鹽凍條件下瀝青混合料低溫性能研究

宋云連，高盼，蔣宇

（內蒙古工業大學內蒙古自治區土木工程結構與力學重點實驗室，內蒙古呼和浩特 010051）

0 引言

中國北方地區冬季氣溫較低，在持續降雪環境下，為了道路交通流暢和行車安全，通常采用機械除雪、加熱路面除雪、撒融雪劑等含鹽類物質除雪［1］，氯鹽類融雪劑不僅融雪效果好，而且價格便宜，因此被推廣應用，但氯鹽對瀝青路面有腐蝕作用，進而導致瀝青混合料的耐久性迅速下降［2-5］；為了使融雪劑對路面的損傷降到最低，大量科研人員研究不同濃度的融雪劑溶液對路面的損傷程度［6］，通過鹽凍融循環次數來研究路面的衰變規律［7-8］，但北方地區氣候復雜，瀝青路面不僅受到融雪劑濃度的影響，而且鹽凍時間、環境溫度也會對瀝青路面產生一定的影響，因此，研究融雪劑的濃度、鹽凍時間、環境溫度對瀝青混合料低溫性能的影響規律，對指導鋪撒融雪劑具有實際意義。

本文主要考慮了P 型融雪劑和H 型融雪劑在不同濃度、不同溫度下的融冰能力以及不同鹽凍時間對瀝青混合料低溫性能的影響，研究融雪劑濃度、鹽凍時間、環境溫度對瀝青混合料性能影響的顯著程度。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料

1.1.1 集料及混合料級配

所用瀝青為90#基質瀝青，采用AC-13 混合料類型，粗、細集料均產自呼和浩特賽罕區拌和站大青山玄武巖，性能均符合規范［9］要求。AC-13 礦料級配范圍及合成級配見表1，通過馬歇爾試驗確定最佳油石比為4.988%。

表1 AC-13 礦料合成級配

1.1.2 融雪劑

本試驗選用以CaCl2占比約為71%的P 型融雪劑和NaCl 占比約為59%的H 型融雪劑，P 型融雪劑為白色針片狀固體，H 型融雪劑為白色粉末與褐色固體顆粒狀混合物，根據規范［10］，采用溶解速率評價融雪劑的融雪化冰能力，試驗結果如表2 所示。

表2 兩種融雪劑（P 型、H 型）溶解能力測試結果

1.2 融冰能力試驗

本試驗方案是在規范［10］測試方法上的進一步拓展，在測定融雪劑相對融冰能力時，采取使用融雪劑溶液來融冰的測試方法，北方地區冬季氣溫通常在0 ℃以下，且氣溫多變，消除極端天氣的影響，設置多組溫度評價融冰能力，為實現上述想法，按照國標中的規定進行試驗：①在8 個型號相同的燒杯中分別加入15 mL 的水，在（-10±1）℃的冰箱中凍3 h，制成8 塊形狀相同的冰塊，稱取冰塊與燒杯的質量記作m0；②將P 型、H 型融雪劑固體顆粒按照10%、20%、30%、40%的濃度溶解于溶液體積為2 L 的燒杯中，攪拌均勻；③將高低溫交變箱的溫度分別調至-20 ℃、-10 ℃、0 ℃，待其穩定5 min 后，取不同濃度的融雪劑溶液25 mL，將8 個裝有冰塊的燒杯分成兩組，一組分別倒入不同濃度的P 型融雪劑溶液；另一組分別倒入不同濃度的H 型融雪劑溶液，然后在高低溫交變箱中靜置0.5 h 后，取出燒杯；④將燒杯中的融雪劑溶液與水一并倒出，此時稱剩余冰塊與燒杯的質量記作m1，此時融冰質量為Δm=m0-m1。

1.3 小梁彎曲試驗

本試驗是模擬瀝青路面在融雪劑溶液鹽凍浸泡后，對瀝青路面低溫性能的影響，試驗步驟如下：①制備250 mm×30 mm×35 mm 棱柱體小梁試件，試件在放入融雪劑溶液之前，先進行1 h 飽水；②將飽水后的試件放入裝有不同濃度融雪劑溶液的容器中；③將容器中的試件放入溫度為-20 ℃、-10 ℃、0 ℃的高低溫交變箱；④由于不同溫度對路面鹽凍時間影響差異較大，根據北方地區氣溫特點，將鹽凍時間分別設為8 h、24 h、72 h，鹽凍后取出試件進行小梁彎曲試驗。

1.4 小梁彎曲蠕變試驗

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）［11］進行試驗。

2 試驗結果分析

2.1 融雪劑濃度對融冰能力的影響

P 型、H 型融雪劑在不同溫度、濃度下的融冰質量如圖1 所示。

圖1 不同溫度下融雪劑的融冰質量

從圖1可知：隨著溫度的升高、濃度的加大，P型、H型融雪劑的融冰能力都在逐漸增強，但-20～-10 ℃時的融冰量增長幅度大于-10～0 ℃時的融冰量增長幅度；當溫度為-20 ℃時，P 型、H 型融雪劑在濃度為10%、20% 時并不能起到融冰效果，濃度為30%、40%時雖能起到一定的融冰效果，但融冰質量較小，就融冰質量總體而言，P 型融雪劑融冰質量優于H 型融雪劑2.47%～59.26%；在中國北方地區，冬季溫度通常在0 ℃以下，從融冰能力角度看，融雪劑濃度為20%～40%時能夠起到較好的融冰效果。

2.2 融雪劑濃度、溫度、鹽凍時間對小梁抗彎拉強度的影響

小梁試驗在不同融雪劑濃度、不同溫度、不同鹽凍時間測得的試件強度計算公式如（1）所示，計算結果見圖2。

圖2 融雪劑濃度對小梁試件抗彎拉強度的影響

式中：RB為試件破壞時的抗彎拉強度（MPa）；b為跨中斷面試件的寬度（mm）；h為跨中斷面試件的高度（mm）；L為試件的跨徑（mm）；PB為試件破壞時的最大荷載（N）。

由圖2 可知：隨著濃度的提高，兩種融雪劑對小梁抗彎拉強度的影響差異較大，對于P 型融雪劑，濃度在30%時，其小梁的抗彎拉強度最低，對于H 型融雪劑，濃度在20%時，其小梁抗彎拉強度最低，原因為當融雪劑溶液濃度太高時，融雪劑顆粒不能完全溶于水，從而無法通過鹽水溶液浸入小梁試件內部，從兩種融雪劑對小梁損傷程度的大小來看，P 型融雪劑對試件的損傷均高于H 型融雪劑；當溫度為-20 ℃時，推薦P 型、H 型融雪劑濃度為40%，當溫度為-10～0 ℃時，推薦P 型融雪劑濃度為20%和H型融雪劑濃度為30%，在此濃度下，不僅融冰效果較好，且能減小瀝青路面的損害；當融雪劑濃度為0 時，其抗彎拉強度并不隨著鹽凍時間的增長而降低，但在其他濃度時，鹽凍時間從8 h 到24 h 時，其強度下降較大，而鹽凍時間超出24 h 時，小梁抗彎拉強度下降較小，小梁抗彎拉強度在鹽凍時間為24 h 時，其抗彎拉強度損傷已接近最大，與鹽凍時間為72 h 相比，其最大降低幅度僅為2.25%；因此，為了降低瀝青路面的損傷，盡量做好排水，減少鹽濃度的侵蝕，使鹽凍時間對路面的損傷降到最低。

2.3 融雪劑濃度、鹽凍時間對小梁蠕變速率的影響

采用不同融雪劑濃度、不同鹽凍時間時測得的小梁試件彎曲蠕變速率評價瀝青混合料的低溫變形性能，計算公式見式（2），計算結果如圖3 所示。

圖3 融雪劑蠕變速率圖

式中：d（t）為實時跨中撓度（m）；t1、t2分別為蠕變曲線穩定期起點、終點對應時間（s）；?1、?2分別為t1、t2對應的彎曲應變；?（t）為試件梁底彎拉應變；?s為彎曲蠕變速率［1/（s ·MPa）］。

由圖3 可知：除鹽濃度為0 外，各小梁的彎曲蠕變速率都隨著鹽凍時間的增加而降低，蠕變速率越大，瀝青路面抵抗開裂的性能越好，因此，減少鹽凍時間能夠提高瀝青混合料的低溫變形性能，P 型融雪劑在濃度為30%時，蠕變速率最低，而H 型融雪劑在濃度為20%時，蠕變速率最低，說明兩種融雪劑在此濃度下對瀝青路面的危害最大，在工程實際應用中，應盡量避免在此濃度下融雪化冰。

3 統計分析

3.1 灰色關聯度分析

灰色關聯度理論是以因素之間的發展態勢、幾何對應關系為依據來衡量因素之間的關聯程度，計算步驟如下：設參考數列為X0={X0( 1 )，X0( 2 )，…，X0(n)}，比 較 數 列 為Xi={Xi( 1 )，Xi( 2 )，…，Xi(n)}，(i=1，2，3，…，m)，用均值法將數列歸一，如式（3）所示：

比較數列和參考數列的關聯系數如式（4），灰色關聯度如式（5）所示：

式中：k=1，2，3，…，n；i=1，2，3，…，m；ξ為分辨系數，其值為0～1，一般取0.5；γi為比較數列Xi對參考數列X0的關聯度系數，其值越大，關聯度越大。

本研究以融雪劑濃度作為參考數列，以融冰質量（0 ℃）、抗彎拉強度（-10 ℃）、蠕變速率作為比較數列，融雪劑濃度的灰色關聯度計算結果如表3所示。

表3 融雪劑濃度與各比較系列的灰色關聯度結果

由表3 可知：無論P 型融雪劑還是H 型融雪劑，其融雪劑濃度對融冰質量的影響最為顯著，對于P 型融雪劑，濃度對抗彎拉強度影響的顯著程度大于蠕變速率，而對于H 型融雪劑，濃度對抗彎拉強度和蠕變速率的影響無顯著差別，但隨著鹽凍時間的增加，二者的顯著程度發生變化，P 型融雪劑隨著鹽凍時間的增加，其濃度對抗彎拉強度影響的顯著程度增大，對蠕變速率影響的顯著程度減小，而H 型融雪隨著鹽凍時間的增加，其濃度對抗彎拉強度和蠕變速率的影響程度與P 型融雪劑的規律相反。

3.2 方差分析

為分析不同因素對小梁抗彎拉強度的影響，把融雪劑濃度、溫度、鹽凍時間兩兩作為一組進行雙因素方差分析，計算結果如表4 所示。

表4 方差分析結果

當F值大于F0.05時，此因素對試驗結果影響顯著，當F值大于F0.01時，此因素對試驗結果影響高度顯著。由表4 可知：無論P 型還是H 型融雪劑，二者對小梁抗彎拉強度的影響相同，當鹽凍時間變化時，融雪劑濃度對抗彎拉強度的影響不顯著，溫度對抗彎拉強度的影響顯著；當融雪劑濃度變化時，溫度對小梁抗彎拉強度影響高度顯著，在融雪劑濃度為10% 時，鹽凍時間對小梁抗彎拉強度影響顯著，其他濃度時，鹽凍時間對小梁抗彎拉強度的影響均高度顯著；當溫度發生變化時，融雪劑濃度對小梁抗彎拉強度影響高度顯著，溫度在-10 ℃時，鹽凍時間對小梁抗彎拉強度影響顯著，其他溫度時，鹽凍時間對小梁抗彎拉強度的影響均高度顯著；融雪劑濃度、溫度、鹽凍時間對小梁抗彎拉強度的影響程度順序依次為：溫度>融雪劑濃度>鹽凍時間。

4 結論

（1）通過融冰試驗可知，無論融雪劑種類及濃度如何變化，在-20 ℃～-10 ℃時的融冰量增長幅度大于-10 ℃～-0 ℃時的融冰量增長幅度；當溫度為-20 ℃時，融雪劑濃度在30%以上時才能起到融冰效果，但融冰質量較小，就融冰質量而言，P 型融雪劑融冰質量優于H 型融雪劑。

（2）基于小梁彎曲試驗和彎曲蠕變試驗可知，當溫度為-20 ℃時，推薦P 型、H 型融雪劑濃度為40%，當溫度為-10 ℃～0 ℃時，推薦P 型融雪劑濃度為20%和H 型融雪劑濃度為30%，此時不僅融冰效果較好，且能減小瀝青路面的損害，當鹽凍時間為24 h 時，其小梁強度損傷已接近最大，與鹽凍時間為72 h 相比，其最大降低幅度僅為2.25%，而蠕變速率都隨著鹽凍時間的增加而降低，減少鹽凍時間能夠提高瀝青混合料的低溫變形性能。

（3）由灰色關聯度分析發現：P 型、H 型融雪劑濃度均對融冰質量的影響最為顯著，對抗彎拉強度和蠕變速率的影響差異較大；由方差分析得知，對小梁抗彎拉強度影響的顯著程度順序依次為：溫度>融雪劑濃度>鹽凍時間。