缓释型抗凝冰桥面铺装AFC-13混合料设计与性能评价_胡健.pdf

总第3 1 6期交 通 科 技S e r i a lN o.3 1 6 2 0 2 3第1期T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&T e c h n o l o g yN o.1F e b.2 0 2 3D O I 1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 1-7 5 7 0.2 0 2 3.0 1.0 2 4收稿日期:2 0 2 2-1 0-0 9第一作者:胡健(1 9 8 1-),男,工程师,硕士。缓释型抗凝冰桥面铺装A F C-1 3混合料设计与性能评价胡 健 张浩浩 王 坤(江苏现代路桥有限责任公司 南京 2 1 0 0 4 9)摘 要 为解决道路冬季易结冰的问题,通过向A F C-1 3混合料中加入5%的履信抗凝冰材料,设计开发一种缓释型的抗凝冰混合料。文中通过相关路用性能试验评价抗凝冰A F C-1 3混合料的路用性能,试验结果表明,抗凝冰A F C-1 3混合料的马歇尔试件残留稳定度比和冻融劈裂强度比可达到8 0%以上,动稳定度指标可达到62 0 0次/mm以上,弯曲破坏应变可达到27 0 01 0-6以上,抗凝冰A F C-1 3混合料具有较为良好的路用性能,满足设计要求。对铺设缓释型抗凝冰混合料A F C-1 3的试验段进行试验,其渗水系数为1 8m L/m i n,压实度为9 9.5%,构造深度为0.9 7mm,均满足相关规范要求。观测缓释型抗凝冰混合料A F C-1 3试验段在低温雨雪天气下路面发生结冰的情况,发现在小雪、气温为-1-3的天气下,A F C-1 3铺装在3 0m i n之内不会产生积雪,路面发生冻结的现象也较普通铺装段落推迟1h,即可有效地缓解道路积雪结冰的出现。关键词 缓释型抗凝冰材料 混合料 级配设计 路用性能中图分类号 U 4 1 8.4+1 U 4 1 4 沥青路面在冬季会受到低温、雨雪、冰冻天气的影响,路面容易出现积雪结冰,路面的冰雪不仅会减低路面的摩擦系数,延长车辆的刹车距离,还会加强路面的反光,干扰驾驶员的视野,严重危害行车安全1。针对路面积雪结冰问题,多年来,各国道路交通部门开展了大量的研究工作。目前常见的除冰雪方法主要分为物理方法和化学方法两大类。物理方法主要有:人工清除法、机械清除法、热力抗凝冰法和抑制冻结铺装技术2-3。化学方法主要有撒布式融雪剂和缓释型抗凝冰混合料2种4。上述方法都有一些缺点,人工和机械清除法效率低、效果差,热力抗凝冰成本高、工艺复杂,抑制冻结铺装技术会影响路面使用寿命,融雪剂对环境存在一定的污染,还会腐蚀混凝土、钢材等材料。缓释型融冰化雪技术通过将盐分事先添加到沥青路面中,使其在路面降雪时,缓慢的向路表进行释放,从而破坏冰雪与路表的黏结,进而恢复路表的防滑功能5。该方法适合各种类型的沥青路面,不影响沥青混合料的各项指标,有效防止路面在冰点以下时的结冰形成,减少撒盐融雪和使用人工、机械铲雪的冬季养护措施,还能达到多年的路面防结冰效果,大幅降低冬季路面管理养护成本6。本文选取常见的缓释型抗凝冰材料,通过实验检验其缓释性能,分析其抗凝冰效果;以A F C-1 3混合料为载体设计缓释型抗凝冰桥面铺装,得出缓释型抗凝冰桥面铺装的设计级配和缓释型抗凝冰材料的用量;并对缓释型抗凝冰桥面铺装的路用性能和除冰效果进行实验验证和现场观测。1 缓释型抗凝冰材料性能评价目前常用于道路抗凝冰的缓释型抗凝冰材料主要有马飞龙(MF L)、路丽美(V e r g l i m i t)和履信抗凝冰材料3种,MF L和履信抗凝冰材料的主要有效成分为氯化钠,V e r g l i m i t的主要有效成分为氯化钙。MF L经过特殊加工处理,可控制在高温状态下有效成分的释放,延长抗凝冰路面的使用年限。V e r g l i m i t结构与MF L相似,具有很好的温度稳定性,但V e r g l i m i t且有吸潮性,会使道路出现轻微潮湿,减弱面层的抗滑性,也会导致胶结料脱落,因此对于添加V e r g l i m i t的沥青路面要关注其耐久性。履信抗凝冰材料是基于抗凝冰、降成本、高环保、缓释放4个理念开发的一款针对江苏气候特点的缓释型抗凝冰材料。它解决了国外抗凝冰剂在江苏地区高温雨季时释放过快的问题,在确保冬季路面具有良好抗凝冰效果的基础上,极大提高增加抗凝冰沥青路面的使用寿命,保障冬季道路安全畅通。履信抗凝冰材料主要由抑冰成分、缓释剂和阻锈剂组成。其中凝冰成分为氯化钠,缓释剂为高分子树脂材料,阻锈剂为咪唑啉衍生物,材料中有效成分氯化钠的含量可达8 5%9 0%7-9。适用于容易冻结多种路段,在1 8 5下基本无热损失,不会对路面结构物形成侵蚀作用。为了评估上述3种材料的缓释效果,分别制作含3种抗凝冰材料和未加入抗凝冰材料的马歇尔试件,抗凝冰材料的用量全部为5%,将其在1 5的室温下浸泡在6L的蒸馏水中,每隔2 4h测量1次溶液的电导率。并依照电导率和浓度的关系,计算试件析出到溶液中的有效成分含量,溶液电导率变化和材料析出量实验结果见图1、图2。图1 溶液电导率变化图2 材料析出量变化由图1、图2可见,3种缓释型材料均在第1d释放出最多的有效成分,随后有效成分释放速率开始变慢,5d之后释放速率逐渐保持稳定。履信抗凝冰材料(L X-I型)和路丽美中有效成分较高,相比于MF L7d时析出量高约3 0%;而与V e r g l i m i t相 比,缓 释 效 果 更 好,释 放 速 率 低1 5%,可以长期保持抗凝冰的效果。进一步分析L X-I型与MF L、V e r g l i m i t析出速率对比可知,L X-I型的析出速率介于V e r g l i m i t和MF L之间,说明L X-I型能够保证抗凝冰效果的同时又能保证其抗凝冰作用时效,具有较好的抗凝冰及缓释效果。2 抗凝冰桥面铺装A F C-1 3沥青混合料设计通过向A F C-1 3混合料中加入缓释型抗凝冰材料设计了缓释型抗凝冰桥面铺装,抗凝冰桥面铺装A F C-1 3沥青混合料设计应符合以下原则。1)抗凝冰桥面铺装A F C-1 3沥青混合料设计应符合国家及相关地区规范要求。2)抗凝冰桥面铺装A F C-1 3沥青混合料设计应通过合理的配合比设计、沥青用量,以及抗凝冰材料掺量,确保沥青混合料拥有较好的路用性能和良好的抗凝冰性能。3)室内试验过程中,必须做到试验数据可靠准确。A F C-1 3混合料的级配范围见表1,抗凝冰材料掺量为矿物集料质量的5%。缓释型抗凝冰剂的粒径为1.1 82.3 6mm,对该档级配存在一定的影响,在级配设计时应适当减小这一档集料的通过率。表1 A F C-1 3混合料级配范围级配通过下列筛孔(mm)集料的质量分数/%1 6 1 3.2 9.5 4.7 52.3 61.1 8 0.6 0.3 0.1 50.0 7 5上限1 0 0 1 0 07 53 22 72 42 01 61 31 2下限1 0 09 05 02 21 61 41 21 098 各档集料的通过率表见表2,在设计混合料级配时,根据集料的筛分结果首先初选出粗、中、细3个级配(级配A、级配B、级配C),4.7 5mm筛孔通过的质量分数分别为2 4.1%,2 8.1%和3 1.1%;然后根据实际工程应用经验初选油石比为6.1%,以该油石比分别制作3种级配的马歇尔试件,并计算试件的体积指标,根据体积指标初选1组满足或接近设计要求的级配作为设计级配。表2 各种矿料的筛分结果矿料通过下列筛孔(mm)集料的质量分数/%1 61 3.29.54.7 52.3 61.1 80.60.30.1 50.0 7 51号料1 0 08 8.81 1.30.20.20.20.20.20.20.22号料1 0 01 0 09 6.40.60.10.10.10.10.10.13号料1 0 01 0 01 0 09 7.01.00.50.40.40.40.44号料1 0 01 0 01 0 01 0 09 2.86 6.24 3.62 7.11 9.61 4.4矿粉 1 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 09 4.08 3.1611胡 健等:缓释型抗凝冰桥面铺装A F C-1 3混合料设计与性能评价2 0 2 3年第1期 3种矿料的合成级配明细表1 0见图3,3个级配的矿料比例明细表见表3。图3 试验矿料配合比组成表3 试验矿料配合比组成矿料级配ABC1号料4 8.04 6.04 4.02号料2 8.02 6.02 5.03号料6.07.08.04号料7.01 0.01 2.0矿粉 1 1.01 1.01 1.0 在6.1%的油石比条件下,双面击实7 5次成型3种级配的抗凝冰A F C-1 3马歇尔试件,每个级配成型6个平行试件,测定计算其体积指标,试验结果见表4。表4 A F C-1 3沥青混合料设计级配试验结果级配类型油石比/%计算最大理论相对密度毛体积相对密度空隙率/%VMA/%V F A/%粗集料骨架间隙率V C Am i x/%级配A6.12.5 8 62.4 6 24.81 8.87 4.53 5.0级配B6.12.5 8 42.4 8 43.91 7.97 8.43 7.9级配C6.12.5 8 22.5 0 82.91 7.18 3.23 9.9要求 3.04.51 7.07 58 5V C AD R C 由表4可见,级配A和级配C体积指标均不满足要求,而级配B体积指标满足要求,且由于缓释型抗凝冰剂的粒径在1.1 82.3 6mm之间,对级配有一定影响,需要降低这一级配的用量,结合实际情况及实践经验,本次设计选择级配B为设计级配。确定 了 设 计 级 配 后,采 用5.8%,6.1%,6.4%的油石比分别进行马歇尔试验,马歇尔稳定度试验结果表见表5,根据抗凝冰A F C-1 3路面设计要求,空隙率应控制在3.04.5%。仅在油石比为6.1%时空隙率为3.9%,并且其他指标(VMA、V C A、稳定度、饱和度等)也均满足设计要求,根据实际工程应用经验,选取6.1%为设计油石比。相应的沥青体积指标见表6。表5 抗凝冰A F C-1 3设计级配马歇尔稳定度试验结果级配类型油石比/%稳定度/k N流值/0.1mm空隙率/%VMA/%V C Am i x/%V F A/%毛体积相对密度计算最大理论相对密度A F C-1 35.81 3.5 12 9.34.81 8.23 8.37 3.52.4 6 92.5 9 46.11 2.5 03 0.63.91 7.93 7.97 8.42.4 8 42.5 8 46.41 0.9 03 2.62.81 7.63 7.58 3.92.5 0 02.5 7 3要求 6.02 05 03.04.51 7.0V C AD R C7 58 5表6 抗凝冰A F C-1 3混合料体积指标混合料特性设计结果技术要求试件毛体积相对密度2.4 8 4计算理论最大相对密度2.5 8 4空隙率VV/%3.93.04.5矿料间隙率VMA/%1 7.91 7.0饱和度V F A/%7 8.47 58 5稳定度M S/k N1 2.5 06.0流值F L/0.1mm3 0.62 05 02 抗凝冰沥青铺装混合料短期路用性能评价对所 选 择 的 抗 凝 冰A F C-1 3混 合 料 级 配,在最佳油石比的条件下成型试件,进行相关试验评估其高低温性能、水稳定性和动态模量等路用性能。通过冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验、车辙试验、低温小梁弯曲试验和单轴压缩动态模量试验分别对抗凝冰A F C-1 3混合料的水稳定性、高温稳定性、低温抗裂性和沥青混合料的动态模量进行评价。路用性能和单轴压缩动态模量试验结果见表7和表8。表7 路用性能试验结果路用性能试验试验指标试验结果冻融劈裂试验马歇尔残留稳定度比8 7.3%浸水马歇尔试验冻融劈裂强度比8 2.3%车辙试验动稳定度62 4 3次/mm低温小梁弯曲试验弯曲破坏应变27 1 01 0-6