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标题 融雪剂对沥青混合料低温性能影响研究
范文 郭平等



0 引言
冰雪天气会造成路面积雪、结冰，影响交通行车安全，因此运用有效手段快速除冰化雪是解决高速公路交通运输免受积雪之害的当务之急。高速公路上的除冰方法通常包括机械除冰、电热除冰以及撒布融雪剂除冰等，在所有的除冰措施中，撒布融雪剂以操作简便、价格低廉，成为冬季融冰除雪的首选方法。
国内外研究工作者就融雪剂的发展与改进、融雪剂的危害进行了很多调查研究，但是很少深入研究融雪剂对沥青混合料性能的影响[1～3]。为此，本文着重研究融雪剂对沥青以及沥青混合料低温性能的影响。
1 融雪剂简介
路面常用融雪剂主要分为氯盐型、非氯盐型及混合型，具体如图1所示。
20世纪60年代之后的美国，化冰盐的环境污染问题及腐蚀问题逐渐突现出来。首先是对基础设施的腐蚀，特别是腐蚀公路系统中的桥梁及道路钢筋混凝土结构，其危害已经影响到交通安全和经济发展。其次，融雪剂对环境造成的严重污染也给社会和经济带来了巨大的影响。近年来中国政府部门开始注意并重视化冰盐带来的负面影响，特别是其潜在的腐蚀威胁。
2 融雪剂对沥青低温性能的影响
沥青混凝土面层低温开裂是路面破坏的主要形式之一。在低温条件下，沥青混凝土脆化，经过荷载作用产生开裂。SHRP研究表明[4]，混凝土面层90%的低温抗裂性能都是由沥青提供的。因此，以下将通过相关试验研究融雪剂对沥青低温性能的影响。
2.1 对当量脆点的影响
当量脆点T1.2与当量软化点T800一样，都是由PI和25 ℃的针入度计算而来的，具体如式（1）所示。
式中：T1.2为当量脆点；A为回归常数，是针入度与温度关系直线的斜率，表示沥青的温度敏感性，在0.015～0.06范围内波动；K为回归参数，表示针入度对数与温度的回归直线的截距。
融雪剂影响前后的沥青针入度测量结果见表1，当量脆点结果见表2，对比关系如图2所示。
由表1、2和图2可以得出以下两点。
（1）对于基质沥青，经水影响后当量脆点增大11.11%；经NaCl影响后增大7.9%；经CaCl2影响后减小17.46%；经NC影响后增大3.17%。即NaCl、NC均降低了沥青低温性能，而CaCl2提高了沥青低温性能。产生该现象的原因是：一方面融雪剂分担了温度变化对沥青产生的影响，导致低温时沥青吸收的热量相对降低，使低温性能提高；另一方面是钠盐使沥青乳化，降低了沥青粘度，导致低温性能降低，而钙盐有效地融合到沥青分子中，增强了沥青粘结能力，提高了沥青粘度，从而使得低温性能增强。综合两方面得出，经NaCl影响后，乳化作用强于热量分担作用，低温性能降低；经CaCl2影响后，融合作用和热量分担作用均使沥青低温性能提高。
（2）对于SBS改性沥青，经水、NaCl、CaCl2、NC影响后，沥青低温性能均降低，其中NaCl影响最明显，NC次之，CaCl2影响最小。产生该现象的主要原因是：经融雪剂影响后，SBS三维网络结构遭到破坏，SBS分子不能有效发挥其改性作用。
2.2 对低温延度的影响
沥青的延度与沥青路面使用性能有一定的相关性，尤其是低温延度与低温开裂性能关系密切。融雪剂影响后的沥青低温延度试验结果如图3所示。
从图3可以得出以下几点。
（1）从整体来看，融雪剂影响后，沥青在5 ℃、10 ℃、15 ℃下的延度均有所降低。
（2）融雪剂影响后，基质沥青延度降低，随着温度越高，融雪剂对沥青延度影响越大，其中CaCl2影响最大，NC次之，NaCl较小。产生该现象的原因是：一方面，融雪剂以离子晶体形式存在于沥青分子中，由于晶体是大颗粒结构，直接导致沥青延度降低，而NaCl、CaCl2的晶体结构有一定的区别，所以延度降低程度不一致；另一方面，沥青未经任何处理之前，其10 ℃和15 ℃延度有很大的区别，差距可达到100 cm，而经融雪剂影响后，10 ℃和15 ℃延度均有大幅度降低，以原样沥青延度为衡量标准，温度越高，融雪剂的相对影响就会越大。
（3）融雪剂影响后， SBS改性沥青延度降低，但随温度升高，该影响先减小后增大，其中NaCl影响最大，NC次之，CaCl2影响最小。产生该现象的原因是：一方面，融雪剂影响后，粒状晶体结构的影响依然存在，沥青延度有所降低；另一方面，5 ℃时，基质沥青成分表现得相当脆硬，当SBS成分经融雪剂的影响不能有效发挥改性作用时，沥青延度就会瞬间降低，从而使得延度降低幅度迅速增大。
3 融雪剂对沥青混合料低温性能的影响
以下通过小梁低温弯曲试验研究来分析融雪剂对沥青混合料低温性能的影响。试验中采用的小梁试件空隙率分别为5%和9%。经不同融雪剂（分别为水、NaCl、CaCl2、NC）冻融影响后，分别测量试件在10 ℃、5 ℃、5 ℃、15 ℃的最大弯拉荷载，并计算小梁抗弯拉强度。其中冻融过程参照冻融劈裂试验，主要包括：真空饱水、低温冻结及水浴融化。为了比较浓度的影响，融雪剂浓度分别采用0.1、0.2、0.3 g·mL1。小梁试件经融雪剂冻融前后的抗弯拉强度对比如图4所示。
抗弯拉强度的计算公式为
式中：RB为试件破坏时的抗弯拉强度（MPa）；b为跨中断面试件的宽度（mm）；h为跨中断面试件的高度，（mm）；L为试件的跨径（mm）；PB为试件破坏时的最大荷载（N）。
综合考虑多方面的影响，选用试件空隙率为9%、融雪剂浓度为0.3 g·mL1、试验温度为10 ℃条件下所对应的抗弯拉强度值。小梁抗弯拉强度随温度、融雪剂浓度及空隙率的变化关系如图4～6所示。小梁低温抗弯拉强度与沥青各低温指标的回归关系如图7所示。
从图4～7可以看出以下几点。
（1）经融雪剂影响后，小梁抗弯拉强度降低，试验温度越高，降低幅度越大。
（2） 空隙率越大，经融雪剂冻融后，小梁抗弯拉强度降低幅度越大。
（3）随着融雪剂浓度的增大，抗弯拉强度有不同的变化。对于空隙率为5%的试件，经NaCl影响后，抗弯拉强度随着浓度的增大而降低；经CaCl2影响后，抗弯拉强度随浓度的增大而增强；经NC影响后，抗弯拉强度先减小后增大。产生以上现象的原因有两方面：一是融雪剂对沥青混合料整体粘结性能产生影响；二是融雪剂对沥青材料低温性能有影响。对于NaCl，钠盐会降低沥青与集料间的粘附性，使得沥青由于乳化而溶于水，进而导致混合料整体粘结性下降；另外，NaCl还会降低沥青本身的低温性能，最终导致随浓度增大，混合料抗弯拉性能降低。对于CaCl2，由于钙盐会使集料与沥青产生化学吸附，使得混合料整体性增加，且随着浓度的增加，该影响大于沥青低温性能降低产生的影响，因此使得试件抗弯拉强度增强。
（4）经融雪剂冻融后的小梁试件低温抗弯拉强度与经融雪剂影响后的沥青5 ℃延度和当量脆点均有较好的线性相关性。抗弯拉强度与5 ℃延度的回归方程为：YD=7.329 7RB+96.823，R=0.971 9。经融雪剂影响后，沥青延度和混合料抗弯拉强度均降低。回归公式表明，经融雪剂影响后的沥青5 ℃延度每减小7.33 cm，小梁抗弯拉强度降低1.0 MPa，相关程度大于97%。抗弯拉强度与当量脆点的回归方程为：T1.2=1.734 7RB +9.522 2，R=0.994 6。经融雪剂影响后，沥青当量脆点增大，而混合料抗弯拉强度降低。回归公式表明，经融雪剂影响后沥青当量脆点每增大1.73 ℃，小梁抗弯拉强度将降低1 MPa，相关程度大于99%。
4 结语
（1）对于基质沥青，融雪剂可以分担温度变化对沥青产生的影响，导致低温时沥青吸收的热量相对降低，使低温性能提高，但是不同的融雪剂成分与沥青分子发生反应后，又对其产生截然不同的影响。
（2）对于SBS改性沥青，因为融雪剂遭到改性剂破坏，其低温性能将受到影响。同时，不同的试验温度对于融雪剂及改性剂的性能发挥也有着明显的影响，导致混合料的试验结果发生变化。总体上，经融雪剂影响后的小梁试件低温抗弯拉强度与沥青5 ℃延度及当量脆点均有良好的线性相关性。
参考文献：
[1] 秦 炜，赵音延，戴献元.醋酸钙镁盐的应用及开发[J].现代化工，2000， 20（9）：61-63.
[2] 吴天容.国外化学融雪剂除冰剂的开发与进展[J].无机盐工业， 1989（5）：28-32.
[3] 郑南翔，张永满，张宜洛.沥青的低温性能试验研究[J].重庆交通学院学报，2005， 24（1）：53-56.
[4] Robert A Hartley，David H Wood.Deicing chloride solution with low weight carbohydrate fractions [P].US，7045076，2006-05-16.
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更新时间：2025/3/21 20:41:48