路面鹽化物凍結(jié)效果及鹽分溶析影響因素研究

路面鹽化物凍結(jié)效果及鹽分溶析影響因素研究

0抑制凍結(jié)效果的定量評(píng)價(jià)通過(guò)在混合瀝青路面上添加化學(xué)凍結(jié)劑，可以在一定程度上抑制道路凍結(jié)。日本已成功普及這條道路，但關(guān)于抑制結(jié)晶效果的報(bào)道很少。研究人員對(duì)凍結(jié)抑制效果的檢測(cè)及評(píng)價(jià)沒(méi)有統(tǒng)一的方法,對(duì)判斷抑制凍結(jié)效果的鹽分析出目標(biāo)值及鹽分析出量與凍結(jié)抑制效果的定量關(guān)系研究不足。為此,本文通過(guò)稀溶液定律確定鹽分析出目標(biāo)值,并通過(guò)檢測(cè)溶液電導(dǎo)率值,確定不同條件下的鹽分溶析規(guī)律,得到凍結(jié)抑制效果的室內(nèi)檢測(cè)方法及鹽分析出量與抑制凍結(jié)效果的定量關(guān)系。1礦粉密度對(duì)瀝青混合料流動(dòng)性能的影響本試驗(yàn)采用日本的鹽化物材料Mafilon(簡(jiǎn)稱MFL)。MFL是一種粉末狀材料,與礦粉具有相似的級(jí)配(級(jí)配組成見(jiàn)表1),可以置換瀝青混合料中的部分或全部礦粉。但MFL的密度(2.25～2.35g/cm3)比礦粉的密度(約2.7g/cm3)小,如果直接等質(zhì)量置換礦粉用量,會(huì)增加礦粉的體積,降低瀝青混合料的流動(dòng)性能,甚至?xí)Y(jié)成團(tuán)塊,增大拌和及攤鋪難度。另外,瀝青混合料的剩余空隙率變小,影響路面的高溫穩(wěn)定性和冬季凍結(jié)抑制效果的發(fā)揮。因此,鹽化物置換礦粉時(shí)需要按照填料體積等效置換原則修正鹽化物的添加量。本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn),研究分析不同含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、不同溫度和不同空隙率條件下的鹽分溶析規(guī)律。試驗(yàn)采用密級(jí)配瀝青混合料AC-16,修正前后的混合料組成見(jiàn)表2。2降低道路表面水土流失MFL的有效凍結(jié)抑制成分是55%左右氯化鈉易溶鹽,由于路面結(jié)構(gòu)空隙的存在,水分逐漸進(jìn)入混合料內(nèi)部,使得氯化鈉易溶鹽成分溶解。在毛細(xì)管壓力及車輛碾壓作用下,易溶鹽溶液從瀝青混合料內(nèi)部濃度較高的狹小空間逐漸向鹽分濃度較低的路面表面擴(kuò)散,從而降低道路表面水的冰點(diǎn),延遲道路表面積雪結(jié)冰。析出的易溶鹽也逐漸隨著輪胎滾動(dòng)和路面表面的流水而流失;同時(shí),輪胎的反復(fù)碾壓和流動(dòng)的降雨或降雪加速了易溶鹽的濃度擴(kuò)散,從而加速了有效凍結(jié)抑制成分的散失。鹽化物路面凍結(jié)抑制原理如圖1所示。3路面表面鹽化學(xué)類凍結(jié)抑制路面的凍結(jié)抑制效果取決于路面內(nèi)有效凍結(jié)抑制成分含量,通過(guò)路面表面鹽分析出量可以估計(jì)凍結(jié)抑制效果。對(duì)于密級(jí)配瀝青混合料,其鹽分溶析檢測(cè)方法主要有密封溶析法(圖2(a))、全溶法(圖2(b))2種方法。本試驗(yàn)采用全溶法。3.1專鹽型二氮原鹽溶液的電導(dǎo)率測(cè)量在水質(zhì)分析中,水的電導(dǎo)率與其所含有的有機(jī)酸、堿及鹽量有一定關(guān)系。當(dāng)它們的含量較低時(shí),電導(dǎo)率隨水中離子濃度的增加而增加,根據(jù)溶液電導(dǎo)率值可以間接推測(cè)水中離子成分的總濃度。此方法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、靈敏和快速等優(yōu)點(diǎn),所以電導(dǎo)法在水質(zhì)分析中仍是一種常用的分析方法。因此,本試驗(yàn)也采用電導(dǎo)法推算水中鹽分濃度,采用的儀器為DDS-11D電導(dǎo)率儀。溶液的實(shí)際電導(dǎo)率隨溶液溫度而變化,為了使不同溫度條件下的溶液電導(dǎo)率具有可比性,儀器上設(shè)有溫度補(bǔ)償調(diào)節(jié)器。當(dāng)調(diào)節(jié)器置于溶液實(shí)際溫度對(duì)應(yīng)的位置,儀器示值為該溶液在25℃時(shí)的電導(dǎo)率。如果調(diào)節(jié)器置于25℃的位置,則測(cè)量結(jié)果不受調(diào)節(jié)器的影響,儀器示值為溶液在實(shí)際溫度時(shí)的電導(dǎo)率。本文在試驗(yàn)時(shí)考慮溫度對(duì)電導(dǎo)率的影響,根據(jù)溶液實(shí)際溫度,調(diào)整溫度調(diào)節(jié)器的位置,儀器示值均為溶液在25℃時(shí)的電導(dǎo)率。鹽化物MFL的主要可溶鹽成分為氯化鈉,故分別配制不同質(zhì)量濃度的氯化鈉溶液,檢測(cè)相應(yīng)的電導(dǎo)率值,結(jié)果如圖3所示。圖3中:y為電導(dǎo)率;x為氯化鈉溶液質(zhì)量濃度;R2為相關(guān)系數(shù)。由圖3可以看出,氯化鈉溶液的質(zhì)量濃度與電導(dǎo)率值存在良好的相關(guān)性。將這一結(jié)果作為試件鹽分溶析檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)曲線,計(jì)算不同條件下試件鹽分溶析結(jié)果,以此估計(jì)路面鹽分析出量。3.2確定鹽酸鹽的目標(biāo)值根據(jù)稀溶液定律,可以計(jì)算出路面凝固點(diǎn)下降不同值時(shí)的氯化鈉溶液濃度(表3),從而確定出不同降雪量時(shí)的鹽分析出目標(biāo)值(表4)。3.3參數(shù)計(jì)算制作不同條件下的馬歇爾試件(Ф101.6mm×63.5mm),量取高度,計(jì)算試件表面積(式(1));將馬歇爾試件置于容器中,底部用墊塊墊起(圖2(b)),加入550mL蒸餾水,可測(cè)定48h內(nèi)溶液的電導(dǎo)率值;根據(jù)圖3確定的標(biāo)準(zhǔn)曲線,計(jì)算溶液的鹽分濃度,估計(jì)道路表面鹽分析出量,每組試件3個(gè),取其平均值作為結(jié)果,計(jì)算公式見(jiàn)式(2)。s=(2πr2+2πrh)×10-6(1)式中:s為馬歇爾試件表面積(m2);r為馬歇爾試件半徑,r=101.6/2mm;h為馬歇爾試件高度(mm)。Q=vρwns(2)Q=vρwns(2)式中:Q為道路表面鹽分析出量(g/m2);v為加入蒸餾水的體積,v=550mL;ρw為水的密度,ρw=1.0g/cm3;n為由圖3計(jì)算得到的溶液鹽分濃度(%)。由于電導(dǎo)法對(duì)稀溶液的濃度變化比較敏感,當(dāng)溶液濃度較大時(shí),電導(dǎo)率超出儀器量程,無(wú)法檢測(cè)。在初冬或殘冬季節(jié),由于霜降等原因,在路面上形成薄冰或者降雪量很小時(shí),路面表面的溶液濃度可能較大,電導(dǎo)率超出儀器量程。為了檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的路面融冰雪效果,本文通過(guò)室內(nèi)測(cè)定稀溶液的電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化情況,推算現(xiàn)場(chǎng)的融冰雪效果。通過(guò)試驗(yàn)確定,全溶法檢測(cè)鹽分溶析時(shí),加入550mL蒸餾水,可檢測(cè)稀溶液的電導(dǎo)率,計(jì)算試件表面析出的鹽分含量,從而推測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的融冰雪效果。3.3.1鹽化物添加量將鹽化物分別置換礦粉用量的35%、70%、100%,雙面擊實(shí)75次,擊實(shí)溫度165℃,成型馬歇爾試件,室溫下冷卻24h后開始試驗(yàn)。檢測(cè)48h內(nèi)溶液電導(dǎo)率值隨時(shí)間的變化,估計(jì)試件表面的鹽分析出量。鹽分溶析結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出,鹽化物添加量越多,鹽分溶析速度越快;隨著溶析時(shí)間的延長(zhǎng),鹽分析出速度逐漸降低。置換率為70%時(shí),12h內(nèi)的鹽分析出量為17.26g/m2,大于15.8g/m2的目標(biāo)值。因此,在氣溫高于-2℃、降雪量為小雪時(shí),路面能夠完全抑制凍結(jié);置換率為100%時(shí),12h內(nèi)的鹽分析出量為26.9g/m2,大于23.7g/m2的目標(biāo)值,說(shuō)明氣溫高于-3℃、降雪量為小雪時(shí),路面表面能夠完全抑制凍結(jié)。由以上鹽分溶析結(jié)果可以看出,鹽化物置換率為100%時(shí),能夠較好地抑制初冬或殘冬季節(jié)路面上“黑冰”的形成,提高路面的抗滑性能,確保車輛行駛安全。當(dāng)短時(shí)間內(nèi)降雪量較大時(shí)(中雪及以上),鹽分的析出能夠溶解部分路面表面積雪,使積雪與路面脫離,提高機(jī)械除雪的作業(yè)效率。3.3.2夏季高溫多雨季節(jié)中鹽分結(jié)晶規(guī)律鹽化物置換率為100%時(shí),雙面擊實(shí)75次,成型兩組標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件,一組試件是在常溫條件下(19℃)冷卻24h后試驗(yàn);另一組是在5℃條件下冷卻24h后試驗(yàn)。鹽分溶析結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出,在相同時(shí)間內(nèi),鹽分析出量隨著溫度的升高而增加。這是由于溫度升高后,離子擴(kuò)散加速,溶析出的鹽分能夠迅速擴(kuò)散到道路表面。因此,從理論上講,夏季高溫多雨季節(jié)應(yīng)是鹽化物瀝青路面有效成分易散失的時(shí)間,但氣溫較高時(shí),可能會(huì)由于熱脹的原因,導(dǎo)致路面混合料較為密實(shí),空隙率較小,鹽分損失不會(huì)像試驗(yàn)分析的那么大。鹽化物瀝青路面凍結(jié)抑制功能的發(fā)揮是持續(xù)性的,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),鹽分持續(xù)不斷地溶析出來(lái)。但溫度較低時(shí),凍結(jié)抑制效果發(fā)揮緩慢。因此,當(dāng)路面有冰層出現(xiàn)或短時(shí)間內(nèi)降雪量較大時(shí),為了保證車輛的行駛安全,需要與機(jī)械除冰雪或撒布融雪劑等其他除冰雪方法共用。3.3.3不同孔隙率時(shí)的鹽分析出量鹽化物置換率為100%條件下,分別雙面擊實(shí)75次、50次和30次,成型的空隙率分別為3.9%、4.7%、7.2%時(shí)的馬歇爾試件,室溫條件下冷卻24h后,檢測(cè)鹽分析出量,鹽分溶析結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,鹽分析出量隨空隙率的增加而增加,空隙率為3.9%時(shí),12h后的鹽分析出量為26.9g/m2;空隙率為4.7%時(shí),12h后的鹽分析出量為31.56g/m2,比空隙率3.9%的鹽分析出量提高17%;空隙率為7.2%時(shí),12h后的鹽分析出量為35.27g/m2,比空隙率3.9%的鹽分析出量提高31%。因此,為了避免鹽分析出速度過(guò)快,保證路面凍結(jié)抑制效果具有一定的持續(xù)性,需要嚴(yán)格控制路面的壓實(shí)度。根據(jù)日本的研究成果,對(duì)于密級(jí)配瀝青混合料,空隙率為4%左右時(shí),能夠得到較好的鹽分溶析效果,同時(shí),也能保持較為良好的鹽分溶析耐久性。4加量過(guò)大時(shí)(1)用電導(dǎo)法可以推測(cè)壓實(shí)瀝青混合料析出鹽分濃度的變化規(guī)律。(2)鹽分析出量的目標(biāo)值還需要進(jìn)一步通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,當(dāng)鹽化物添