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)效果的定量評價通過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)晶效果的報道很少。研究人員對凍結(jié)抑制效果的檢測及評價沒有統(tǒng)一的方法,對判斷抑制凍結(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,本文通過稀溶液定律確定鹽分析出目標(biāo)值,并通過檢測溶液電導(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礦粉密度對瀝青混合料流動性能的影響本試驗采用日本的鹽化物材料Mafilon(簡稱MFL)。MFL是一種粉末狀材料,與礦粉具有相似的級配(級配組成見表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,會增加礦粉的體積,降低瀝青混合料的流動性能,甚至?xí)Y(jié)成團塊,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。本文通過室內(nèi)試驗,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。試驗采用密級配瀝青混合料AC-16,修正前后的混合料組成見表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散,從而降低道路表面水的冰點,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和路面表面的流水而流失;同時,輪胎的反復(fù)碾壓和流動的降雨或降雪加速了易溶鹽的濃度擴散,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,通過路面表面鹽分析出量可以估計凍結(jié)抑制效果。對于密級配瀝青混合料,其鹽分溶析檢測方法主要有密封溶析法(圖2(a))、全溶法(圖2(b))2種方法。本試驗采用全溶法。3.1專鹽型二氮原鹽溶液的電導(dǎo)率測量在水質(zhì)分析中,水的電導(dǎo)率與其所含有的有機酸、堿及鹽量有一定關(guān)系。當(dāng)它們的含量較低時,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)率值可以間接推測水中離子成分的總濃度。此方法具有設(shè)備簡單、操作方便、靈敏和快速等優(yōu)點,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)有溫度補償調(diào)節(jié)器。當(dāng)調(diào)節(jié)器置于溶液實際溫度對應(yīng)的位置,儀器示值為該溶液在25℃時的電導(dǎo)率。如果調(diào)節(jié)器置于25℃的位置,則測量結(jié)果不受調(diào)節(jié)器的影響,儀器示值為溶液在實際溫度時的電導(dǎo)率。本文在試驗時考慮溫度對電導(dǎo)率的影響,根據(jù)溶液實際溫度,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的標(biāo)準(zhǔn)曲線,計算不同條件下試件鹽分溶析結(jié)果,以此估計路面鹽分析出量。3.2確定鹽酸鹽的目標(biāo)值根據(jù)稀溶液定律,可以計算出路面凝固點下降不同值時的氯化鈉溶液濃度(表3),從而確定出不同降雪量時的鹽分析出目標(biāo)值(表4)。3.3參數(shù)計算制作不同條件下的馬歇爾試件(Ф101.6mm×63.5mm),量取高度,計算試件表面積(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,計算溶液的鹽分濃度,估計道路表面鹽分析出量,每組試件3個,取其平均值作為結(jié)果,計算公式見式(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計算得到的溶液鹽分濃度(%)。由于電導(dǎo)法對稀溶液的濃度變化比較敏感,當(dāng)溶液濃度較大時,電導(dǎo)率超出儀器量程,無法檢測。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,路面表面的溶液濃度可能較大,電導(dǎo)率超出儀器量程。為了檢測現(xiàn)場的路面融冰雪效果,本文通過室內(nèi)測定稀溶液的電導(dǎo)率隨時間的變化情況,推算現(xiàn)場的融冰雪效果。通過試驗確定,全溶法檢測鹽分溶析時,加入550mL蒸餾水,可檢測稀溶液的電導(dǎo)率,計算試件表面析出的鹽分含量,從而推測現(xiàn)場的融冰雪效果。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75次,擊實溫度165℃,成型馬歇爾試件,室溫下冷卻24h后開始試驗。檢測48h內(nèi)溶液電導(dǎo)率值隨時間的變化,估計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;隨著溶析時間的延長,鹽分析出速度逐漸降低。置換率為70%時,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,路面能夠完全抑制凍結(jié);置換率為100%時,12h內(nèi)的鹽分析出量為26.9g/m2,大于23.7g/m2的目標(biāo)值,說明氣溫高于-3℃、降雪量為小雪時,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,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)短時間內(nèi)降雪量較大時(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,雙面擊實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;另一組是在5℃條件下冷卻24h后試驗。鹽分溶析結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出,在相同時間內(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,離子擴散加速,溶析出的鹽分能夠迅速擴散到道路表面。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間,但氣溫較高時,可能會由于熱脹的原因,導(dǎo)致路面混合料較為密實,空隙率較小,鹽分損失不會像試驗分析的那么大。鹽化物瀝青路面凍結(jié)抑制功能的發(fā)揮是持續(xù)性的,隨著時間的延長,鹽分持續(xù)不斷地溶析出來。但溫度較低時,凍結(jié)抑制效果發(fā)揮緩慢。因此,當(dāng)路面有冰層出現(xiàn)或短時間內(nèi)降雪量較大時,為了保證車輛的行駛安全,需要與機械除冰雪或撒布融雪劑等其他除冰雪方法共用。3.3.3不同孔隙率時的鹽分析出量鹽化物置換率為100%條件下,分別雙面擊實75次、50次和30次,成型的空隙率分別為3.9%、4.7%、7.2%時的馬歇爾試件,室溫條件下冷卻24h后,檢測鹽分析出量,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,12h后的鹽分析出量為26.9g/m2;空隙率為4.7%時,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,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)格控制路面的壓實度。根據(jù)日本的研究成果,對于密級配瀝青混合料,空隙率為4%左右時,能夠得到較好的鹽分溶析效果,同時,也能保持較為良好的鹽分溶析耐久性。4加量過大時(1)用電導(dǎo)法可以推測壓實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)值還需要進一步通過試驗驗證,當(dāng)鹽化物添