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| 融雪抑冰沥青混合料路用性能及盐分溶析特性 |
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| 来源：铺面材料工程中心 日期：[2017-2-1] |
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为解决冬季道路积雪结冰导致的交通安全问题，常需要采用不同的冰雪控制技术，来保障路表抗滑能力。融雪抑冰沥青混凝土在我国又称为蓄盐沥青混合料。在降水条件下(降雨、降雪、冻雨、结冰、下霜、上雾等)，蓄积在路面结构中的盐化物能够主动释放，在浓度梯度和车辆荷载的泵吸作用下，由路面内部逐渐转移至路表，降低路表水溶液冰点，起到融雪、抑冰作用。研究表明，在小雪条件下，AFAC的自融雪效果、抑制冻结效果十分明显。随着降雪量增加、空气温度降低，蓄盐路面的自融雪效果受到一定影响，但依然具有以下特征：(1)即使路表已经形成积雪或结冰，在雪/冰与路面之间，依然存在盐溶液层，能降低冰雪与路表黏附力，对路面形成良好的保护作用；(2)在冰雪控制作业过程中，提高机械铲除冰雪的容易程度。
为研究AFAC的路用性能，国内外进行了大量的报道。在日本，AFAC常采用AC-13沥青混合料，其填料含量高于我国。为了获得较好的融雪抑冰能力，沥青混合料中的蓄盐含量通常介于4%~6%(重量百分率，下同)之间。因此，王峰等人以AC-16为例，研究了AFAC作为面层时的路用性能。孙玉齐研究表明，AC-13混合料蓄盐后，其动稳定度从6513次/mm变为5014次/mm(完全替代矿粉)；低温抗裂性和水稳定性均会随盐化物掺加而降低。随后，张丽娟和黄小霞等人采用OGFC为基础，研究其蓄盐后的路用性能指标。结果表明，在盐化物掺量达到一定程度时，透水型沥青混合料的物理力学性质较差，表现在OGFC沥青混合料的抗压强度较小，甚至松散，沥青混合料结构极不稳定。从国内外研究现状来看，AFAC的路用性能表现在水稳定性不良，掺加盐化物后高温稳定性下降等特点。但是，依然缺乏令人信服的机理解释。
对AFAC的盐分析出特性研究，分别采用开级配与密级配两种混合料，研究其盐分溶析规律和耐久性。结果显示，在相同掺量下，由于混合料空隙率差异，开级配AFAC的盐分析出量高于密级配。采用电导率法，研究了AC-13沥青混合料蓄盐后的盐分析出能力，并采用模型评价AFAC的融雪抑冰性能。日本的村國．誠等分别采用密封法、全溶法和排水法研究了空隙率为20%时排水性路面的盐化物适用情况，证明具有较大空隙率的排水性路面盐分析出能力大于普通沥青混凝土路面。王峰等人研究了AC-16蓄盐沥青混合料作为面层的路用性能和盐分析出能力，表明沥青混合料空隙率越大，盐分析出能力越强。然而，关于AFAC中的盐分析出特性，相关研究依然不够深入。
为研究AFAC的路用性能劣化机理及盐分析出特性，本文分别采用间断级配SMA-13和连续级配AC-13两种级配类型，在相同盐化物置换率下，通过添加两种不同盐化物，研究其路用性能与盐分析出特性。
材料与方法
沥青与集料
本文所用结合料为SBS1-C型改性沥青，产自西安国琳沥青厂。所用集料为产自咸阳料场的玄武岩，其基本技术指标满足规范要求。
盐化物
目前，常见的盐化物为CaCl2或NaCl基，但鉴于CaCl2通常含有6个结晶水，具有较强的吸湿性、难以存储等特性，氯化钠基的盐化物在我国得到了更为广泛的应用。本文采用两种盐化物，分别为国产融雪剂和某进口融雪剂，密度分别为2.17g/cm3和2.30g/cm3，主要成分均包括：SiO2，Al2O3，Fe2O3，CaO及NaCl等。
级配组成
为研究不同沥青混合料级配对盐化物性能的影响，本文采用SMA-13间断级配和AC-13连续级配。SMA-13中所用纤维为木质素纤维，矿粉占石料的9.0%，AC-13中矿粉用量为6.0%。两种混合料中均采用等体积置换法掺入I和M，掺量均为6%(修正前)。
试验方法
文中沥青混合料制备方法依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，并采用该规范中的马歇尔试验、车辙试验和低温弯曲试验以及SHRP计划提出的汉堡车辙试验研究AFAC的物理力学性能。采用浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、谢伦堡析漏试验和肯塔堡飞散试验评价了沥青混合料的抗剥落性能。通过全溶法测试了沥青混合料浸水后的电导率，评价其盐分析出特性。
性能试验与讨论
物理和力学性能
对AC-13和SMA-13沥青混合料，掺加盐化物后，不论是I盐还是M盐，均导致沥青混合料稳定度降低，流值升高。对比两种沥青混合料，AC-13的稳定度和流值均小于SMA-13。这是由于两种沥青混合料类型不同所致。AC-13沥青混合料属于连续、密级配，SMA-13属于间断、开级配，沥青混合料类型的不同导致混合料物理力学指标差异。对混合料的空隙率结果分析表明，掺入盐化物I和M后，均导致混合料的空隙率下降，且I对混合料空隙率的影响大于M。在AC-13中，IAC-13的空隙率降至1.6%，降低幅度约50%，而Ｍ－AC-13的空隙率降低幅度为30%，这一结论在SMA-13混合料中同样适用。不同的是，在AC-13中，沥青混合料的空隙率降低幅度远大于SMA-13混合料。表明盐化物对AC-13混合料的影响大于SMA-13混合料。
文章采用60℃条件下的高温车辙试验评价AFAC的高温性能。研究结果表明，和原样沥青混合料相比，两种盐化物均导致沥青混合料的高温稳定性能降低。对AC-13，I-AC-13与M-AC-13的动稳定度几乎相当，且幅度不到10%。但对SMA-13，M-SMA-13的动稳定度下降幅度较大，由11667降至7072次/mm，降低幅度近40%。AC-13属于悬浮密实型沥青混合料，细集料的数量较多，粗集料被细集料挤开，导致粗集料以悬浮状态位于细集料之间。但SMA-13混合料属于骨架密实型结构，既有一定数量的粗集料形成骨架结构，又有足够的细集料填充到粗集料之间的空隙中去。由于上述混合料级配类型的差异，导致AFAC表现出不同的抗车辙力学特性。AFAC的低温抗开裂能力采用最大弯拉应变评价。结果表明，盐化物掺入后导致沥青混合料的抗低温开裂能力下降。例如，置换了6%(修正前)的I盐后，AC-13的最大弯拉应变由3840με降低到2616με，SMA-13的最大弯拉应变由3705με降至3270με。在低温弯曲试验过程中，不可避免地要对试件进行保温。在湿润状态下，沥青混合料中的盐化物析出，造成混合料内部缺陷，在弯曲过程中，形成应力集中，提前断裂。这表明在AFAC的使用过程中，在雨水、雪水、冰冻等自然条件下，应当关注其低温抗裂性能。对比两种盐化物而言，掺加I的沥青混合料低温弯曲性能略优于掺加Ｍ的混合料。造成这一现象的原因，可能与盐化物本身性质有关，也可能是由盐分的析出特征导致。后文将继续对这一现象的原因进行分析。总体而言，与AC-13沥青混合料相比，蓄盐SMA-13沥青混合料的低温性能更好一些，且掺加盐化物后的最大弯拉应变降低幅度也较小。这是由于SMA为沥青玛蹄脂碎石，胶浆中含有大量木质素纤维，纤维的加筋、拔出等作用，保障其具有较好的低温抗开裂能力。
考虑到AFAC的实际工作条件为浸水环境，本文采用汉堡车辙试验评价浸水条件下的沥青混合料高温稳定性和抗水损害能力。所用试验装置为美国PMW汉堡车辙仪，浸水温度50±1℃，橡胶轮胎，荷载0.7±0.05MPa，循环碾压20000次。突变的拐点处定义为沥青混合料的“剥落点”，采用切线交汇处所对应的行车碾压次数表征。剥落点处，沥青与集料表面严重剥离，混合料迅速破坏。定义沥青混合料车辙深度达到12.5mm时，车轮循环碾压的次数称为“破坏点”，若循环碾压结束，尚未出现剥落点或破坏点，计作20000次。本文对SMA-13混合料进行了汉堡车辙试验。和标准车辙试验结果类似，盐化物Ｉ和Ｍ均导致沥青混合料的高温稳定性降低，表现为车辙深度增加，但I-SMA-13的浸水车辙深度略低于M-SMA-13。试验结果表明，AFAC未出现明显剥落点，车轮碾压20000次后，无破坏点，试验结果与高温车辙试验结果相符。
抗剥落性能
沥青混合料水损害的过程，其实就是沥青膜从集料表面剥落的过程。本文分别采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价了AFAC的抗水损害性能。试验结果表明，M的掺入导致AC-13和SMA-13混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比降低。不论在浸水马歇尔试验还是冻融劈裂试验过程中，马歇尔试件均需要在水溶液中浸泡。浸泡过程中，沥青混合料内部的盐分必然会析出，并留下空隙。而盐分析出的通道，同样成为了水分侵入的通道，增大了水与集料表面的接触面积。在浸水循环或冻融循环条件下，由于水与集料表面的浸润性更好，因此沥青薄膜逐渐被水剥落，导致残留稳定度和TSR降低。但是，对I-AC-13和I-SMA-13，其残留稳定度和TSR反而增大。分析其原因，可能是由于I材料的自身性质所致。据现有资料，I材料呈碱性，而在沥青混合料中，沥青显酸性。在酸碱作用下，沥青薄膜抵抗剥落的能力有所提高。
沥青混合料的抗剥落能力，与沥青和集料的黏附能力密切相关。沥青－集料黏附性强，抗水损害的能力相对较好。肯塔堡飞散试验和谢伦堡析漏试验通常用于评价SMA、OGFC等沥青混合料的最小和最大沥青用量，并能用于间接评价其沥青混合料抗剥落能力。肯塔堡飞散试验结果表明，3种沥青混合料的飞散值SMA-13>M-SMA-13>I-SMA-13，即沥青混合料的抗剥落性能I-SMA-13最好，SMA-13最差。谢伦堡析漏试验结果显示，SMA-13的析漏损失率由0.064%增加到0.065%(M-SMA-13)和0.070%(I-SMA-13)。很明显，从析漏试验可以得知，掺入盐化物后，混合料中结构沥青减少，自由沥青增多。特别是I导致沥青混合料中的自由沥青含量略多于M-SMA-13。自由沥青增多，混合料黏聚性增大，这一结论很好地解释了肯塔堡飞散试验中的试验现象。
结合前文沥青混合料力学试验结果，可以得出：盐化物导致沥青混合料中的自由沥青增多。因此，AFAC表现出马歇尔稳定度减小，流值增大，空隙率变小以及高温抗车辙能力降低等一系列特性。需要指出的是，盐化物导致沥青混合料空隙率降低、马歇尔稳定度变小、流值增大、动稳定度下降等现象在其他文献当中已被大量报道。但上述研究中均将注意力集中在与规范值的对比，而忽略了力学性能降低这一现象。本文认为，盐化物掺入沥青混合料后，导致混合料中自由沥青增多，结构沥青减少。因此，在实际使用过程中，应适当减小沥青混合料油石比，以提高沥青混凝土路面使用性能。
盐分析出特征
通过电导率试验测试溶液电导率值，间接反映AFAC融雪能力被广泛采用。本文研究对象为AFAC的盐分溶出特性，因此不再对电导率进行其他处理，仅通过电导率变化情况，分析其盐分溶析规律。在不掺加任何盐化物情况下，沥青混合料的电导率为0，无盐分析出。对AC-13，很明显，IAC-13沥青混合料的电导率小于M-AC-13，如浸水12h时，I-AC-13的电导率为0.41mS·cm-1，而M-AC-13的电导率则达到0.96mS·cm-1，约为前者的两倍。然而，I-AC-13的空隙率为1.6%，而M-AC-13的空隙率则为2.1%。显然，相同混合料结构类型条件下，空隙率越大，与水接触面积越大，盐分析出值自然越多，相同结论在文献］和中已经有报道。而且，在浸水50h后，I-AC-13与M-AC-13混合料的电导率变化趋势(斜率)基本相同，表明两种混合料的后期盐分析出能力相似。因此，本研究不能表明M-AC-13的盐分析出能力大于I-AC-13。但是，对比不同混合料类型的盐分溶析特征发现，具有较大空隙率的蓄盐SMA-13沥青混合料电导率值反而小于蓄盐AC-13混合料，这一结论与王峰等人的研究结果有所差异。这一现象是由沥青混合料空隙率内部连通特征导致的。AC-13沥青混合料内部空隙相互连通，在浸水条件下，混合料中所蓄积的盐分在浓度梯度作用下发生传质，盐分逐渐析出。而SMA-13沥青混合料则不同，其混合料内部空隙大部分属于封闭结构，大量盐分被嵌锁在混合料结构内部，而本文中所采用的试验条件为静态溶析，并未考虑车辆荷载作用，因此内部盐分难以析出，试件浸水50h后，电导率增长缓慢，表现出较弱的盐分析出延续性。本文认为，AFAC的盐分析出能力不仅受盐分含量、空隙率大小等影响，还与空隙率内部连通特性(包括混合料类型)有关。
结语
(1)在等体积置换法下，沥青混合料掺入盐化物后，造成原有沥青混合料中自由沥青增多，导致沥青混合料空隙率变小，高温抗车辙能力降低。在实际使用过程中，应当适当减少沥青用量，以满足沥青混凝土路面使用性能，推荐减少油石比0.05%~0.1%。
(2)在相同盐化物掺量(容积相等)条件下，盐化物可以显著改变沥青混合料的水稳定性能和抗剥落能力，其特征与盐化物种类有关。但具体原因，有待进一步研究分析。
(3)AFAC的盐分析出不光与混合料的空隙率有关，还受空隙率内部结构影响。相同沥青混合料级配类型条件下，空隙率越大，盐分析出能力越大。内部空隙连通的沥青混合料盐分析出能力优于内部封闭的混合料。 |
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