融雪剂对沥青路面的影响研究进展

朱 烨 陈宝敏 沈菊男

(苏州科技大学道路工程研究中心，江苏 苏州 215011)

喷洒融雪剂是各大城市和高速公路用来有效清除积雪的手段之一[1]。但是融雪剂会影响沥青路面的使用寿命，同时污染土壤、腐蚀基础设施、排水系统等[2]。因此研究融雪剂对路面和环境的破坏是非常重要的。融雪剂通过降低冰点来防止结冰或加速冰雪融化[3]，可以分为有机和无机，有机类以醋酸钾(CH3COOK)为主，无机类以氯盐为主，现也有将有机与无机融雪剂复配使用的融雪剂。

除了使用三大指标来研究融雪剂对沥青的宏观性能影响之外，还可以使用红外光谱、扫描电镜等微观方法来分析沥青微观形貌的变化。在融雪剂对沥青的影响基础上，研究融雪剂对沥青混合料各方面性能的影响尤为重要。除了使用常规方法来研究沥青混合料的性能，还可以通过建模的方法来模拟和预测沥青和沥青混合料与融雪剂发生的作用，并预测影响结果，为实际试验和生产提供参考。

1 国内外研究进展

1.1 国内研究进展

国内学者初期先针对融雪剂对混凝土的影响展开研究。2006年，杨全兵[4]研究了氯化钠(NaCl)、氯化钙(CaCl2)、硫酸钠(NaSO4)、尿素(CO(NH2)2)、海水以及三种不同厂家的融雪剂对水泥混凝土的盐冻破坏，认为只要是能除冰的化学物质，都会引起水泥混凝土严重的盐冻剥蚀破坏。赵莹莹[5]研究了氯盐融雪剂的影响，经过冻融，氯盐融雪剂对水泥混凝土路面的影响非常显著，同时对建筑、植物、水体等都会产生影响。

随着沥青路面的发展和普遍，融雪剂对沥青及沥青混合料的影响方式和机理研究越来越重要。2010年，傅广文[6]研究了沥青宏观、微观以及老化后的性能，发现融雪剂提高了基质沥青的针入度指数和软化点,降低了延度和抗老化性能,但是基质沥青分子结构从红外光谱来看没有明显变化；SBS改性沥青的各项性能均降低,而质量损失和热稳定性变化不大。

2012年，彭子馨等[7]用去离子水配置了醋酸钠(CH3COONa)溶液并将沥青置于溶液中搅拌处理后用光学显微镜观察沥青悬浮物状态，发现醋酸基融雪剂对沥青有乳化作用，这是醋酸阴离子作用导致的，乳化作用会随溶液的浓度和系统温度的变化而变化。冯超[8]在制作试样的时候对沥青使用了静态腐蚀和动态腐蚀两种方式，还研究了沥青混合料静载或无荷载条件下以及动载和动水冲刷下的各方面性能，并提出通过添加消石灰等无机结合料可以增强沥青路面抵抗融雪剂的腐蚀能力。此外，吴泽媚等[9]采用扫描电镜(SEM)观察到沥青混合料的内部产物和形貌,如图1所示，可以看到有白色颗粒即氯化钠晶体留在沥青表面，这是由于氯化钠溶液通过孔隙进入混合料内部并结晶，降低了集料与沥青的粘附性。

2013年，王明和陈华鑫[10]研究发现CaCl2的吸水性会将少量水分带入沥青内部，形成有水的孔洞，又因NaCl溶液促进试件劈裂强度的衰减作用，而CH3COONa溶液的影响最小，甚至使劈裂强度略微增加，因此认为CH3COONa等有机融雪剂性能更佳。

贾恩泽[11]研究了不同浓度的氯盐溶液对沥青混合料的侵蚀，发现冻融循环的周期越长，粘结力越差。但氯盐浓度越大，对粘结力的影响减小，这是因为溶液浓度低时冰点低，产生的膨胀力大，对集料的粘结影响力则大。李根森[12]自行设计了模拟沥青混合料的劳损试验并使用image J软件对一些习惯指标进行量化分析，综合得出融雪剂的影响会使沥青路面的耐久性大大降低。

由于融雪剂不仅会对沥青路面产生负面影响，而且会破坏生态环境和建筑设施，大量学者开始研究自融雪路面和环保型融雪剂。2010年，重庆交通大学的崔龙锡[13]已经开始研究蓄盐类沥青混合料，不仅证实了盐化物的可释性，还设计了满足路用性能和施工性能的沥青混合料配合比。郭志东通过掺加氯化钙融雪剂和聚酯纤维研究了自融雪纤维沥青路面，路用性能满足公路技术标准要求并具有良好的融雪功效。李鹏[14]研究了醋酸基的自制液态喷洒型融雪剂，对混合料性能和环境影响较小，并具有生物可降解作用，体现出良好的环保效益。

1.2 国外研究进展

国外至今为止使用最多的融雪剂依旧是氯化钠(NaCl)，使用量最多的美国达到了1 700万t之多[15]。1997年，国外就有关于除冰盐对沥青混凝土路面的影响研究[16]。P Starck等[17]认为融雪剂有增塑作用，使用融雪剂这种化学处理方法可能会使沥青变硬。一方面是融雪剂影响后的沥青软化点升高了，另外，用剪切应力流变仪测量的振荡流动也表明，浸泡在融雪剂溶液中后，沥青的粘度显著增加。Pan等[18]证明了氯盐能直接影响沥青路面的完整性，可进入沥青与集料的接触面，并引起沥青乳化。

2013年，Le Wang等[19]对三种不同应力下盐冻沥青砂浆进行单轴压缩蠕变试验，从应力和应变的比率得出刚度模量曲线。随着盐浓度的增加，沥青砂浆的刚度模量显著降低。同时，Y Hassan[20]研究认为所有融雪剂对骨料造成最大损害的浓度都在1%～2%的范围内，且石英岩骨料比石灰石受到的损害更大。因此考虑使用更环保的融雪剂，比如醋酸钾和甲酸钠的影响就相对较小。

为了指导制备防冰剂改进的方向，Xianming Shi等[21]使用实验室数据建立预测模型评估20种混合氯化物防冰配方并计算防冰复合指数，然后构建响应表面以说明这种预测的相关性。针对不同用户优先级情景预测的抗冰复合指数见图2，成本优先情况下的最优抗冰剂具有较低的抑制浓度，而效果优先的情况下抑制浓度较高。Mulian Zheng等[22]为了评估防冰沥青路面的长期防冰性能，通过浸泡溶解试验获得盐溶解随时间的回归模型，建立了防冰沥青路面长期防冰性能评价模型，并且验证了评价模型的可行性。

除了研究融雪剂对沥青及其混合料的影响，现在越来越多的学者开始研究可以减少融雪剂影响的改性材料。

Sang Luo和Xu Yang[23]研究采用含有防冻剂Mafilon(MFL)的高弹性沥青(HEA)混合料来改善融雪/除冰性能和沥青路面的功能性能。HEA-MFL混合料表现出比常规SBS混合物更好的抗车辙性和低温性能，仅具有稍弱的抗水损伤性，另外，融雪速度更快以及混合物—冰粘合强度也更低。Ke Zhong等[24]也研究了相似的高弹/盐储沥青混合物，并建立了时效评估模型估算融雪效应持续的时间。

Zhaohui Min等[25]研究了采用不同于传统热塑性沥青SBS改性沥青的热固性环氧沥青来减少沥青混合料被融雪剂影响后性能的降低，这种环氧沥青含有双酚—A—二缩水甘油醚型环氧树脂(DGEBA)和固化剂。结果表明：在相同条件下环氧沥青混合料的融雪剂释放量均低于SBS改性沥青混合料中的释放量，并且具有融雪剂的环氧沥青混合料可提供优秀的融雪性能和低冰粘附性。

Zhenjun Wang等[26]用NaCl、玻璃粉和麦饭石粉以4.5∶1∶1的比例混合制备了含有盐储存聚集体(SSA)的沥青混合物作为石灰石聚集体(LSA)，具有优异的水稳定性，高机械强度和储盐功能,并且证明SSA可替代常规骨料用于路面工程。SSA的示意图如图3所示。

2 新型自热融雪路面研究方向

化学融雪剂属于传统的融雪方法，会对沥青混凝土路面的路用性能和耐久性能等方面产生一定的影响，因此，放弃使用融雪剂也是一种趋势，从而改用一些导电导热材料来研发新型自热融雪路面。

H V Vo等[27]研究了石墨改性沥青混合料的热物理性质和融雪路面的敏感性。石墨颗粒在整个沥青混合物中形成簇，提高了沥青混合料的导电性，缩短了融雪所需的时间。Mingyu Chen等[28]采用数值模拟方法预测沥青路面作为太阳能集热器的总体设计要求，建立了一种实验性沥青融雪系统。用石墨粉改善沥青混凝土的导热性，从而提高沥青集热器的效率，同时提供较高的流体温度可以改善融雪系统性能。

3 结语

融雪剂并未改变基质沥青的内部结构，二者没有产生化学反应，而对于改性沥青，融雪剂则会破坏改性剂与基质沥青组成的网络结构，从而导致沥青性能的降低。醋酸基的融雪剂会对沥青产生乳化效果，尤其对水、湿度、高温较敏感，但是对沥青混合料的性能影响较小，甚至会使劈裂强度略微增加。在氯盐融雪剂的影响下，沥青混合料的高温性能、低温性能以及水稳性能均降低。

融雪剂作为目前冬季路面防冻和融雪的主要手段，依旧有很大的研究价值，通过研究融雪剂对沥青和沥青混合料的影响机理，可以指导路面养护人员对融雪剂的使用。同时，开发出对沥青路面和自然环境、基础设施等破坏很小的新型环保融雪剂是重点的研究方向，这对社会有巨大的经济和环保效益。另外，研究新型自热融雪路面也是一大研究热点，融雪剂可替代填料加入沥青混合料中，或者摒弃融雪剂直接加入导电导热或弹性材料来提高融雪化冰能力，避免融雪剂的负面影响。