一种路用缓释蓄盐材料的制备及应用

冯 雷，赵 鹏

（长安大学材料科学与工程学院，陕西西安 710061）

一种路用缓释蓄盐材料的制备及应用

冯 雷，赵 鹏

（长安大学材料科学与工程学院，陕西西安 710061）

为了减少人工撒布融雪盐对环境的破坏，在考虑融雪抑冰效果和经济环保性等方面的基础上，选取合适的原材料以及工艺，制备了一种应用于沥青混凝土路面的缓释蓄盐粉体。采用高倍显微镜与扫描电镜研究了这种缓释蓄盐材料的微观结构特点，并利用自制缓释蓄盐材料完全替代沥青混凝土中的矿粉，分别研究替代后的普通沥青混合料和环氧沥青混合料的路用性能。结果表明：混合料的各项路用性能满足相关的规范要求，而且实体工程使用效果良好。

融雪；缓释；沥青混凝土；路用性能

0 引 言

由于中国大部分地区处于北温带，冬季气温较低，路面积雪结冰现象普遍［1］；当道路有积雪时，路面的摩擦系数会大幅降低，从而导致车辆打滑，引发交通事故［2］。为了保障冬季道路行车安全，道路工作者必须采取一定的措施清除路面冰雪；然而如何有效解决路面积雪结冰现象，是全世界道路交通工作者共同应对的问题。目前，清除路面积雪结冰的方法主要分为传统除冰雪方法和新型除冰雪方法，其中传统方法包括撒布融雪剂法和人工或机械除雪，这些方法不仅效率极低，应用有一定的局限性，而且成本投入比较高，对路面和环境的损害也较为严重［3⁃4］。新型除冰雪法不仅融雪效果较好，而且给环境带来的破坏也较低，是国内外学者一直致力于研究的内容。本文通过研究现有的融雪抑冰方法，设计出适合中国环境状况的具有自主知识产权和具有一定环保性能的融雪抑冰材料，以提高路面的抗滑性能，从而保障冬季行车安全。

1 缓释蓄盐粉体的制备及作用机理

1．1 缓释蓄盐粉体的制备

本文所研发的具有缓释性能的蓄盐粉体是以无机易溶盐为有效融雪抑冰成分，多孔复合材料作为载体，然后使用表面改性剂和偶联剂对材料进行表面改性［5⁃6］，最后经过搅拌、烘干、破碎和球磨等生产工艺而制备出的一种具有缓释性能的融雪抑冰材料。然而，当融雪抑冰材料完全替换矿粉而加入到沥青混合料中后，必然会对沥青混合料的路用性能产生一定的影响，所以融雪抑冰材料的成分、粒度与密度等都至关重要。自制的融雪抑冰材料替换沥青混合料中的矿粉后，必须要在沥青混合料中起到矿粉的作用，这样才能满足沥青混合料的相关性能指标。同时，必须考虑融雪粉体在沥青混合料中的析盐速率：如果析盐速率过快，则在实际的施工使用过程中，受雨水的冲刷和车辆的磨耗作用，会造成部分融雪抑冰材料流失，不能起到长久融雪抑冰作用；如果析盐速率过慢，则在雨雪天不能及时释放出足够的融雪抑冰有效成分，难以起到融雪抑冰效果。所以应该综合考虑上述因素，从而制备出较为完善的缓释蓄盐融雪粉体［7］。图1为自制的缓释蓄盐粉体结构。图2和表1为缓释蓄盐粉体的粒径分布范围，粒径的平均值为10Ʊ187μm，符合矿粉的粒径（＜0Ʊ075 mm）要求。

图1 缓释蓄盐融雪粉体结构

图2 缓释蓄盐融雪粉体的粒度分布

表1 自制缓释蓄盐粉体粒度分布

由于沥青中的酸性成分会与集料中的碱性成分发生化学反应，生成的物质可以提高界面黏结力，因此呈碱性的集料与沥青的黏结性优于呈酸性的集料［8］。所以自制的缓释蓄盐粉体的酸碱性必须与矿粉一致，即呈弱碱性。测定自制融雪抑冰材料的pH值在6～7之间，偏酸性；所以在制备过程中，需要加入校正物质X，在不影响融雪剂各项性能的同时，调节材料的pH值在7～9之间，呈弱碱性，这样才能有效保障沥青与集料之间的黏结性。

图3为自制缓释蓄盐粉体照片，该材料呈灰白色，是粉末状颗粒。通过微观研究，分析其粒径大小和微观结构。图4为高倍显微镜下的缓释蓄盐粉体的微观形貌。在400倍显微镜放大下观察，该粉体是细小的透明状固体。图4（a）中，粉体粒径大小不一，有部分团聚现象；图4（b）中的粉体粒径相当，无团聚现象。产生这种现象的原因是2个样品的球磨时间不同，导致粒径出现差异。所以，可以通过高倍显微镜的观察，确定出最佳的球磨时间，从而避免经济成本的增加，生产出粒径均匀的融雪抑冰材料。

图3 自制融雪抑冰材料实物

图4 融雪剂显微镜照片（放大400倍）

利用扫描电镜观察的自制缓释蓄盐粉体的微观形貌，如图5所示，可见其具有网状孔洞结构，有一定的结构取向，有效融雪抑冰成分分散于网状孔洞之中。自制缓释蓄盐粉体的网状孔洞结构一方面促进了其与沥青混合料的吸附作用，另一方面网状孔洞骨架支撑结构不会因有效融雪成分的释放而消失，因此不会造成混合料内部空隙率上升而影响路用性能的问题。所以自制缓释蓄盐粉体结构不仅可以充分发挥其融雪抑冰效果，还可以在混合料中起到矿粉的作用，满足混合料路用性能的要求。

图5 自制缓释蓄盐粉体扫描电镜图像

1．2 缓释蓄盐粉体融雪作用机理

当路面积雪结冰时，路表面会存在少量的水分，水分从沥青路面的空隙渗入到混合料中［9］，在行车载荷的作用下，这种渗透会加剧；当液体与融雪抑冰材料接触时，有效融雪抑冰成分析出到沥青混合料的空隙内，然后溶解在液体中，在来往车辆的作用下，产生泵吸作用而发生传质现象，使有效融雪成分传质到路面表层，发挥融雪抑冰的作用。由于路面不断有行车载荷作用，所以有效融雪成分不断地从沥青混合料内部传质到路面表层进行补偿，最终达到持续融雪抑冰效果。图6为缓释蓄盐粉体融雪的作用机理。

图6 缓释蓄盐粉体融雪作用机理

当环境降雪量较小时，自制缓释蓄盐粉体可以大幅度推迟路表的积雪形成时间，保证路面无大量积雪。在中小雪条件下，自制缓释蓄盐粉体可以减少路面积雪量，使路面部分裸露，提高路面的摩擦系数；在大雪条件下，由于路面内部传质出来的有效融雪抑冰成分的数量不能满足大雪条件下的需求，因而不能达到预期的融雪效果，但仍然可以有效地延迟路面积雪结冰，缩短路面冻结期，提高行车安全系数。

2 缓释蓄盐粉体改性沥青混合料的路用性能

2．1 自融雪普通沥青混合料

2．1．1 水稳定性

集料与沥青薄膜的黏附性与集料和沥青的各项性质有关［10］。沥青混合料出现剥落、松散和掉粒等病害，本质是混合料的水损害［11］。自融雪沥青路面由于内部有效融雪抑冰材料的溶析，会进一步加剧沥青混合料水损害现象的发生。为了合理评价融雪沥青混合料的水稳定性，本文使用马歇尔残留稳定度评价自融雪沥青混合料的抗水损害能力，马歇尔试件的残留稳定度越大，说明其抗水损害的能力越强［12］。按式（1）计算马歇尔试件的残留稳定度，结果如表2所示。由试验结果可知，含有自制缓释蓄盐粉体的马歇尔试件残留稳定度为83Ʊ43%，满足施工技术规范中的相应要求。

式中：S0为残留稳定度（%）；S1为浸泡48 h后马歇尔试件的稳定度（kN）；S为浸泡30 min后马歇尔试件的稳定度（kN）。

表2 马歇尔试件的稳定度及流值

2．1．2 高温稳定性

不同的填料与沥青的交互作用不相同，使得沥青混合料的抗剪切强度和抗变形能力有较大的差异。车辙试验是沥青路面抵抗行车载荷所产生的永久变形能力的测试方法。以高温车辙试验所测得的动稳定度作为评价沥青混合料高温稳定性能的指标，按式（2）计算动稳定度，结果如表3所示。由试验结果可知，融雪抑冰材料的加入使沥青混合料的动稳定度下降，但仍然满足规范中相应的技术要求。

表3 沥青混合料的动稳定度

式中：SD为动稳定度（次·mm－1）；d1为对应时间t1的变形量（mm）；d2为对应时间t2的变形量（mm）；C1为修正系数（取1．0）；C2为试件系数（取1．0）；N为碾压速度（42次·min－1）。

2．2 自融雪环氧沥青混合料

通过马歇尔残留稳定度来评价自融雪环氧沥青混合料的抗水损害能力，试验结果如表4所示。由表4可以看出：在使用同一种固化剂的条件下，用自制融雪剂替换环氧沥青混合料中的矿粉后，浸水30 min和48 h的稳定度与普通环氧沥青混合料相比均有所下降，但是马歇尔稳定度和浸水残留稳定度均满足规范中相应的技术要求。

表4 马歇尔试件稳定度

3 试验路段的铺筑

依据有关技术规范和指导书，结合延安当地交通、气候条件，提出沥青混合料施工技术指标要求。以延安黄龙县城35 km处的K63～400到K63～440路段为试验路段，总长40 m。实体工程的铺筑过程如图7所示。

图7 实体工程的铺筑过程

4 结 语

本文对自制缓释蓄盐粉体的制备进行详细的研究，同时系统地分析自制缓释蓄盐粉体改性沥青混合料的马歇尔稳定度、流值和高温稳定性等路用性能指标，得出以下结论。

（1）缓释蓄盐粉体融雪抑冰材料加入到沥青混合料之后释放的速率是制约自融雪路面研究的关键因素。通过研究发现，采用表面改性剂包裹蓄盐材料，可以有效改善蓄盐材料的缓释性能，满足自融雪路面的缓释要求。

（2）通过对缓释蓄盐粉体改性沥青混合料路用性能的研究，发现相对于普通沥青混合料和环氧沥青混合料，其稳定度虽然有所下降，但是仍然满足规范要求，可以运用于实际路面的铺筑，而且实体工程使用效果良好。

（3）自制融雪抑冰材料由于具有缓释性能，因此可以在不影响融雪效果的同时最大限度地减少对环境的破坏，而且也保障了融雪抑冰路面的使用年限，使其能长期抵抗冰雪灾害，保障冬季行车安全。

［1］ 王杰夫．振动清除冰雪机理及振动碾压磙优化研究［D］．长春：吉林大学，2011．

［2］ WU S M，CHENG G Z，PEI Y L．Evaluation on Driverƴs Mental Tenseness Under the Condition of Snow Pavement［J］．Advanced Materials Research，2012，（446⁃449）：2422⁃2425．

［3］ 王选仓，陆凯诠．公路路面融雪化冰技术与发展［J］．筑路机械与施工机械化，2013，30（1）：26⁃31．

［4］ 黎 聪，刘宗战，张春晖，等．国内路面冰雪清除技术的现状及发展趋势［J］．机械制造与自动化，2014（4）：68⁃70．

［5］ PRABHAKARAN K，JAMES J，PAVITHRAN P．Surface Modifica⁃tion of SiC Powders by Hydrolysed Aluminium Coating［J］．Journal of the European Ceramic Society，2003，23（2）：379⁃385．

［6］ DANKOVICH T A，HSIEH Y L．Surface Modification of Cellulose with Plant Triglycerides for Hydrophobicity［J］．Cellulose，2007，14（5）：469⁃480．

［7］ 冯 雷．融雪抑冰材料的研发及其沥青混合料路用性能研究［D］．西安：长安大学，2016．

［8］ 李士永．酸性集料在沥青混凝土路面修筑中的应用［J］．山西建筑，2005，31（15）：138⁃139．

［9］ 赵育霞．排水性沥青混合料水稳定性研究［J］．交通世界，2013（12）：281⁃283．

［10］ 马 新，郑传峰．沥青混合料水稳定性评价方法的试验研究［J］．公路，2008（4）：182⁃186．

［11］ 李 娜．高模量沥青混合料研究［D］．西安：长安大学，2007．

［12］ 曹林涛，李立寒，孙大权．基于车辙试验的沥青层永久变形预估［J］．建筑材料学报，2009，12（5）：554⁃557．

［责任编辑：王玉玲］

中国公路机械网简介

中国公路机械网（www．roadm⁃china．com）是我国最早成立的公路行业大型门户网站之一。它依托《筑路机械与施工机械化》、《中国公路学报》、《交通运输工程学报》、《长安大学学报》等公路交通行业知名杂志，借助广泛的信息资源和专业的采编制作，力图为业内提供全面、及时、系统、准确、专业及个性化的信息服务和资料检索。网站开辟了包括最新行业动态、最新技术动态、热门企业动态、行业设备数据分析、业内展会信息、项目招标公告、最新机械设备等在内的十余个特色栏目，浏览人数与日俱增，已成为公路施工、公路养护、公路科研、筑养路机械生产及工程技术人员的参考资料之重要来源。

中国公路机械网以及时满足用户的需求为最高目标，将在保持自身资源优势和广泛听取广大用户的意见和建议的基础上，不断更新各功能模块，使网站更加贴近用户的实际需求，为促进筑养路机械行业的发展尽最大努力。

Preparation and Application of Sustained⁃release Salt⁃storage Material for Road

FENG Lei，ZHAO Peng
（School of Materials Science＆Engineering，Changƴan University，Xiƴan 710061，Shaanxi，China）

In order to reduce the damage to the environment，it is necessary to select suitable raw materials and technology，and to prepare a sustained⁃release salt⁃storage material for asphalt concrete pavement on the basis of considering the effect of snow melting and ice suppression and economic benefits．The micro⁃structure characteristics of the material were studied by high⁃power microscope and scanning electron microscope．The self⁃made sustained⁃release salt⁃storage material was used to replace the slag in the asphalt concrete，after which the comparison on the pavement performance of regular asphalt mixture and epoxy asphalt was conducted．The results show that the pavement performance of the mixture meets relevant specification requirements，and the application in practical projects also shows good effect．

snow melting；sustained⁃release；asphalt concrete；pavement performance

U414

B

1000⁃033X（2017）08⁃0076⁃05

2016⁃12⁃28

国家重点基础研究计划（973）项目（2015CB655105）；国家自然科学基金项目（51608041）通讯作者：赵 鹏（1967⁃），男，陕西榆林人，教授，研究方向为无机材料。