劉 亮, 陳隆杰, 鮑 意, 張華卿, 金肅靜, 謝林林, 邵明玉

(1.浙江省交通運輸科學(xué)研究院 浙江省道橋檢測與養(yǎng)護技術(shù)研究重點實驗室，浙江 杭州 310023；2.上海建工四建集團有限公司，上海 201103)

0 引言

我國北方大部分區(qū)域和南方某些高山區(qū)域，由于氣溫較低，冬季積雪時間較長，容易引起路面積雪結(jié)冰，給車輛和行人帶來安全隱患[1-2]。傳統(tǒng)的被動式除冰雪方法主要以撒布NaCl、MgCl2、CaCl2等氯鹽融雪劑為主，其融雪效果較好，價格便宜，但同時會造成附屬的金屬結(jié)構(gòu)物腐蝕和植被的破壞以及污染環(huán)境[3]。近年來，環(huán)保型的主動融冰雪路面技術(shù)受到眾多道路科研工作者關(guān)注[4]，該技術(shù)是將融冰化雪材料替代集料或礦粉，應(yīng)用于瀝青混合料中，降低瀝青路面冰點，起到融化路面冰雪的效果，其關(guān)鍵技術(shù)是融冰雪材料的研發(fā)和應(yīng)用[5]。

融冰雪材料主要通過緩慢釋放抗凝冰鹽分以降低路面的冰點，達到有效阻止和延緩路面結(jié)冰的效果[6]。上世紀，瑞士和日本分別開發(fā)出Verglimit和Mafilon材料，并將其應(yīng)用于瀝青路面中，起到了很好的降低瀝青路面冰點、長時間有效除冰雪效果[7～8]。目前，我國對于主動融冰雪路面技術(shù)的開發(fā)研究還處于起步階段，相關(guān)科研工作者做了大量的研究工作。劉壯狀等[9-10]對融雪抑冰路面的鹽化物材料、混合料及其性能進行評價分析，表明融雪抑冰材料能有效延緩積雪形成，加快瀝青混合料表面冰雪融化?？到輀11]以沸石作為瀝青路面集料，并將鹽化后的沸石集料應(yīng)用于瀝青路面中，獲得了較好的除冰雪效果，但其緩釋效果不佳。

綜上所述，環(huán)保型的主動融冰雪路面技術(shù)的研究重點方向集中在材料組成、國內(nèi)工程的適用性及材料的應(yīng)用等方面。本文從蓄鹽材料組成出發(fā)，以多孔火山灰為載體，將NaCl與火山灰高溫煅燒，用不同的改性劑進行憎水處理，再加入到菱鎂水泥中，通過養(yǎng)護、破碎、球磨等工藝制備新型融冰雪蓄鹽材料，以替代瀝青混合料中的礦粉，該研究可為相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)以及工程應(yīng)用提供借鑒。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

火山灰主要化學(xué)成分見表1。氧化鎂：一等品，工業(yè)氧化鎂，產(chǎn)自山東濟南，活性MgO含量≥60%，游離CaO含量≤2.0%，燒失量為4%～9%；氯化鎂：產(chǎn)自山東濰坊，有效氯化鎂含量≥45%，NaCl含量≤1.5%，CaCl2含量≤1.0%；表面改性劑：硅烷偶聯(lián)劑KH-550、硅烷偶聯(lián)劑KH-570、鋁酸酯偶聯(lián)劑PN-827，產(chǎn)自江蘇南京；瀝青：A級70#普通瀝青，浙江某公司生產(chǎn)，針入度(25℃，100g，5s)為68.0(0.1mm)，延度(15℃)>100cm，軟化點為48.0℃；集料：石灰?guī)r，浙江諸暨產(chǎn)；水：普通去離子水，pH值為中性；鹽：工業(yè)級鹽，山東海合化工有限公司生產(chǎn)，NaCl含量≥99%。

表1 火山灰的主要化學(xué)成分名稱所占比例/%SiO246～68CaO1～9Al2O313～17Fe2O34～12MgO0.3～6燒失量1～9

1.2 試驗方案

1.2.1蓄鹽材料研制

1)將NaCl和火山灰按照質(zhì)量比1∶1拌和均勻，放入高溫熔爐中，勻速升溫至850℃，經(jīng)高溫煅燒2h制備蓄鹽載體材料，其煅燒步驟如圖1所示；同時按照MgO與MgCl2的物質(zhì)的量比取9∶1，氯化鎂與水的質(zhì)量比取1∶3來制備菱鎂水泥，以制備蓄鹽載體材料的結(jié)合體。

圖1 蓄鹽載體材料制備工藝

2)選擇濕法表面改性技術(shù)[12]，稱取適量的蓄鹽載體材料置于無水乙醇中超聲分散30min，同時取適量偶聯(lián)劑，蓄鹽材料與偶聯(lián)劑按照質(zhì)量比1∶0.01置于無水乙醇溶液中，在 60℃的恒溫水浴中攪拌 2h；隨后進行離心分離，將預(yù)處理所得固體顆粒置于60℃溫度下干燥12h，即得改性后的蓄鹽載體材料，再將菱鎂水泥質(zhì)量30%的蓄鹽載體材料、菱鎂水泥質(zhì)量0.01%的偶聯(lián)劑共同加入到菱鎂水泥膠漿中。然后將水泥膠漿放入溫度為(20±2)℃，濕度為95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱養(yǎng)護28d，經(jīng)烘干、破碎和球磨等生產(chǎn)工藝制備符合瀝青混合料填料要求的融冰雪蓄鹽材料，制備流程如圖2所示，制得的蓄鹽材料如圖3所示。

圖2 融冰雪蓄鹽材料制備工藝

圖3 蓄鹽材料

3)本試驗方案中分別選用硅烷偶聯(lián)劑KH-550、硅烷偶聯(lián)劑KH-570、鋁酸酯偶聯(lián)劑 PN-827作為改性劑，分別制備蓄鹽材料SSM-KH-550、SSM-KH-570、SSM-PN-827，以不進行改性處理的材料(Control Group，SSM-CG)作為對照組。

1.2.2物理性能測試

按照《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42-2005)和《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)將制備的蓄鹽材料進行礦粉的外觀、表觀密度、親水系數(shù)、塑性指數(shù)試驗分析。

1.2.3鹽分析出試驗

蓄鹽材料拌和到瀝青混合料后，在瀝青的包裹作用下，試件進行鹽分析出試驗時間較長，因此本研究直接將蓄鹽材料放入去離子水中進行鹽分析出試驗，縮短試驗時間，以電導(dǎo)率表征蓄鹽材料中鹽分的析出速度。試驗將磨細后的蓄鹽材料固體顆粒20g放入150mL去離子水中，用電導(dǎo)率儀每隔2min測定一次固體顆粒所在去離子水的電導(dǎo)率，直至電導(dǎo)率不再增加為止。

1.2.4性能試驗

混合料礦料如表2所示。集料采用石灰?guī)r，油石比5.0%，制作AC-13C型瀝青混合料試件，以融冰雪蓄鹽材料替代AC-13C型瀝青混合料級配中的礦粉，替代質(zhì)量比例分別為0、25%、50%、75%、100%，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTGE20-2011)要求對瀝青混合料進行浸水殘留穩(wěn)定度比、動穩(wěn)定度、低溫彎曲應(yīng)變試驗。

表2 混合料礦料級配類別以下篩孔(mm)的通過率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075下限100906838241510754上限100100856850382820158級配100.096.869.350.233.223.615.39.97.66.0

2 結(jié)果與討論

2.1 物理性能測試

因制備的蓄鹽材料是作為填料替代礦粉，需具備一定的憎水性，而NaCl遇水極易溶解，故試驗采用不同的表面改性劑對蓄鹽載體材料進行憎水處理，以到達緩慢釋放鹽分的效果，且其物理性能指標(biāo)必須符合瀝青混合料用礦粉要求，表3為4組蓄鹽材料的物理性能測試結(jié)果。

表3 不同蓄鹽材料物理性能測試項目外觀表觀密度/(g·cm-3)親水系數(shù)塑性指數(shù)SSM-CG有團粒結(jié)塊2.6980.963.2SSM-KH-550無團粒結(jié)塊2.6800.863.1SSM-KH-570無團粒結(jié)塊2.6830.853.2SSM-PN-827無團粒結(jié)塊2.6951.023.9技術(shù)要求無團粒結(jié)塊≥2.50<1<4

從表3中可以看出，SSM-CG組蓄鹽材料外觀上有團粒結(jié)塊，不符合要求；SSM-PN-827組蓄鹽材料親水系數(shù)>1，不符合要求；SSM-CG組親水系數(shù)相對較高，經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH-550和硅烷偶聯(lián)劑KH-570改性后的蓄鹽材料親水系數(shù)較低。其主要原因是火山灰載體主要成分為SiO2，SiO2表面經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑修飾改性后，其表面附著親油基團，具有很好的疏水性[13]，可提高蓄鹽材料的疏水性能；而鋁酸酯偶聯(lián)劑PN-827在提高無機物表面疏水性方面雖然能起到一定作用，但作用有限。通過試驗可知，經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH-550和硅烷偶聯(lián)劑KH-570改性的蓄鹽材料SSM-KH-550、SSM-KH-570疏水性能較好，同時外觀、表觀密度、塑性指數(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

2.2 鹽分緩釋性能分析

由于蓄鹽材料鹽分釋放后，瀝青路面融冰除雪的功能將會失去，故本試驗采用不同的表面改性劑對蓄鹽載體材料進行憎水處理，以延緩鹽分的析出速度。圖4為所測試的4組蓄鹽材料在去離子水中電導(dǎo)率隨時間變化的趨勢。

圖4 不同蓄鹽材料電導(dǎo)率

電導(dǎo)率試驗可以表征鹽分析出的情況，電導(dǎo)率越大，則去離子水中的離子越多，蓄鹽材料釋放的鹽分越多；電導(dǎo)率曲線斜率越大，曲線上升速度越快，則去離子水中的離子增加量越快，蓄鹽材料釋放的鹽分越快。從圖4中可以看出，NaCl和火山灰經(jīng)過850℃煅燒制備的蓄鹽材料經(jīng)表面改性處理后，電導(dǎo)率增加速度明顯變緩。其中，未進行改性處理的蓄鹽材料SSM-CG組電導(dǎo)率上升明顯，在20min左右鹽分已經(jīng)基本釋放完畢，水的電導(dǎo)率已達到飽和狀態(tài)；以鋁酸酯偶聯(lián)劑 PN-827作為改性劑的蓄鹽材料SSM-PN-827電導(dǎo)率上升相對于SSM-KH-550和SSM-KH-570更快；經(jīng)改性劑硅烷偶聯(lián)劑KH-550和硅烷偶聯(lián)劑KH-570改性的蓄鹽材料的電導(dǎo)率變化趨勢相似，鹽分均在 70min 左右完全溶出，其中硅烷偶聯(lián)劑KH-570改性的蓄鹽材料鹽分的溶出速率略低于硅烷偶聯(lián)劑KH-550改性的蓄鹽材料。其主要原因是KH-570具有較好的憎水處理效果，SiO2表面經(jīng)KH-570修飾改性后，其表面附著親油基團，具有很好的疏水性，阻斷了水向蓄鹽材料內(nèi)部滲透，起到保護蓄鹽材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的效果，使蓄鹽材料內(nèi)的鹽分不受水的破壞影響，緩慢向外釋放。由此可知，SSM-KH-570 更適合用作路面的融冰雪蓄鹽材料。

2.3 瀝青混合料性能分析

2.3.1水穩(wěn)定性

在行車荷載作用下，瀝青路面在使用過程中受到雨水的沖刷，蓄鹽材料長期被水分包圍，浸水殘留穩(wěn)定度比可以反映出瀝青路面的抗水損害性能。為研究本試驗中瀝青路面所用的蓄鹽材料對瀝青混合料水穩(wěn)性影響，對SSM-KH-570、SSM-CG 2種蓄鹽材料的馬歇爾試件進行浸水殘留穩(wěn)定度比試驗，結(jié)果如圖5所示。

圖5 殘留穩(wěn)定度隨蓄鹽材料摻入比例變化

從圖中5可以看出，SSM-KH-570、SSM-CG 這2種蓄鹽材料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度比差異較大。采用SSM-KH-570蓄鹽材料，隨著替代礦粉比例的增加，浸水殘留穩(wěn)定度比逐漸增加；采用SSM-CG蓄鹽材料，隨著替代礦粉比例的增加，浸水殘留穩(wěn)定度比逐漸降低。分析原因主要為SSM-CG蓄鹽材料未進行憎水處理，而菱鎂水泥、蓄鹽材料因自身特點與水易分解變形[14-16]，當(dāng)水分滲透入填料與瀝青表面，瀝青與菱鎂水泥之間發(fā)生脫落，瀝青混合料浸水殘留穩(wěn)定度比降低。而SSM-KH-570蓄鹽填料，經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理后具有較好的疏水特點，能很好地抵抗水的侵蝕；另一方面，硅烷偶聯(lián)劑自身具有聯(lián)接有機物和無機物的特點，增加了蓄鹽材料與瀝青的黏結(jié)性，因此，采用SSM-KH-570蓄鹽材料，隨著摻入比例的增加，浸水殘留穩(wěn)定度比均逐漸增加。從試樣結(jié)果看，當(dāng)SSM-KH-570替代礦粉質(zhì)量比例取60%時效果較好。

2.3.2高溫穩(wěn)定性

動穩(wěn)定度是反映瀝青路面高溫抗變形性能的重要指標(biāo)，摻入蓄鹽材料后瀝青混合料動穩(wěn)定度的試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 動穩(wěn)定度隨蓄鹽材料摻入比例變化

從圖6可以看出，隨著蓄鹽材料替代礦粉比例的增加，2種蓄鹽材料的動穩(wěn)定度均有所增加，且增加的幅度和差異較小，蓄鹽材料SSM-KH-570的動穩(wěn)定度稍高于SSM-SG，說明SSM-KH-570部分替代礦粉可增加瀝青混合料的中瀝青膠漿的黏聚性，對瀝青混合料的動穩(wěn)定度有一定的提升作用。

2.3.3低溫性能

融冰雪蓄鹽材料的主要作用是低溫環(huán)境下使瀝青路面達到主動融冰雪效果。低溫彎曲破壞應(yīng)變是反映瀝青路面低溫抗變形性能的重要指標(biāo)，摻入蓄鹽材料后瀝青混合料低溫彎曲破壞應(yīng)變試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 低溫彎曲破壞應(yīng)變隨蓄鹽材料摻入比例變化

從圖7看出，隨著蓄鹽材料替代礦粉量的增加，SSM-KH-570組的低溫彎曲破壞應(yīng)變值有小幅度增加，其主要原因是SSM-KH-570部分替代礦粉會增加瀝青混合料中瀝青膠漿的黏聚性，故對瀝青混合料抵抗低溫破壞性能有一定的提升作用。SSM-SG組瀝青混合料的低溫彎曲破壞應(yīng)變隨SSM-SG摻量的增加而降低，其主要原因與前文所述SSM-SG的外觀上有團粒結(jié)塊有關(guān)，SSM-SG的團粒結(jié)塊會使其在瀝青膠漿中分布不均勻，使瀝青混合料在低溫下受到應(yīng)力時產(chǎn)生破壞。從以上試驗結(jié)果可知SSM-KH-570替代礦粉的效果較好。

3 結(jié)論

1)經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH-550和硅烷偶聯(lián)劑KH-570改性的蓄鹽材料SSM-KH-550、SSM-KH-570疏水性能較好。

2)未進行改性處理的蓄鹽材料SSM-CG組電導(dǎo)率上升明顯，經(jīng)鋁酸酯偶聯(lián)劑 PN-827改性的蓄鹽材料SSM-PN-827電導(dǎo)率上升相對于SSM-KH-550、SSM-KH-570更快。SSM-KH-570更適合作為路面的融冰雪蓄鹽材料。

3)采用SSM-KH-570后，隨著蓄鹽材料摻量增加，瀝青混合料浸水殘留穩(wěn)定度比均逐漸增加；采用SSM-CG后，隨著蓄鹽材料摻量增加，浸水殘留穩(wěn)定度比均逐漸降低。當(dāng)SSM-KH-570替代礦粉質(zhì)量比例取60%時效果較好。

4)采用SSM-KH-570鹽材料后，隨著蓄鹽材料摻量增加，1瀝青混合料動穩(wěn)定度、低溫彎曲破壞應(yīng)變均有所增加，SSM-KH-570替代礦粉的應(yīng)用效果較好。