不同除冰剂条件下纳米熟石灰改性沥青混合料耐久性研究

黄杰

摘要：沥青路面使用除冰剂后，往往会出现集料剥落、内部松散等病害，最终导致混合料耐久性能降低。文章从水稳定性能和抗疲劳性能角度分析混合料的耐久性，通过冻融劈裂试验（ITS）、间接拉伸疲劳试验（ITF）评价醋酸钙镁、乙酸钾两种新型除冰剂和氯化钠传统除冰剂对纳米熟石灰（NHL）改性沥青混合料性能的影响规律。结果表明：在较低的冻融循环次数和醋酸钙镁作用下混合料的冻融劈裂强度和间接拉伸疲劳强度最高，而氯化钠作用下混合料的冻融劈裂强度和间接拉伸疲劳强度在较高的冻融循环次数时更高;1%的纳米熟石灰掺量对于提高混合料的水稳定性和抗疲劳性能具有积极作用。

关键词：除冰剂;水稳定性能;抗疲劳性能;纳米熟石灰

0 引言

沥青路面结冰是一种自然现象，这种现象大大降低了轮胎与地面的摩擦，降低了路面安全性[1]。处理路面结冰的常用办法是铺洒除冰剂，通过除冰剂降低液体的共晶点避免路面结冰。但除冰剂由于自身物理化学性质以及在冻融循环过程中渗透到沥青结构中，往往会造成集料与沥青发生剥落现象，最终使沥青路面发生水损害和疲劳损伤[2-5]。

为解决这一问题，工程中常用抗剥落剂改善混合料的疏水性，增加混合料内部沥青膜的粘聚力以及集料与沥青之间的粘结力，从而提高混合料水稳定性能和抗疲劳性能[6-7]，在此基础上采用合适的除冰剂，可以实现降低混合料水损害和疲劳损伤的目的。醋酸类乙酸类新型除冰剂因其不含氯离子、有更低的共晶点、更好的除冰雪效果以及对环境友好等特点，正逐渐推广到路面除冰除雪上[8]。本研究将新型除冰剂（醋酸钙镁和乙酸钾）与传统除冰盐（氯化钠）、蒸馏水分别作用于纳米熟石灰改性沥青混合料，通过ITS和ITF试验分析除冰剂对混合料水稳定性能和抗疲劳性能的影响规律。

1 原材料及配合比设计

1.1 除冰剂

本研究所用除冰剂为醋酸钙镁、乙酸钾和氯化钠，其物理化学性质如下页表1所示。

1.2 沥青

本研究采用的沥青为PG58-22型，其性能指标如表2所示。

1.3 配合比设计

通过马歇尔配合比设计方法，确定混合料试件的最佳油石比为4.8%，纳米熟石灰掺量分别为0%、0.5%、1%、1.5%。混合料级配曲线图如图1所示。

2 耐久性试验结果

2.1 冻融劈裂试验（ITS）结果

本研究采用冻融劈裂试验评价不同除冰剂条件下对沥青混合料水稳定性的影响。为模拟路面实际冻融循环过程，将试样在蒸馏水或饱和除冰剂溶液中浸泡5 min，置于真空饱水条件下15 min，再将试样置于-18 ℃恒温保持16 h，取出后在60 ℃下保持24 h。通过改变冻融循环次数（F-T cycle，1、3、5次）和纳米熟石灰用量，记录混合料ITS抗拉强度值，以及冻融前后的强度比TSR值。试验结果如图2和图3所示。

已有研究往往仅在一次冻融循环下观察除冰剂的效果，但实际上冻融循环次数对于混合料的影响比除冰剂更大。从图2可以看出，醋酸钙镁除冰剂条件下的混合料在1次和3次冻融循环中都表现出更高的ITS值;但是在5次冻融循环后，三种除冰剂仅有氯化钠作用下的试样ITS值略低于对照组。当循环次数较低时，三种除冰剂下的混合料能够保留超过对照组（或较高）的ITS值，这是因为它们具有更低的共晶点，降低了在冻融循环中因为溶液结冰而发展裂缝的可能性;当循环次数较高时，除冰剂作用下的试样水稳定性能降低，这是因为反复冻融过程中部分除冰剂渗透进入混合料内部，引起集料和沥青发生剥离现象，引发混合料水损害。同时，将纳米熟石灰掺入到混合料均提高了ITS值，1%和1.5%NHL用量的混合料相较于空白组ITS值有大幅度提升。这是因为NHL作为抗剥落剂增加了混合料中的内聚力和粘附力，使其在较高的冻融循环中具有更高的抗水损害的能力。ITS测试结果表明，醋酸钙镁除冰剂适用于在较低冻融循环次数的道路上;氯化钠除冰剂适用于易发生路面结冰的道路上，即冻融循环次数较高时。

由图3可知，蒸馏水对照组对应的不同NHL用量的混合料在1次冻融循环后平均TSR值为69%，即表明混合料水稳定性能下降了31%;在多次循环后的平均TSR值为59%，即混合料水稳定性能下降了41%。醋酸钙镁、氯化钠和乙酸钾除冰剂对应的不同NHL用量的混合料在一次冻融循环后平均TSR值分别为88%、72%和68%;在多次循环后的平均TSR值分别为67%、59%、41%。与蒸馏水对照组和其他除冰剂相比，醋酸钙镁除冰剂作用下的试样在一次或多次循环后具有最高的TSR值，即混合料水稳定性能降低程度最小;而氯化钠除冰剂与蒸馏水作用下的试样具有较为相似的TSR值。同时，使用NHL在所有的样品中均导致TSR值的提高，可以说NHL有助于恢复混合料因水损害损失的强度。

结合ITS和TSR试验结果可以发现，1.5%NHL用量是提高蒸馏水、乙酸钾和氯化钠作用下的试样水稳定性能的最佳添加量;但是对于醋酸钙镁作用下混合料的水稳定性能而言，最佳NHL用量为1%，当用量超过1%时可以明显观察到ITS和TSR值的下降。总的来说，醋酸钙镁对于混合料的水稳定性能损害程度较小，可以作为较好的除冰剂推广使用。

2.2 间接拉伸疲劳试验（ITF）结果

本研究采用间接拉伸疲劳试验评价多次冻融循环后除冰剂对混合料疲劳性能的影响。试验通过沿直径轴对25 ℃下试样施加250 kPa恒定應力，试样的失效标准假设为直径变形9 mm，当试验达到该失效标准时将对试件所施加的荷载总次数视为沥青混合料的疲劳寿命。并且通过将多次冻融循环后的试件的疲劳寿命除以未进行冻融的试件得到混合料疲劳寿命比（NFR）指标评价其疲劳性能。ITF试验结果如图4和图5所示。

由图4可知，在1次冻融循环后，醋酸钙镁除冰剂作用下的试样具有最高的疲劳寿命，而乙酸钾和氯化钠作用下的试样疲劳寿命却低于蒸馏水对照组的疲劳寿命;但是在3次循环之后，醋酸钙镁除冰剂作用的试样疲劳寿命略低于对照组，另外两种除冰剂作用的试样表现出更低的疲劳寿命;当经历5次循环后，醋酸钙镁除冰剂作用的试样表现出较低的疲劳寿命，低于蒸馏水对照组和氯化钠除冰剂作用的试样。当循环次数逐渐增加时，氯化钠除冰剂作用的试样表现出较高并且稳定的疲劳寿命;乙酸钾除冰剂作用的试样虽然疲劳寿命也是相对稳定，但是疲劳寿命数值整体低于对照组和其他除冰剂。因此，建议在冻融较多的地区使用氯化钠作为除冰剂，确保混合料具有较持久的疲劳强度;在冻融情况较少的地区建议使用醋酸钙镁作为除冰剂。

由图5 NFR结果可知，蒸馏水对照组对应的不同NHL用量的混合料在1次冻融循环后平均NFR值为65%，即表明混合料水稳定性能下降了35%;在多次循环后的平均NFR值为51%，即混合料水稳定性能下降了49%。醋酸钙镁、氯化钠和乙酸钾除冰剂对应的不同NHL用量的混合料在1次冻融循环后平均NFR值分别为73%、50%和32%;在多次循环后的平均TSR值分别为50%、43%、23%。蒸馏水对照组试样的NFR损失程度与TSR试验结果大致相近，但是除冰剂作用的试样NFR值相较于TSR值损失程度更大，可以说除冰剂对混合料疲劳寿命的负面影响远大于对水稳定性能的影响。

结合图4和图5，NHL用量对于混合料的疲勞寿命影响规律与水稳定性能试验吻合，1%用量对于提升疲劳寿命具有积极作用，当用量超过1%时，疲劳寿命出现降低的趋势。

3 结语

通过ITS、ITF试验，评价醋酸钙镁、乙酸钾和氯化钠对纳米熟石灰改性沥青混合料水稳定性能和抗疲劳性能的影响规律，得出以下结论：

（1）醋酸钙镁除冰剂作用下的试样在1次和3次冻融循环中都表现出更高的ITS值;但是在5次冻融循环后，三种除冰剂仅有氯化钠作用下的试样ITS值略低于对照组。醋酸钙镁除冰剂适用于冻融循环次数较少的道路上;氯化钠除冰剂适用于易发生路面结冰的道路上，即冻融循环次数较多时。

（2）醋酸钙镁除冰剂作用下的试样在1次或多次循环后仍具有最高的TSR值，即混合料水稳定性能降低程度最小;氯化钠除冰剂与蒸馏水作用下的试样具有较为相似的TSR值。

（3）当循环次数逐渐增加时，氯化钠除冰剂作用的试样表现出较高并且稳定的疲劳寿命。建议在冻融较多的地区使用氯化钠作为除冰剂，确保混合料具有较持久的疲劳强度;在冻融情况较少的地区建议使用醋酸钙镁作为除冰剂。

（4）蒸馏水对照组试样的NFR损失程度与TSR试验结果大致相近，但是除冰剂作用的试样NFR值相较于TSR值损失程度更大，除冰剂对混合料疲劳寿命的负面影响远大于对水稳定性能的影响。

（5）综合ITS和ITF试验结果，1%NHL用量对于提高混合料的水稳定性能和抗疲劳性能均具有积极作用，可以为NHL投入到沥青路面建造中提供掺量建议。

参考文献：

[1]张恒基，魏海斌，陈家锋.橡胶颗粒除冰雪沥青路面研究综述[J].中外公路，2015，35（4）：90-94.

[2]S.W.Goh，M.Akin，Z.You，et al.Effect of deicing solutions on the tensilestrength of micro-or Nano-modified asphalt mixture[J].Construction and Building Materials，25（1）：195-200.

[3]赵方冉，齐 波，邹亮亮，等.除冰剂复合作用下的混凝土道面冻融损伤研究[J].混凝土，2019（9）：52-55，61.

[4]陈 旭.有机环保道路融雪除冰剂研发及性能评价[D].西安：西安建筑科技大学，2019.

[5]齐 波.机场除冰坪混凝土抗冻融耐久性研究[D].天津：中国民航大学，2019.

[6]李秀君，代 鹏，高世柱，等.抗剥落剂对泡沫沥青冷再生混合料水稳定性能改善研究[J].上海理工大学学报，2020，42（6）：566-571.

[7]董晓坡，韩会勇.抗车辙剂和剥落剂对沥青混合料性能的影响研究[J].公路交通科技（应用技术版），2020，16（10）：124-127.

[8]肖庆一，白锡庆，胡海学，等.新型除冰盐对沥青及沥青混合料的侵蚀试验研究[J].中国港湾建设，2012（4）：54-56，99.