路用蓄鹽除冰纖維配比設計及除冰性能確定

陽恩慧,廖苑淞,張曉靖,李 杰,馬博男,袁飛云,邱延峻

(1.西南交通大學 土木工程學院,成都 610031;2.西南交通大學 道路工程四川省重點實驗室,成都 610031;3.四川雅康高速公路有限責任公司,成都 610041;4.四川高速公路建設開發集團有限公司,成都 610041)

蓄鹽除冰雪作為一種主動的道路除冰技術被各國青睞。Wu等[1]采用除冰鹽Mafilon,以等體積取代礦物填料的方式設計蓄鹽抗凍瀝青混合料,采用定性觀察法、傾斜剪切試驗和剝離試驗來評估其抗凍性能。Chen等[2]總結以往學者研究,針對一種蓄鹽抗凍混合料,基于準液層理論的冰粘附模型很好地解釋了蓄鹽抗凍瀝青混合料可以顯著減弱冰的粘附強度。Shan等[3]通過向改性乳化瀝青中添加除冰鹽,研發一種抗凝冰乳化瀝青,該種瀝青可以使冰-路附著力降低約50%。Luo等[4]采用除冰劑替換改性瀝青混合料中的礦物填料,制備蓄鹽除冰混合料,此混合料不僅在融冰性能方面表現出顯著優勢,而且在抗車轍和低溫性能方面的表現也明顯優于常規SBS混合料。以往研究表明,蓄鹽除冰是一種極具前景的路面除冰技術,近年來此項技術不斷發展并應用于實際路面,但仍存在諸多不足。張麗娟等[5]通過等體積替換法將融冰雪添加劑MFL摻加到瀝青混合料中,優化其配合比設計,但由于材料為非自主研發而缺乏創新性。孫玉齊[6]提出不同分區蓄鹽自融雪瀝青混合料配合比設計的指導原則,對材料的本身沒有進一步研究。孫嶸蓉[7]從蓄鹽載體、制備工藝、表面改性等方面進行蓄鹽材料的研制,研發了具備一定融冰雪效果且滿足路用性能的主動除冰路面。馮雷[8]綜合融冰雪效果、經濟和環保等多方面因素,選擇一種多孔復合材料作為蓄鹽載體,無機鹽作為主要的有效除冰雪成分,使其代替部分瀝青混合料中礦粉,制備自融冰雪瀝青混合料,材料具備一定的緩釋和除冰效果,但制備工藝較復雜。

目前的蓄鹽路面添加劑主要成分多為氯鹽產品,會對環境產生不可逆的影響?；诖爽F狀,研究者開始研發生態友好型抗凝冰材料,以此替代現有產品[9-13]。張航[14]首次將路用纖維作為蓄鹽載體,制備了蓄鹽復合纖維瀝青膠漿,并對蓄鹽復合纖維進行了微觀試驗,測試了混合料冰附強度,驗證其材料具備除冰能力和良好的路用性能,但未對其緩釋性能進行測試。零立山[15]采用醋酸鈉和醋酸鉀作為有效除冰成分,選擇硅藻土為蓄鹽載體,以緩釋性、融冰量等性能作為評價指標,確定環保除冰添加劑的成分比例,并研究環保除冰填料對瀝青和瀝青混合料的影響。張亞賢[16]通過融冰試驗確定了有機鹽的復配比例,對環保除冰材料進行表面包膜、造粒處理,制備出路用抑凝冰材料,但其緩釋性能欠佳。

為制備兼具環保、經濟、緩釋的除冰路用材料,文中選取乙酸鈉、乙酸鉀、甲酸鈉作為有效抗凝冰成分,木質纖維和海泡石纖維作為蓄鹽載體。通過融冰試驗和電導率試驗確定各成分配比,選擇自干滲透型有機樹脂做表面改性劑,對制備工藝進行研究,研制出環保除冰材料,并對其性能進行分析。

1 材料選擇和試驗方法

1.1 材料選擇

1.1.1 環?？鼓牧?/p>

目前,可用的環保型抗凝冰材料有甲酸鈉、乙酸鈉、乙酸鉀等有機鹽。

甲酸鈉(HCOONa)作為一種有機鹽,具有一定的抗凝冰作用,對路面的使用壽命基本沒有大的影響。甲酸鈉可作為除冰路面的添加劑,具有降低溶液冰點功能,且毒性低,低濃度溶液可以直接排入污水系統中,其熔點為253 ℃,對土壤的侵蝕性也遠小于氯化鈉。

乙酸鈉(CH3COONa)也是一種有機鹽,呈白色粉末狀,通常作為機場跑道除冰劑的一種,沒有腐蝕性。相比甲酸鈉,乙酸鈉同濃度下具備更優秀的融冰能力,因為溶液的冰點更低。研究表明,乙酸鈉可明顯減小冰與路面的粘附力,其熔點為324 ℃。此外,乙酸鈉毒性低,低濃度的乙酸鈉甚至可以添加進食品中作為食品添加劑。

乙酸鉀(CH3COOK)同樣是醋酸鹽的一種,呈無色結晶或者白色粉末狀,也可用作抗凝冰物質,代替氯化鈣和氯化鎂之類的傳統氯化物。它對土壤的侵蝕和腐蝕性更小,尤其適用于機場跑道除冰,但缺點是價格較昂貴。

1.1.2 纖維載體

當前,用于道路建設的纖維材料包括木質素、玄武巖、聚酯類和海泡石等。聚酯纖維和玄武巖纖維都是通過化學處理和機械加工制成的合成高聚物和礦物纖維。它們通常為白色,帶有光澤,呈圓柱形,但長度較長,達到厘米級別。由于表面光滑,不適合用作蓄鹽載體。

木質素纖維是植物纖維中的一種,它們具有淺綠色或灰色的外觀,是一種有機纖維,是由天然可再生木材經過化學處理等加工得到的絮狀纖維物質,耐酸耐腐蝕,對人體無害,且比重小,比表面積大,對瀝青有很好的吸附作用。海泡石纖維作為非金屬礦物纖維的一種,通常為白色,有時為紅色或淺灰色等,通常呈致密狀或土狀。由于該纖維具有層鏈狀特殊結構,孔容和比表面積很大,吸附性能和流變性能都很好,表現出多孔介質特性,可有效吸附和儲存鹽類物質。

綜合考慮宏觀和微觀特性,選用木質素纖維和海泡石纖維作為蓄鹽載體。木質素纖維富有毛狀且狀似絨毛的外觀(見圖1),而海泡石纖維則呈現高比表面積和孔隙度、致密土的形態(見圖2)。

圖1 木質素纖維

圖2 海泡石纖維

1.1.3 瀝青

通過以往的研究,由于瀝青種類不同產生路面凍粘強度的變化很小,為避免不同瀝青對數據的影響,文中統一采用SBS改性瀝青,并參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)對該瀝青的各項指標進行檢測,檢測結果表明,SBS改性瀝青的各項指標均滿足要求。檢測結果如表1所示。

表1 瀝青性質

1.1.4 表面改性劑和骨料

文中表面改性劑采用自干醇溶性有機樹脂(SJ-140M),選用的粗、細集料均為玄武巖礦料,礦粉和集料均滿足《公路工程集料試驗規程》(JTG E42-2005)。

1.2 試驗方法

1.2.1 蓄鹽纖維及瀝青混合料制備

1)蓄鹽纖維制備。首先將自來水加熱到50～60 ℃,再加入適量的復合有機鹽,通過攪拌使鹽充分溶解,制成鹽溶液;先后加入一定質量的海泡石纖維和木質素纖維到鹽溶液中,并按照固定的纖維與鹽的質量比例添加,然后在微沸狀態下持續攪拌,使纖維與鹽溶液充分混合,得到共混物;將共混物倒進0.075 mm的篩子過濾掉多余水分,隨后放在130 ℃的烘箱里進行烘干,取出并將其打碎,通過 0.6 mm 篩網過篩后得到蓄鹽纖維粉體;將蓄鹽纖維粉體加入到單組分高溫型有機樹脂中,將其充分攪拌后放進130 ℃的烘箱里烘干2 h,將烘干后的混合物打碎,通過0.075 mm篩孔,得到表面改性過后的蓄鹽纖維。

2)瀝青混合料制備。級配與瀝青用量如表2所示,蓄鹽纖維采用等體積法摻入瀝青混合料中,替換率為66%。試件成型參照旋轉壓實方法。

表2 礦料級配和瀝青組成 %

1.2.2 成分配比試驗

1.2.2.1 基于單純形重心設計的融冰試驗

1)首先準備21個直徑為10 cm的不銹鋼杯子。使用這種杯子可以使冰塊更快地凍結且有較大表面積,以便更容易測定融冰效果。接著將相同體積的水加入到杯子中,使用量筒將水量控制在100 mL。然后將裝有等量水的不銹鋼杯子放入到-12 ℃的冰箱中,冷凍約5 h以保證冰塊完全凍結。

2)根據表3中各物質占比,制備出不同比例且總質量等于10 g的主物料混合料,為減小試驗的系統誤差和偶然誤差,確保數據的準確性,每種比例混合物均需制備3份,因此需準備21份預先凍結好的冰塊,然后將不同占比的混合物均勻鋪灑在凍結好的冰塊上,將冰箱溫度調節為-10 ℃。

表3 融冰試驗測試結果

3)2 h后,將各杯子中的溶液倒進量筒中量取冰融化后水溶液的體積,取其平均值。用融化后溶液的體積作為評價復合鹽融化冰雪的功效。

1.2.2.2 電導率試驗

纖維對有機鹽的吸附能力有限,為確?；旌侠w維的吸附能力,避免多余的有機鹽產生無謂耗散,按照混合有機鹽(乙酸鈉∶乙酸鉀∶甲酸鈉=7∶2∶1)∶混合纖維比例為5∶1～1∶1的比例制備含有混合有機鹽的蓄鹽纖維。取每個比例樣品的1 g放于200 g的水中,測定其隨時間變化的電導率。

1.2.3 蓄鹽纖維瀝青混合料融冰除冰試驗

1)融冰試驗。通過旋轉壓實方法制備6個高度相同,其中3個為蓄鹽纖維替換率為66%的瀝青混合料試件,3個為普通瀝青混合料試件備用。準備一個鐵盤,將馬歇爾試件模具放入其中,向模具中倒入200 mL自來水,將鐵盤放置在-14 ℃的低溫試驗箱中保溫8 h,使其完全結冰,然后將模具放于室溫下30 min,取下直徑為101.6 mm且高度相同的餅狀冰塊。將冰塊放置于準備好的瀝青混合料試件上方,然后將其放入-1 ℃的低溫箱中保溫2 h,取出試件表面的殘留冰塊并稱量其質量。

2)凍粘剪切試驗。將試件置于溫控箱中降溫,隨后向冰筒中加水并保持在溫控箱中一定時間,以確保水柱凍結在試樣表面。將凍結好的試件快速轉移到UTM機的操作臺上,進行直剪試驗,記錄剪切破壞時的最大荷載為剪切應力。試件選取蓄鹽纖維瀝青混合料AC-13作為試驗組,普通瀝青混合料作為對照組。試驗組的凍結時間選擇為8 h,凍結溫度為-10 ℃,對照組在相同條件下進行試驗。充分結冰后,通過凍粘剪切試驗測定冰與路面的凍粘剪切強度。

2 結果與討論

2.1 蓄鹽填料的成分配比確定

2.1.1 有機鹽復配比例確定

通過基于單純形重心設計的融冰試驗,測定了部分不同材料內部占比配方的融冰能力,并將數據代入回歸公式,計算出各成分占比的融冰能力,如表3所示。

根據表3的結果,如果不考慮成本,將融冰能力作為最終評價指標,可以選則m(A1)=0%、m(A2)=70%、m(A3)=30%;綜合考慮到環保性能、經濟性能和融冰性能,防止單一離子堆積過多對生態環境造成影響,同時控制材料的成本,宜選擇A1占比較多,其余離子共存的配方作為最終配方。當m(A1)=70%、m(A2)=20%、m(A3)=10%時,其融冰效果也相對較好,同時A1為主要成分,并且環保性能較好,所以確定配方為m(A1)=70%、m(A2)=20%、m(A3)=10%。

此配方的融冰效果雖然不是最佳,但相對較好。經調查,項目所在地四川省康定市2022年最低氣溫為-12 ℃,相比北方不具備長期的低負溫環境,而且項目絕大部分路段周圍都有植被覆蓋,對配方的環保性要求較高,選擇此配方能夠滿足融冰雪或降低冰和地面凍粘的要求,且對生態環境友好。

2.1.2 纖維復配比例確定

針對不同比例混合纖維的樣品溶液進行電導率試驗,試驗結果如圖3所示。

圖3 電導率試驗結果

由圖3可知,隨著混合纖維的占比增大,樣品溶液的初始電導率和最終穩定的電導率均增大。電導率初始值表示簡單吸附于纖維表面的有機鹽溶于水的數量,最終值代表樣品中鹽的總量多少。隨著時間的增加,比例為5∶1、4∶1和3∶1的溶液電導率逐漸增大,意味著吸附于纖維孔道的鹽逐步析出,最終達到穩定。比例為2∶1和1∶1的溶液電導率隨著時間增加,基本保持不變,說明大部分鹽吸附于纖維的表面,很快就析出達到穩定。比例為5∶1的溶液電導率增加幅度最大,初始值和最終值相差3倍,說明纖維很好地吸附了有機鹽,但由于纖維比例并沒有達到上限,部分有機鹽未被充分吸附,因制備工藝的誤差而耗散掉。比例為4∶1的溶液電導率達到穩定需要的時間最長,具有優秀的緩釋作用,但最終的電導率與4∶1相差不多,有機鹽的無謂耗散仍較多。比例為3∶1的溶液電導率隨時間逐步增加,在40 min時達到穩定,并且穩定的電導率為1 780 μs·cm-1,接近幾個比例最大的電導率。綜上所述,選擇復合有機鹽和混合纖維比例為3∶1作為最終的配方比例,該比例下纖維能充分吸附有機鹽,并具有初步的緩釋效果,有機鹽的耗散較小。

2.2 蓄鹽纖維瀝青混合料融除冰性能分析

由表4可知,蓄鹽纖維替換率為0%的普通瀝青混合料,由于試件本身溫度高于0 ℃,冰塊在接觸后發生了吸熱融化,2 h后的融冰速率為123 g·(h·m2)-1。蓄鹽纖維替換率為66%的瀝青混合料的融冰速率為1022 g·(h·m2)-1,遠遠超過了普通瀝青混合料,這是由于試件表面的鹽分析出,降低了表面溶液的冰點,導致冰塊的融化,這也驗證了蓄鹽纖維瀝青混合料具備一定的除冰能力。

表4 普通試件和蓄鹽纖維試件融冰結果

由表5可知,在-10 ℃的較低溫度且凝冰充分條件下,添加了蓄鹽纖維的混合料凍粘剪切強度相較于普通的瀝青混合料降低了33%,這說明即便環境溫度低于溶液的冰點,蓄鹽纖維仍具備降低冰與路面粘附的能力。通過分析破壞面可以知道,瀝青混合料表面附著一層冰沙,這是復合有機鹽溶解于水后,降低了試件表面和冰體之間的冰層本身強度,使路表出現一層質地疏松的冰,在荷載作用下變得更易破碎。

表5 普通試件和蓄鹽纖維試件凍粘強度

3 結 論

1) 綜合其融冰功效和經濟效益選擇最佳復合有機鹽配合比為乙酸鈉∶乙酸鉀∶甲酸鈉=7∶2∶1。

2) 當纖維內部比例為1∶1、復合有機鹽∶纖維=3∶1時,該比例下纖維吸鹽緩釋效果最佳。

3) 在融冰試驗中,蓄鹽纖維瀝青混合料的融冰速率為1 022 g·(h·m2)-1,表明其融冰能力良好。

4) 在較低溫度條件下凝冰后,蓄鹽纖維瀝青混合料表面凍粘強度比普通瀝青混合料下降33%,路面冰體更易破碎,其除冰降粘效果良好。

文中僅對蓄鹽纖維實際運用的短期抗凝冰性能進行探索,未對其長期抗凝冰性能進行驗證,后續可以建設道路試驗段,檢驗其耐久及緩釋性能,研究方法可為同類型研究提供參考。