超薄盐化物自融雪沥青罩面材料研究 材料学专业

超薄盐化物自融雪沥青罩面材料研究摘要：设计造价低廉、融雪效果优良的超薄盐化物自融雪罩面材料，已成为降低因路面湿滑而导致的交通事故的主要手段。本文通过对实验用原材料性能的测试，研究分析了高粘改性沥青胶浆的动态流变特性，利用动态剪切流变仪（DSR）和布氏粘度计，在最佳的粉胶比下，分析了盐化物替代矿粉的比例对沥青胶浆特性的影响，最后通过对沥青罩面材料融雪性能的研究，验证了混合料的实用性，为今后的道路施工提供数据支持。关键词：自融雪；改性沥青；粉胶比；胶浆0引言目前，国内外的道路除冰雪技术主要有人工除雪法、热力融雪技术以及融雪剂除雪法等[1]，而普通融雪剂对道路具有强烈的腐蚀效果，严重影响着车辆的出行安全[2]。盐化物自融雪路面的出现为解决道路除雪提供了新的思路，与传统的融雪技术相比，盐化物自融雪路面可以实现持久性融雪化冰，避免因使用大量融雪剂而造成的一系列不良影响[3-4]。上世纪八十年代，张洪伟[5]等通过将融雪抑冰技术与路面排水技术的结合，研究开发出了一种融雪透水性水泥路面，排水系数达到了0.1cm/s，空隙率达到了20%以上；李娜[6]等对SMA-13沥青路面进行了详细研究，分析了IceBane对沥青混合料路用性能和融雪性能的影响，发现SMA-13的融雪效果优于AC-13混合料，盐化物掺量更高。本文基于相关理论研究，设计开发了一种超薄盐化物自融雪沥青罩面材料，研究了粉胶比对其高温流变特性的影响，得到了最佳的粉胶比范围，并以此为基础得到了盐化物的最大替代量，最后通过对混合料融雪性能的探究，得到了影响融雪性能的影响因素，为今后路面工程的实施提供数据支持。1实验原料及沥青胶浆的制备1.1实验用原材料选用日本大有株氏会社生产的TPS高粘改性沥青，TPS含量为15%，基质沥青为AS70#，主要技术指标如表1基质沥青及高粘改性沥青的基本技术指标所示。表1基质沥青及高粘改性沥青的基本技术指标沥青种类实验项目单位实测值AS70#基质沥青软化点℃55闪点℃295针入度（20℃，100g，5s）mm63.4延度（6cm/min，5℃）cm180TFOT后质量变化%0.31TFOT后残留针入度比%95.6TFOT后残留延度cm36.2TPS高粘改性沥青弹性恢复%99.2韧性N.m15.3软化点℃88.4延度（6cm/min，5℃）cm42.3TFOT后质量变化%0.06TFOT后残留针入度比%75.3TFOT后残留延度cm22.8矿粉选择磨细的石灰石粉，粗细集料均为咸阳玄武岩，最大粒径为5.21mm，如表2矿粉和集料相关技术指标所示。表2矿粉和集料相关技术指标材料分类项目名称单位实验结果技术要求集料坚固性%13.5≤25压碎值%0.86≤3吸水性%8≤10吸水率%5≤6软石含量%7.1≤15针片状颗粒含量%12.68≤25洛杉矶磨耗损失%0.48≤1矿粉视密度g/cm33.21≥2粒度范围0.5mmmm120100-150粒度范围0.25mmmm6550-100粒度范围0.055mmmm5950-80盐化物的主要成分包含CaO、NaCl以及SiO2等，其中主要成分为NaCl，总量约为60%，融雪抑冰时氯盐逐步释放，主要被吸附于岩溶类多孔材料中。用盐化物替代部分矿粉添加到沥青混合料中，测定其主要技术指标如表3盐化物主要技术指标所示。表3盐化物主要技术指标项目名称单位实验结果技术要求外观-2.2632.0-2.5视密度g/cm3乳白色粉末无结团含水量%0.5≤1.0PH-8.57-9盐分含量%58≥701.2沥青胶浆的制备采用人工的方法制备沥青胶浆，首先将盐化物和矿粉过0.065mm筛，然后将筛底部的物质放入120℃烘箱中烘干，称重并保温2h。将沥青加热至180℃，将矿粉和盐化物按一定比例分别加入到沥青中，注意加入的量不宜过多，并用玻璃棒搅拌约25min，直至混合均匀。2高粘沥青胶浆特性研究2.1高粘沥青胶浆温度响应采用动态剪切流变仪对高粘沥青胶浆的粉胶比（沥青和矿粉的比例）进行实验研究，选定粉胶比为分别0.5、1.0、1.5以及2.0。研究复数模量G*、相位角δ以及车辙因子G*/sinδ等指标随温度变化的趋势，设计实验条件为：荷载频率15rad/s，温度范围50-100℃。a相位角随温度变化b复数模量随温度变化c车辙因子随温度变化图1温度扫描实验结果图1为温度扫描实验结果，由图可知，随着温度的升高，相位角δ呈先增大后减小的趋势，可能是由于温度较高，改性剂提高了沥青中的弹性比例，对沥青的改性作用增强。而车辙因子G*/sinδ以及复数模量G*都随温度的升高而减小，说明温度升高时，沥青软化，沥青胶浆由弹性向粘性转变，粘结能力减弱。当粉胶比大于1.5时，车辙因子的增长幅度减小，说明此时依靠增大粉胶比来提高胶浆高温性能的效果不明显。2.2粉胶比对粘度的影响分别对粉胶比为0.5、1.0、1.5以及2.0的高粘改性沥青胶浆进行布氏粘度试验，在实验温度分别为150℃、160℃以及170℃下，分析比较粉胶比对粘度的影响情况，得到如表4粘度随粉胶比的变化所示。表4粘度随粉胶比的变化粉胶比/%150℃160℃170℃粘度/Pa·s增长/Pa·s粘度/Pa·s增长/Pa·s粘度/Pa·s增长/Pa·s02.03-0.85-0.35-0.56.583.562.592.011.791.201.09.012.054.380.541.590.051.513.254.803.760.331.590.212.017.6518.035.620.592.350.41由表中数据可得，高粘改性沥青胶浆的粘度随着矿粉的加入而快速增长，实验温度为150℃，粉胶比为0.5和1.5时的沥青胶浆的粘度要明显高于高粘改性沥青；加入矿粉后粘度的增长幅度随着粉胶比的增大而增大，当粉胶比大于1.5时，随着矿粉的增加，胶浆粘度大幅增长。增大粉胶比，一方面矿粉颗粒的存在阻碍了改性剂高分子链之间的相互运动，表现为粘度的升高；另一方面对高粘改性沥青产生体积增强和物理增强作用，使粘度增加。2.3盐化物替代量对针入度和延度的影响 图2为盐化物替代量对针入度及延度的影响，由图可知，随着盐化物替代量的增大，沥青胶浆的针入度与延度都呈现出减小的趋势，其中，当掺杂小于70%时，针入度随替代比例的变化趋势变缓；而大于70%时，增加替代比例会使得针入度大幅降低。当替代比例超过55%时，随着替代比例的增大，5℃延度急剧降低，受盐化物替代量的影响较大。a针入度b延度图2盐化物替代量对针入度及延度的影响3盐化物自融雪沥青胶浆融雪特性3.1沥青胶浆融冰能力测试 按盐化物替代量为0%、20%、40%、60%、80%以及100%的比例，制备融雪沥青胶浆，将胶浆加热至180℃后用玻璃棒搅拌均匀。将55g沥青胶浆浇筑在直径为10cm的培养皿中，表面洒自来水，放置到-10℃低温环境中冷冻，室温下用电子天平测量融冰量，实验分为两个融冰周期。如图3两个周期融冰量结果所示。a第一周期融冰量b第二周期融冰量图3两周期融冰量结果 由图可知，随着融冰时间的增长，两周期的融冰量都逐渐增多，随着溶析时间延长，加盐化物胶浆与未加盐化物胶浆融冰量的差值逐渐增大，相同溶析时间下，第一个周期的融冰量大于第二个周期，第二个周期各替代量下融冰量的差距明显缩小。随着盐化物替代量的增多，未加盐化物的试件冰层和胶浆表面粘结紧密，而添加盐化物的试件，冰层和胶浆表面分离越严重，说明有效成分遇水分解，降低了与胶浆表面接触部分水的冰点，使得胶浆与冰层的粘结力减弱。3.2沥青胶浆融雪特性的电导率表征 将不同盐化物替代物的沥青胶浆加热至180℃后用玻璃板搅拌至均匀，分别称取55g沥青胶浆浇筑在直径10cm的培养皿中，降至室温后放入5000ml量筒中，添加3000ml自来水，室温下测其电导率，得到如图4沥青胶浆电导率实验结果所示。图4沥青胶浆电导率实验结果 由图可知，添加盐化物的试件，电导率会随着溶析时间的增长而变大，当溶析时间为60min时，盐化物替代量为40%和80%的试件的电导率分别为0.195μs和0.223μs，分别为替代量为0%时电导率的1.53倍和1.64倍，表明随着时间的延长，盐化物替代量越大，释放在水重的有效成分越多，水中自由离子的浓度就越大，电导率越大，融雪效果越好。4结论本文根据相关理论研究，对超薄盐化物自融雪沥青罩面材料的组成和性能进行了系统研究分析，得到了如下的结论：（1）盐化物的加入，降低了沥青高粘胶浆的针入度和延度，当替代量超过50%的时候，5℃延度的降低幅度最大，盐化物替代量越大，沥青胶浆粘度就越大。当实验温度相同时，G*、G*/sinδ以及sinδ等都随着粉胶比的增大而增大。（2）盐化物替代量越多，沥青胶浆的融冰量和电导率越大，相同条件下，第一周期的融冰量大于第二周期，且随着盐化物掺量的增大，沥青混合料的电导率就越大，融雪性能越好，随着温度的升高，有效成分释放速率加快，电导率逐渐增大，融雪效果逐步变好。参考文献[1]曾泽湘,南宇星等.盐化物抑冰沥青混合料类型与拌和工艺的研究[J].建设机械技术与管理,2015,28(05):85-87.[2]徐占强.盐化物沥青混合料组成设计及路面实体研究[J].交通科技,2013(03):139-141.[3]王军,白艳君.盐化物沥青混合料抗冻融循环性能及灰色预测[J].中外