MFL的SMA-13抗冰凍瀝青路面；其余路段鋪筑普通SMA-13瀝青路面。

4.2 試驗檢測結(jié)果分析

鋪筑抗冰凍瀝青路面試驗段后，進(jìn)行厚度、壓實度、構(gòu)造深度、滲水系數(shù)和摩擦系數(shù)等指標(biāo)檢測。普通路段(不摻加MFL)性能檢測結(jié)果如表8所示，試驗路段(MFL摻量為5.0%)性能檢測結(jié)果如表9所示。

表8 普通路段(不摻加MFL)性能檢測結(jié)果

表9 試驗路段(MFL摻量為5.0%)性能檢測結(jié)果

由現(xiàn)場檢測結(jié)果可看出，摻加MFL的抗冰凍瀝青路面的壓實度、構(gòu)造深度、摩擦系數(shù)及滲水系數(shù)等性能指標(biāo)均滿足技術(shù)要求，與不摻MFL的普通路段情況相比無明顯區(qū)別。

4.3 有效成分確認(rèn)

為確認(rèn)摻加MFL的抗冰凍瀝青路面的有效鹽分，依據(jù)鹽化物與硝酸銀發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后會產(chǎn)生白色氯化銀沉淀的原理，在施工現(xiàn)場利用硝酸銀溶液滴定檢測路面是否存在鹽分[8]。本次檢測時，將數(shù)滴硝酸銀溶液滴到試驗路段表面，發(fā)現(xiàn)滴定處路面產(chǎn)生了白色沉淀物，證明抗冰凍瀝青路面表面含有鹽分。

4.4 跟蹤調(diào)查情況

4.4.1 現(xiàn)場外觀調(diào)查

對試驗路段展開跟蹤調(diào)查，結(jié)果顯示，試驗路段的路面整體狀況較好。在歷經(jīng)積雪冰凍后，目前無明顯車轍、裂縫等病害。鎮(zhèn)江地區(qū)在2018—2021年冬季均發(fā)生了不同程度的降雪，試驗路段路面基本無積雪結(jié)冰現(xiàn)象，保持道路本色，融雪效果沒有減弱；而普通路段的路面發(fā)生了一定程度的積雪結(jié)冰，兩種瀝青混合料抗冰凍效果對比明顯。

4.4.2 承載能力分析

采用動態(tài)模量指標(biāo)評價抗冰凍瀝青路面的承載能力，在兩次跟蹤觀測中采用Dynatest落錘式彎沉儀進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，對試驗路段以及相鄰的普通路段的路面進(jìn)行檢測。動態(tài)模量反算數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?0所示。

表10 動態(tài)模量反算數(shù)據(jù)匯總

兩次現(xiàn)場彎沉檢測結(jié)果表明，試驗路段路面上面層動態(tài)模量較高，表明路面結(jié)構(gòu)層整體承載力良好；而試驗路段路面的動態(tài)模量與普通路段路面相比略有下降(4%～5%)，可見摻入MFL對SMA-13 瀝青路面模量性能有所影響，但總體下降幅度不大。

5 經(jīng)濟(jì)和社會效益評價

5.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

瀝青路面全壽命周期主要分為初期建設(shè)、工程營運和后期養(yǎng)護(hù)三個階段，在路面設(shè)計中可依據(jù)全壽命周期成本的理念，統(tǒng)籌考慮前期建設(shè)成本、工程營運費用及后期維護(hù)保養(yǎng)費用。下文將對摻加MFL的SMA-13抗冰凍瀝青路面和普通SMA-13瀝青路面的長期經(jīng)濟(jì)支出進(jìn)行綜合比較。

5.1.1 施工成本分析

對摻加MFL的SMA-13抗冰凍瀝青路面和普通SMA-13瀝青路面的施工成本進(jìn)行分析，兩種混合料面層施工成本如表11所示。

表11 兩種混合料面層施工成本 (元/噸)

由表11可以看出，每噸抗冰凍SMA-13瀝青混合料施工成本較普通SMA-13瀝青混合料多了914.2元，主要原因是MFL價格為每噸20 000元，增加了瀝青混合料的材料成本。

5.1.2 工程營運費用分析

冬季鎮(zhèn)江地區(qū)瀝青路面常見的即時性除雪措施主要是鋪撒融雪劑和防滑石屑，經(jīng)過實地調(diào)研分析并結(jié)合鎮(zhèn)江地區(qū)工程實際，總結(jié)出不同方法的每公里除雪抗冰費用如表12所示。

表12 不同方法的每公里除雪抗冰費用

由表12可看出，每公里融雪劑法除雪抗冰費用較石屑法多了3 769元，主要原因是融雪劑價格較高。與這兩種方法相比，抗冰凍路面5年內(nèi)基本不需要采取除雪抗冰措施，基本不會產(chǎn)生支出。因此，在工程營運費用方面，抗冰凍瀝青路面具有一定優(yōu)勢。

5.1.3 后期維護(hù)保養(yǎng)分析

鎮(zhèn)江地區(qū)夏季潮濕多雨，地表溫度也較高，對瀝青路面的水穩(wěn)定性和抗車轍能力有較高的要求，而MFL的摻入對瀝青混合料路用性能沒有消極影響。冬季溫度偏低，凍融對瀝青路面的損害不容忽視，MFL的摻入可大大減輕路面冰凍形成的損害，緩解冰雪對路面的侵蝕，延長瀝青路面使用壽命，從而降低冬季瀝青路面管理養(yǎng)護(hù)成本。

5.2 社會效益分析

針對處理瀝青路面積雪結(jié)冰的問題，國內(nèi)已探索出了多種方法，主要包括撒布融雪劑、砂石材料及機(jī)械清除等[9-10]。撒布融雪劑能夠較好地清除冰雪，但效率低、費用高，且容易腐蝕破壞道路結(jié)構(gòu)；砂石材料能夠達(dá)到抗滑的目的，但清除冰雪的效果不佳；機(jī)械清除需要投入大量的人力、物力，且存在著影響交通的問題。相比傳統(tǒng)處理積雪結(jié)冰的方法，采用抗冰凍瀝青路面具有如下優(yōu)勢：①在環(huán)境影響方面，可有效減少氯鹽對水資源、大氣環(huán)境造成的危害；②在服務(wù)性能方面，緩解了因溫度偏低產(chǎn)生的路面凍融損害，延長了路面使用壽命；③在行車安全方面，有效抑制了路面結(jié)冰，減少了路面打滑導(dǎo)致的交通事故，保障了司乘人員及行人的生命財產(chǎn)安全。

6 結(jié)語

(1)通過對MFL的物理指標(biāo)進(jìn)行檢測，證實該材料各項指標(biāo)均滿足相應(yīng)技術(shù)要求，因此，MFL作為抗冰凍瀝青混合料填料可替代部分或全部礦粉。

(2)抗冰凍瀝青混合料的配合比中各材料所占比例為1#料∶2#料∶4#料∶礦粉∶MFL=43∶35∶12∶5∶5，油石比為6.0%。通過對抗冰凍瀝青混合料的各項性能指標(biāo)進(jìn)行研究，證明其高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性能、水穩(wěn)性能等指標(biāo)均滿足相應(yīng)技術(shù)要求。

(3)跟蹤調(diào)查結(jié)果顯示，抗冰凍瀝青路面整體狀況較好，在歷經(jīng)積雪冰凍后基本無積雪結(jié)冰現(xiàn)象，保持道路本色；且抗冰凍瀝青路面具有良好的承載能力，與普通瀝青路面基本相當(dāng)。

(4)在經(jīng)濟(jì)效益方面，每噸SMA-13(MFL摻量為5%)抗冰凍瀝青混合料施工成本較普通SMA-13瀝青混合料多了914.2元，但在工程營運成本和后期維護(hù)保養(yǎng)等方面具有一定優(yōu)勢；在社會效益方面，SMA-13抗冰凍瀝青混合料在環(huán)境影響、路面服務(wù)性能、行車安全等方面均具有明顯優(yōu)勢。因此，MFL作為一種綠色環(huán)保材料具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。