甘劍鋒

摘要 為解決川西高原地區(qū)高速公路冬季行車安全問題，在路面上面層的SMA-13瀝青混合料中采用等質(zhì)量替換法添加廢胎膠粉及抗凝冰劑，分別研究其不同替換摻量對混合料的體積指標(biāo)及路用性能的影響，綜合分析確定了廢胎膠粉摻量為1%、抗凝冰劑替換率為50%。試驗(yàn)結(jié)果表明，該摻量的高彈蓄鹽瀝青混合料具有良好的融冰及除冰效果。

關(guān)鍵詞 高彈蓄鹽緩釋瀝青路面；抗凝冰劑；廢胎膠粉；路用性能；融冰除冰

中圖分類號 U416.217文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）08-0038-04

0 引言

川西高原位于四川省西部，其中的阿壩縣及紅原縣區(qū)域11月至次年3月，氣溫均小于0 ℃，平均氣溫在?10 ℃以下，年均積雪期長達(dá)3個月，該地區(qū)的氣候特征使公路冬季凝冰成為公路交通安全的重大隱患。凝冰使公路表面處于濕潤狀態(tài)，凝冰上的水膜顯著降低路表的摩擦力，嚴(yán)重威脅機(jī)動車輛的行駛安全。公路橋梁結(jié)構(gòu)與普通路基不同，受氣溫、濕度、風(fēng)速、日照等外部因素影響，更容易在橋面表面形成凝冰從而誘發(fā)安全事故。

該文研究在川西地區(qū)G0615久治（川青界）至馬爾康高速公路在建工程中應(yīng)用高彈蓄鹽緩釋瀝青路面技術(shù)，研究不同摻量的抗凝冰劑及廢胎膠粉對SMA-13瀝青混合料體積指標(biāo)及路用性能影響，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析確定最佳替換摻量，模擬評價短期時間內(nèi)路面主動融冰及除冰效果。融冰除冰基本原理為：抗凝冰劑填充混合料空隙，降低路表接觸面冰點(diǎn)，在道路表面與雪層間形成不結(jié)冰的隔離層，緩慢融解上層冰雪，延緩和阻止路面結(jié)冰；橡膠具有高彈性和柔韌性，提高了瀝青混合料的整體變形能力，使冰層在行車荷載下產(chǎn)生應(yīng)力變形從而破碎。通過廢胎膠粉和抗凝冰劑的相互作用，達(dá)到主動融雪除冰的效果，提高行車安全性。

1 原材料性能

1.1 改性瀝青

采用四川蜀物路面材料有限公司提供的SBS改性瀝青，路用性能等級滿足PG70-28的技術(shù)要求，各項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)及檢測結(jié)果見表1。

1.2 礦料

粗集料采用新鮮、堅(jiān)硬、耐磨、潔凈的玄武巖碎石，包括（11～16）mm、（6～11）mm、（3～6）mm規(guī)格，其表面粗糙，接近立方體，具有良好的崁擠能力；細(xì)集料采用（0～3）mm石灰?guī)r機(jī)制砂，顆粒飽滿，粉塵含量低；填料采用石灰?guī)r磨細(xì)得到的礦粉，干燥潔凈。以上材料的檢測指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）對應(yīng)的技術(shù)要求[1]。

1.3 木質(zhì)素纖維

采用德國瑞登梅爾父子公司的圓柱狀顆粒木質(zhì)纖維，根據(jù)廢胎膠粉對瀝青混合料析漏試驗(yàn)的影響決定其摻量。

1.4 抗凝冰劑

采用北京馬飛龍抑冰科技有限公司的Mafilon（Ⅰ型）抗凝冰劑，形狀特性為火山巖包裹氯化物等具有使凝固點(diǎn)下降作用成分的粉末狀物質(zhì)，單粒徑約為0.075 mm，顆粒級配與礦粉類似，可與瀝青混合物中的礦粉置換。主要性能指標(biāo)見表2。

1.5 廢胎膠粉

廢胎膠粉質(zhì)地均勻，無目測可見的木屑、金屬、沙礫、污物和玻璃等非橡膠組分的雜質(zhì)，無柱狀的纖維顆粒。主要性能指標(biāo)見表3。

2 研究目的及方案

依據(jù)在建工程G0615久治（川青界）至馬爾康高速公路路面上面層設(shè)計(jì)，在不改變一般環(huán)境路段瀝青路面上面層結(jié)構(gòu)形式及瀝青用量的情況下，采用等質(zhì)量替換法，在SMA-13瀝青混合料中添加廢胎膠粉（替換部分細(xì)集料）及抗凝冰劑（替換部分或全部礦粉）。具體的試驗(yàn)方案：

（1）單獨(dú)摻入廢胎膠粉，替代細(xì)集料摻量分別為礦料總質(zhì)量的0%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%，研究不同摻量對混合料的體積指標(biāo)及路用性能的影響。

（2）單獨(dú)摻入抗凝冰劑，替換礦粉摻量為礦粉質(zhì)量的0%、25%、50%、75%、100%，研究不同摻量對混合料的體積指標(biāo)及路用性能影響。

（3）確定最適合工程實(shí)際的合成摻量并驗(yàn)證其性能。對高彈蓄鹽緩釋瀝青混合料的融冰及除冰能力進(jìn)行研究，確保其工程適應(yīng)性。上面層瀝青混合料SMA-13采用油石比為6.0%，基準(zhǔn)礦料級配見表4。

3 試驗(yàn)方法

3.1 拌和工藝

試驗(yàn)室拌和依次將加熱后的粗細(xì)集料和烘干的廢胎膠粉放入拌和鍋中進(jìn)行干拌，保證廢胎膠粉均勻分散到礦料中，然后添加改性瀝青濕拌，最后將抗凝冰劑和礦粉一并投入攪拌直至均勻[2]。在現(xiàn)場制備瀝青混合料時，廢胎膠粉和抗凝冰改性劑采取外摻的方式，廢胎膠粉可通過人工投放或?qū)Ｓ猛斗旁O(shè)備，抗凝冰劑可通過粉料罐（礦粉罐）投入。試驗(yàn)室瀝青混合料拌和工藝見圖1。

3.2 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)

馬歇爾試驗(yàn)采用雙面各擊75次成型試件，試件尺寸符合直徑101.6 mm±0.2 mm、高63.5 mm±1.3 mm的要求，采用表干法測定試件的毛體積相對密度，并據(jù)此計(jì)算試件的空隙率等體積指標(biāo)。對于浸水馬歇爾試驗(yàn)，將成型好的試件隨機(jī)分開，第一組試件置于60 ℃±1 ℃的恒溫水槽中保溫0.5 h，第二組試件置于60 ℃±1 ℃的恒溫水槽中保溫48 h后，以50 mm/min±5 mm/min的加載速度測定其穩(wěn)定度，計(jì)算浸水前后試件馬歇爾穩(wěn)定度比值。

3.3 凍融劈裂試驗(yàn)

凍融劈裂試驗(yàn)采用雙面各擊50次成型的馬歇爾試件。將兩組試件隨機(jī)分開，第一組在室溫下保存?zhèn)溆?，第二組試件在真空度為97.3～98.7 kPa（730～740 mmHg）條件下保持15 min后恢復(fù)常壓，在水中放置0.5 h后取出試件放入塑料袋中，加約10 mL水，在?18 ℃±2 ℃條件下冷凍16 h±1 h，再將試件取出放入60 ℃±0.5 ℃的恒溫水槽中保溫24 h，然后將第一組與第二組試件浸入溫度為25 ℃±0.5 ℃的恒溫水槽中保溫2 h，取出試件后采用50 mm/min的加載速率進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，計(jì)算其凍融劈裂前后抗拉強(qiáng)度比值。

3.4 車轍試驗(yàn)

用車轍試驗(yàn)成型機(jī)碾壓成型300 mm×300 mm×50 mm的板塊狀試件，將試件連同試模一起在常溫條件下靜置48 h，然后將試件連同試模一起移至溫度為60 ℃±1 ℃的恒溫室中5 h，最后將試件連同試模移置于車轍試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)臺上測定其動穩(wěn)定度。

3.5 低溫彎曲試驗(yàn)

對車轍試件進(jìn)行切割，試件尺寸符合長250 mm±

2 mm、寬30 mm±2 mm、高35 mm±2 mm的要求。將試件置于?10 ℃±0.5 ℃的恒溫水槽中保溫不少于45 min，最后將試件對稱安放在彎曲試驗(yàn)機(jī)測定其最大彎拉應(yīng)變。

4 混合料試驗(yàn)及摻量確定

4.1 馬歇爾試驗(yàn)

將廢胎膠粉瀝青混合料、抗凝冰劑瀝青混合料分別定義為A類混合料及B類混合料，以各自不同替換摻量的拌制SMA-13瀝青混合料試件進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5～6。

依據(jù)表5、表6試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：

（1）隨著膠粉摻量的增大，混合料試件空隙率先減小后增大，摻量1.5%時空隙率為谷值。膠粉替換部分細(xì)集料參與級配，等質(zhì)量的膠粉比機(jī)制砂所占體積更大，摻量1.5%時，與粗集料的嵌擠及填充效果達(dá)到極限，空隙率最小；因廢胎膠粉本身具有吸油性，在油石比不變的情況下，過大摻量使參與黏結(jié)的瀝青不足，膠粉摻量3%時空隙率增大至5.1%。馬歇爾穩(wěn)定度在膠粉摻量小于1%時輕微浮動，摻量大于1.5%后穩(wěn)定度下降幅度較大。在干拌法制作橡膠瀝青混合料中，大部分廢胎膠粉以顆粒的形式存在混合料中，具有低硬度高彈性的特性，過大摻量導(dǎo)致混合料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低[3]。

（2）抗凝冰劑替換礦分填充混合料，對混合料的密實(shí)性有比較積極的作用，馬歇爾穩(wěn)定度及空隙率等指標(biāo)在替換率小于75%時，無顯著變化。

4.2 混合料性能試驗(yàn)

將A類混合料及B類混合料進(jìn)行浸水馬歇爾、凍融劈裂、車轍及低溫彎曲試驗(yàn)，驗(yàn)證其各自的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性及低溫抗裂性。試驗(yàn)結(jié)果見表7。

依據(jù)表7試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：

（1）對于A類混合料，1.5%以下膠粉摻量對高溫穩(wěn)定性影響不大，干拌法拌和時間短或改性瀝青自身與膠粉作用機(jī)理不明顯，橡膠具有的彈性和柔性可能使動穩(wěn)定度略有提升，粗集料總體上仍然起主要骨架支撐作用，膠粉摻量超過1%后車轍試件出現(xiàn)油斑現(xiàn)象，初步判斷會對瀝青路面施工及路用性能造成影響。空隙率是影響混合料水穩(wěn)定性的重要因素，0%～1.5%膠粉摻量范圍時，殘留穩(wěn)定度在93%左右浮動，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比在92%左右浮動，當(dāng)摻量大于2%后空隙率增大，水穩(wěn)定性的兩項(xiàng)指標(biāo)大幅下降。最大彎拉應(yīng)變隨著膠粉摻量的增加整體呈上升趨勢，膠粉的加入賦予了混合料低溫柔性和韌性功能，瀝青中的膠粉顆粒增強(qiáng)了瀝青黏結(jié)作用，低溫抗裂性在膠粉摻量為2%時達(dá)到峰值。

（2）對于B類混合料，隨著抗凝冰劑置換率的增加，混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性呈下降趨勢，低溫抗裂性變化不明顯。抗凝冰劑為氯化物，材料特性與堿性礦粉有差異，可能使氯化物瀝青混合料的黏結(jié)強(qiáng)度變低。殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比在0%～50%替換率范圍降低趨勢平緩，最大彎拉應(yīng)變在0%～75%替換率范圍差異不大，50%置換率存在峰值。

4.3 摻量確定

根據(jù)A、B類混合料試驗(yàn)結(jié)果并綜合分析，確定廢胎膠粉摻量為1%，抗凝冰劑替換率為50%，考慮膠粉不易分散，添加纖維用量0.3%，以確定的摻量拌制瀝青混合料試件，體積參數(shù)及混合料性能指標(biāo)均滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

5 融冰、除冰驗(yàn)證

分別拌制2組SMA-13瀝青混合料馬歇爾試件及車轍試件，1組不添加廢胎膠粉及抗凝冰劑（Ⅰ組），2組以確定的摻量進(jìn)行拌制（Ⅱ組）。車轍試件頂面封凍3 cm厚冰層；馬歇爾試件進(jìn)行真空飽水處理模擬冰雪路段路面材料自身水分環(huán)境，隨后在試件頂面封凍5 cm厚的冰層。試驗(yàn)環(huán)境為室溫15.2 ℃、濕度63%RH。

5.1 融冰試驗(yàn)

將兩組試件均橫向放置，頂面的冰層均垂直于放置桌面且懸空，觀測兩組試件頂面冰層的融化時間及融化現(xiàn)象，觀察頻次為5 min。

Ⅰ組馬歇爾試件在第25 min左右開始融化，試件頂面與冰層交界比較隱約模糊，第50 min冰層與頂面脫離，面積約10%，第65 min脫離約50%，第90 min脫離80%但整個未融化冰層依然貼附在頂面，第110 min整個冰層完全融化，冰層在融化過程中始終未曾從試件頂面脫落。

Ⅱ組馬歇爾試件在第15 min左右開始融化，第25 min出現(xiàn)分界面冰層局部脫離，脫離面積約10%，第40 min脫離約75%，第50 min冰層從頂面脫落。試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入50%替換率氯化物抗凝冰劑，顯著增加了試件表面冰層的融化速度，能抑制低溫路面的凝冰速度[4]。

5.2 除冰試驗(yàn)

將兩組車轍試件放入車轍試驗(yàn)機(jī)中模擬行車荷載碾壓15 min，均采用輪壓0.7 MPa，觀測碾壓現(xiàn)象做定性描述。

Ⅰ組車轍試件在碾壓結(jié)束后，冰層整體仍然貼附在車轍表面，僅有少量的裂縫和局部脫落。Ⅱ組車轍試件的冰層在碾壓軌跡周圍破碎脫落較嚴(yán)重，邊角處依附有碎冰層，破碎冰面融化形成的水膜消失較快。試驗(yàn)結(jié)果表明，外界荷載作用下，分布于試件表面的橡膠顆粒周圍出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，冰層受力不均勻、冰層與試件表面變形不同步，進(jìn)而產(chǎn)生了破碎剝離，除冰效果較好[5]。

6 結(jié)論

（1）采用干拌法制作高彈蓄鹽緩釋瀝青混合料，通過等質(zhì)量替換法摻入廢胎膠粉及抗凝冰劑，根據(jù)混合料體積參數(shù)及性能試驗(yàn)結(jié)果分析確定膠粉摻量為1%，抗凝冰劑置換率為50%。

（2）橡膠顆粒容易結(jié)團(tuán)，不易拌和均勻，摻量超過1%后鋪筑路面會產(chǎn)生油斑，對長期的路用性能產(chǎn)生不利影響，膠粉摻量應(yīng)謹(jǐn)慎增加。

（3）抗凝冰劑置換率50%是體積指標(biāo)和混合料路用性能的平衡點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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[2]公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范： JTG F40—2004[S]. 北京：人民交通出版社， 2004.

[3]河南省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局. 干拌廢胎膠粉改性瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范： DB41/T 1611—2018[S]. 北京：人民交通出版社， 2018.

[4]俞文生， 張曉春， 鐘科. 高彈蓄鹽融冰雪瀝青混合料除冰特性[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2015（5）： 912-916.

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