融冰雪蓄盐材料制备及性能研究

时间：2024-07-28

刘亮, 陈隆杰, 鲍意, 张华卿, 金肃静, 谢林林, 邵明玉

(1.浙江省交通运输科学研究院浙江省道桥检测与养护技术研究重点实验室，浙江杭州 310023；2.上海建工四建集团有限公司，上海 201103)

0 引言

我国北方大部分区域和南方某些高山区域，由于气温较低，冬季积雪时间较长，容易引起路面积雪结冰，给车辆和行人带来安全隐患[1-2]。传统的被动式除冰雪方法主要以撒布NaCl、MgCl2、CaCl2等氯盐融雪剂为主，其融雪效果较好，价格便宜，但同时会造成附属的金属结构物腐蚀和植被的破坏以及污染环境[3]。近年来，环保型的主动融冰雪路面技术受到众多道路科研工作者关注[4]，该技术是将融冰化雪材料替代集料或矿粉，应用于沥青混合料中，降低沥青路面冰点，起到融化路面冰雪的效果，其关键技术是融冰雪材料的研发和应用[5]。

融冰雪材料主要通过缓慢释放抗凝冰盐分以降低路面的冰点，达到有效阻止和延缓路面结冰的效果[6]。上世纪，瑞士和日本分别开发出Verglimit和Mafilon材料，并将其应用于沥青路面中，起到了很好的降低沥青路面冰点、长时间有效除冰雪效果[7～8]。目前，我国对于主动融冰雪路面技术的开发研究还处于起步阶段，相关科研工作者做了大量的研究工作。刘壮状等[9-10]对融雪抑冰路面的盐化物材料、混合料及其性能进行评价分析，表明融雪抑冰材料能有效延缓积雪形成，加快沥青混合料表面冰雪融化。康捷[11]以沸石作为沥青路面集料，并将盐化后的沸石集料应用于沥青路面中，获得了较好的除冰雪效果，但其缓释效果不佳。

综上所述，环保型的主动融冰雪路面技术的研究重点方向集中在材料组成、国内工程的适用性及材料的应用等方面。本文从蓄盐材料组成出发，以多孔火山灰为载体，将NaCl与火山灰高温煅烧，用不同的改性剂进行憎水处理，再加入到菱镁水泥中，通过养护、破碎、球磨等工艺制备新型融冰雪蓄盐材料，以替代沥青混合料中的矿粉，该研究可为相关产品的生产以及工程应用提供借鉴。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

火山灰主要化学成分见表1。氧化镁：一等品，工业氧化镁，产自山东济南，活性MgO含量≥60%，游离CaO含量≤2.0%，烧失量为4%～9%；氯化镁：产自山东潍坊，有效氯化镁含量≥45%，NaCl含量≤1.5%，CaCl2含量≤1.0%；表面改性剂：硅烷偶联剂KH-550、硅烷偶联剂KH-570、铝酸酯偶联剂PN-827，产自江苏南京；沥青：A级70#普通沥青，浙江某公司生产，针入度(25℃，100g，5s)为68.0(0.1mm)，延度(15℃)>100cm，软化点为48.0℃；集料：石灰岩，浙江诸暨产；水：普通去离子水，pH值为中性；盐：工业级盐，山东海合化工有限公司生产，NaCl含量≥99%。

表1 火山灰的主要化学成分名称所占比例/%SiO246～68CaO1～9Al2O313～17Fe2O34～12MgO0.3～6烧失量1～9

1.2 试验方案

1.2.1蓄盐材料研制

1)将NaCl和火山灰按照质量比1∶1拌和均匀，放入高温熔炉中，匀速升温至850℃，经高温煅烧2h制备蓄盐载体材料，其煅烧步骤如图1所示；同时按照MgO与MgCl2的物质的量比取9∶1，氯化镁与水的质量比取1∶3来制备菱镁水泥，以制备蓄盐载体材料的结合体。

图1 蓄盐载体材料制备工艺

2)选择湿法表面改性技术[12]，称取适量的蓄盐载体材料置于无水乙醇中超声分散30min，同时取适量偶联剂，蓄盐材料与偶联剂按照质量比1∶0.01置于无水乙醇溶液中，在 60℃的恒温水浴中搅拌 2h；随后进行离心分离，将预处理所得固体颗粒置于60℃温度下干燥12h，即得改性后的蓄盐载体材料，再将菱镁水泥质量30%的蓄盐载体材料、菱镁水泥质量0.01%的偶联剂共同加入到菱镁水泥胶浆中。然后将水泥胶浆放入温度为(20±2)℃，湿度为95%以上的标准养护箱养护28d，经烘干、破碎和球磨等生产工艺制备符合沥青混合料填料要求的融冰雪蓄盐材料，制备流程如图2所示，制得的蓄盐材料如图3所示。

图2 融冰雪蓄盐材料制备工艺

图3 蓄盐材料

3)本试验方案中分别选用硅烷偶联剂KH-550、硅烷偶联剂KH-570、铝酸酯偶联剂 PN-827作为改性剂，分别制备蓄盐材料SSM-KH-550、SSM-KH-570、SSM-PN-827，以不进行改性处理的材料(Control Group，SSM-CG)作为对照组。

1.2.2物理性能测试

按照《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)和《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)将制备的蓄盐材料进行矿粉的外观、表观密度、亲水系数、塑性指数试验分析。

1.2.3盐分析出试验

蓄盐材料拌和到沥青混合料后，在沥青的包裹作用下，试件进行盐分析出试验时间较长，因此本研究直接将蓄盐材料放入去离子水中进行盐分析出试验，缩短试验时间，以电导率表征蓄盐材料中盐分的析出速度。试验将磨细后的蓄盐材料固体颗粒20g放入150mL去离子水中，用电导率仪每隔2min测定一次固体颗粒所在去离子水的电导率，直至电导率不再增加为止。

1.2.4性能试验

混合料矿料如表2所示。集料采用石灰岩，油石比5.0%，制作AC-13C型沥青混合料试件，以融冰雪蓄盐材料替代AC-13C型沥青混合料级配中的矿粉，替代质量比例分别为0、25%、50%、75%、100%，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)要求对沥青混合料进行浸水残留稳定度比、动稳定度、低温弯曲应变试验。

表2 混合料矿料级配类别以下筛孔(mm)的通过率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075下限100906838241510754上限100100856850382820158级配100.096.869.350.233.223.615.39.97.66.0

2 结果与讨论

2.1 物理性能测试

因制备的蓄盐材料是作为填料替代矿粉，需具备一定的憎水性，而NaCl遇水极易溶解，故试验采用不同的表面改性剂对蓄盐载体材料进行憎水处理，以到达缓慢释放盐分的效果，且其物理性能指标必须符合沥青混合料用矿粉要求，表3为4组蓄盐材料的物理性能测试结果。

表3 不同蓄盐材料物理性能测试项目外观表观密度/(g·cm-3)亲水系数塑性指数SSM-CG有团粒结块2.6980.963.2SSM-KH-550无团粒结块2.6800.863.1SSM-KH-570无团粒结块2.6830.853.2SSM-PN-827无团粒结块2.6951.023.9技术要求无团粒结块≥2.50<1<4

从表3中可以看出，SSM-CG组蓄盐材料外观上有团粒结块，不符合要求；SSM-PN-827组蓄盐材料亲水系数>1，不符合要求；SSM-CG组亲水系数相对较高，经硅烷偶联剂KH-550和硅烷偶联剂KH-570改性后的蓄盐材料亲水系数较低。其主要原因是火山灰载体主要成分为SiO2，SiO2表面经硅烷偶联剂修饰改性后，其表面附着亲油基团，具有很好的疏水性[13]，可提高蓄盐材料的疏水性能；而铝酸酯偶联剂PN-827在提高无机物表面疏水性方面虽然能起到一定作用，但作用有限。通过试验可知，经硅烷偶联剂KH-550和硅烷偶联剂KH-570改性的蓄盐材料SSM-KH-550、SSM-KH-570疏水性能较好，同时外观、表观密度、塑性指数指标均满足规范要求。

2.2 盐分缓释性能分析

由于蓄盐材料盐分释放后，沥青路面融冰除雪的功能将会失去，故本试验采用不同的表面改性剂对蓄盐载体材料进行憎水处理，以延缓盐分的析出速度。图4为所测试的4组蓄盐材料在去离子水中电导率随时间变化的趋势。

图4 不同蓄盐材料电导率

电导率试验可以表征盐分析出的情况，电导率越大，则去离子水中的离子越多，蓄盐材料释放的盐分越多；电导率曲线斜率越大，曲线上升速度越快，则去离子水中的离子增加量越快，蓄盐材料释放的盐分越快。从图4中可以看出，NaCl和火山灰经过850℃煅烧制备的蓄盐材料经表面改性处理后，电导率增加速度明显变缓。其中，未进行改性处理的蓄盐材料SSM-CG组电导率上升明显，在20min左右盐分已经基本释放完毕，水的电导率已达到饱和状态；以铝酸酯偶联剂 PN-827作为改性剂的蓄盐材料SSM-PN-827电导率上升相对于SSM-KH-550和SSM-KH-570更快；经改性剂硅烷偶联剂KH-550和硅烷偶联剂KH-570改性的蓄盐材料的电导率变化趋势相似，盐分均在 70min 左右完全溶出，其中硅烷偶联剂KH-570改性的蓄盐材料盐分的溶出速率略低于硅烷偶联剂KH-550改性的蓄盐材料。其主要原因是KH-570具有较好的憎水处理效果，SiO2表面经KH-570修饰改性后，其表面附着亲油基团，具有很好的疏水性，阻断了水向蓄盐材料内部渗透，起到保护蓄盐材料内部结构稳定的效果，使蓄盐材料内的盐分不受水的破坏影响，缓慢向外释放。由此可知，SSM-KH-570 更适合用作路面的融冰雪蓄盐材料。

2.3 沥青混合料性能分析

2.3.1水稳定性

在行车荷载作用下，沥青路面在使用过程中受到雨水的冲刷，蓄盐材料长期被水分包围，浸水残留稳定度比可以反映出沥青路面的抗水损害性能。为研究本试验中沥青路面所用的蓄盐材料对沥青混合料水稳性影响，对SSM-KH-570、SSM-CG 2种蓄盐材料的马歇尔试件进行浸水残留稳定度比试验，结果如图5所示。

图5 残留稳定度随蓄盐材料掺入比例变化

从图中5可以看出，SSM-KH-570、SSM-CG 这2种蓄盐材料的浸水马歇尔残留稳定度比差异较大。采用SSM-KH-570蓄盐材料，随着替代矿粉比例的增加，浸水残留稳定度比逐渐增加；采用SSM-CG蓄盐材料，随着替代矿粉比例的增加，浸水残留稳定度比逐渐降低。分析原因主要为SSM-CG蓄盐材料未进行憎水处理，而菱镁水泥、蓄盐材料因自身特点与水易分解变形[14-16]，当水分渗透入填料与沥青表面，沥青与菱镁水泥之间发生脱落，沥青混合料浸水残留稳定度比降低。而SSM-KH-570蓄盐填料，经硅烷偶联剂处理后具有较好的疏水特点，能很好地抵抗水的侵蚀；另一方面，硅烷偶联剂自身具有联接有机物和无机物的特点，增加了蓄盐材料与沥青的黏结性，因此，采用SSM-KH-570蓄盐材料，随着掺入比例的增加，浸水残留稳定度比均逐渐增加。从试样结果看，当SSM-KH-570替代矿粉质量比例取60%时效果较好。

2.3.2高温稳定性

动稳定度是反映沥青路面高温抗变形性能的重要指标，掺入蓄盐材料后沥青混合料动稳定度的试验结果如图6所示。

图6 动稳定度随蓄盐材料掺入比例变化

从图6可以看出，随着蓄盐材料替代矿粉比例的增加，2种蓄盐材料的动稳定度均有所增加，且增加的幅度和差异较小，蓄盐材料SSM-KH-570的动稳定度稍高于SSM-SG，说明SSM-KH-570部分替代矿粉可增加沥青混合料的中沥青胶浆的黏聚性，对沥青混合料的动稳定度有一定的提升作用。

2.3.3低温性能

融冰雪蓄盐材料的主要作用是低温环境下使沥青路面达到主动融冰雪效果。低温弯曲破坏应变是反映沥青路面低温抗变形性能的重要指标，掺入蓄盐材料后沥青混合料低温弯曲破坏应变试验结果如图7所示。

图7 低温弯曲破坏应变随蓄盐材料掺入比例变化

从图7看出，随着蓄盐材料替代矿粉量的增加，SSM-KH-570组的低温弯曲破坏应变值有小幅度增加，其主要原因是SSM-KH-570部分替代矿粉会增加沥青混合料中沥青胶浆的黏聚性，故对沥青混合料抵抗低温破坏性能有一定的提升作用。SSM-SG组沥青混合料的低温弯曲破坏应变随SSM-SG掺量的增加而降低，其主要原因与前文所述SSM-SG的外观上有团粒结块有关，SSM-SG的团粒结块会使其在沥青胶浆中分布不均匀，使沥青混合料在低温下受到应力时产生破坏。从以上试验结果可知SSM-KH-570替代矿粉的效果较好。