路面盐化物冻结效果及盐分溶析影响因素研究

路面盐化物冻结效果及盐分溶析影响因素研究

0抑制冻结效果的定量评价通过在混合沥青路面上添加化学冻结剂，可以在一定程度上抑制道路冻结。日本已成功普及这条道路，但关于抑制结晶效果的报道很少。研究人员对冻结抑制效果的检测及评价没有统一的方法,对判断抑制冻结效果的盐分析出目标值及盐分析出量与冻结抑制效果的定量关系研究不足。为此,本文通过稀溶液定律确定盐分析出目标值,并通过检测溶液电导率值,确定不同条件下的盐分溶析规律,得到冻结抑制效果的室内检测方法及盐分析出量与抑制冻结效果的定量关系。1矿粉密度对沥青混合料流动性能的影响本试验采用日本的盐化物材料Mafilon(简称MFL)。MFL是一种粉末状材料,与矿粉具有相似的级配(级配组成见表1),可以置换沥青混合料中的部分或全部矿粉。但MFL的密度(2.25～2.35g/cm3)比矿粉的密度(约2.7g/cm3)小,如果直接等质量置换矿粉用量,会增加矿粉的体积,降低沥青混合料的流动性能,甚至会结成团块,增大拌和及摊铺难度。另外,沥青混合料的剩余空隙率变小,影响路面的高温稳定性和冬季冻结抑制效果的发挥。因此,盐化物置换矿粉时需要按照填料体积等效置换原则修正盐化物的添加量。本文通过室内试验,研究分析不同含量(质量分数)、不同温度和不同空隙率条件下的盐分溶析规律。试验采用密级配沥青混合料AC-16,修正前后的混合料组成见表2。2降低道路表面水土流失MFL的有效冻结抑制成分是55%左右氯化钠易溶盐,由于路面结构空隙的存在,水分逐渐进入混合料内部,使得氯化钠易溶盐成分溶解。在毛细管压力及车辆碾压作用下,易溶盐溶液从沥青混合料内部浓度较高的狭小空间逐渐向盐分浓度较低的路面表面扩散,从而降低道路表面水的冰点,延迟道路表面积雪结冰。析出的易溶盐也逐渐随着轮胎滚动和路面表面的流水而流失;同时,轮胎的反复碾压和流动的降雨或降雪加速了易溶盐的浓度扩散,从而加速了有效冻结抑制成分的散失。盐化物路面冻结抑制原理如图1所示。3路面表面盐化学类冻结抑制路面的冻结抑制效果取决于路面内有效冻结抑制成分含量,通过路面表面盐分析出量可以估计冻结抑制效果。对于密级配沥青混合料,其盐分溶析检测方法主要有密封溶析法(图2(a))、全溶法(图2(b))2种方法。本试验采用全溶法。3.1专盐型二氮原盐溶液的电导率测量在水质分析中,水的电导率与其所含有的有机酸、碱及盐量有一定关系。当它们的含量较低时,电导率随水中离子浓度的增加而增加,根据溶液电导率值可以间接推测水中离子成分的总浓度。此方法具有设备简单、操作方便、灵敏和快速等优点,所以电导法在水质分析中仍是一种常用的分析方法。因此,本试验也采用电导法推算水中盐分浓度,采用的仪器为DDS-11D电导率仪。溶液的实际电导率随溶液温度而变化,为了使不同温度条件下的溶液电导率具有可比性,仪器上设有温度补偿调节器。当调节器置于溶液实际温度对应的位置,仪器示值为该溶液在25℃时的电导率。如果调节器置于25℃的位置,则测量结果不受调节器的影响,仪器示值为溶液在实际温度时的电导率。本文在试验时考虑温度对电导率的影响,根据溶液实际温度,调整温度调节器的位置,仪器示值均为溶液在25℃时的电导率。盐化物MFL的主要可溶盐成分为氯化钠,故分别配制不同质量浓度的氯化钠溶液,检测相应的电导率值,结果如图3所示。图3中:y为电导率;x为氯化钠溶液质量浓度;R2为相关系数。由图3可以看出,氯化钠溶液的质量浓度与电导率值存在良好的相关性。将这一结果作为试件盐分溶析检测的标准曲线,计算不同条件下试件盐分溶析结果,以此估计路面盐分析出量。3.2确定盐酸盐的目标值根据稀溶液定律,可以计算出路面凝固点下降不同值时的氯化钠溶液浓度(表3),从而确定出不同降雪量时的盐分析出目标值(表4)。3.3参数计算制作不同条件下的马歇尔试件(Ф101.6mm×63.5mm),量取高度,计算试件表面积(式(1));将马歇尔试件置于容器中,底部用垫块垫起(图2(b)),加入550mL蒸馏水,可测定48h内溶液的电导率值;根据图3确定的标准曲线,计算溶液的盐分浓度,估计道路表面盐分析出量,每组试件3个,取其平均值作为结果,计算公式见式(2)。s=(2πr2+2πrh)×10-6(1)式中:s为马歇尔试件表面积(m2);r为马歇尔试件半径,r=101.6/2mm;h为马歇尔试件高度(mm)。Q=vρwns(2)Q=vρwns(2)式中:Q为道路表面盐分析出量(g/m2);v为加入蒸馏水的体积,v=550mL;ρw为水的密度,ρw=1.0g/cm3;n为由图3计算得到的溶液盐分浓度(%)。由于电导法对稀溶液的浓度变化比较敏感,当溶液浓度较大时,电导率超出仪器量程,无法检测。在初冬或残冬季节,由于霜降等原因,在路面上形成薄冰或者降雪量很小时,路面表面的溶液浓度可能较大,电导率超出仪器量程。为了检测现场的路面融冰雪效果,本文通过室内测定稀溶液的电导率随时间的变化情况,推算现场的融冰雪效果。通过试验确定,全溶法检测盐分溶析时,加入550mL蒸馏水,可检测稀溶液的电导率,计算试件表面析出的盐分含量,从而推测现场的融冰雪效果。3.3.1盐化物添加量将盐化物分别置换矿粉用量的35%、70%、100%,双面击实75次,击实温度165℃,成型马歇尔试件,室温下冷却24h后开始试验。检测48h内溶液电导率值随时间的变化,估计试件表面的盐分析出量。盐分溶析结果如图4所示。由图4可以看出,盐化物添加量越多,盐分溶析速度越快;随着溶析时间的延长,盐分析出速度逐渐降低。置换率为70%时,12h内的盐分析出量为17.26g/m2,大于15.8g/m2的目标值。因此,在气温高于-2℃、降雪量为小雪时,路面能够完全抑制冻结;置换率为100%时,12h内的盐分析出量为26.9g/m2,大于23.7g/m2的目标值,说明气温高于-3℃、降雪量为小雪时,路面表面能够完全抑制冻结。由以上盐分溶析结果可以看出,盐化物置换率为100%时,能够较好地抑制初冬或残冬季节路面上“黑冰”的形成,提高路面的抗滑性能,确保车辆行驶安全。当短时间内降雪量较大时(中雪及以上),盐分的析出能够溶解部分路面表面积雪,使积雪与路面脱离,提高机械除雪的作业效率。3.3.2夏季高温多雨季节中盐分结晶规律盐化物置换率为100%时,双面击实75次,成型两组标准马歇尔试件,一组试件是在常温条件下(19℃)冷却24h后试验;另一组是在5℃条件下冷却24h后试验。盐分溶析结果如图5所示。由图5可以看出,在相同时间内,盐分析出量随着温度的升高而增加。这是由于温度升高后,离子扩散加速,溶析出的盐分能够迅速扩散到道路表面。因此,从理论上讲,夏季高温多雨季节应是盐化物沥青路面有效成分易散失的时间,但气温较高时,可能会由于热胀的原因,导致路面混合料较为密实,空隙率较小,盐分损失不会像试验分析的那么大。盐化物沥青路面冻结抑制功能的发挥是持续性的,随着时间的延长,盐分持续不断地溶析出来。但温度较低时,冻结抑制效果发挥缓慢。因此,当路面有冰层出现或短时间内降雪量较大时,为了保证车辆的行驶安全,需要与机械除冰雪或撒布融雪剂等其他除冰雪方法共用。3.3.3不同孔隙率时的盐分析出量盐化物置换率为100%条件下,分别双面击实75次、50次和30次,成型的空隙率分别为3.9%、4.7%、7.2%时的马歇尔试件,室温条件下冷却24h后,检测盐分析出量,盐分溶析结果如图6所示。由图6可知,盐分析出量随空隙率的增加而增加,空隙率为3.9%时,12h后的盐分析出量为26.9g/m2;空隙率为4.7%时,12h后的盐分析出量为31.56g/m2,比空隙率3.9%的盐分析出量提高17%;空隙率为7.2%时,12h后的盐分析出量为35.27g/m2,比空隙率3.9%的盐分析出量提高31%。因此,为了避免盐分析出速度过快,保证路面冻结抑制效果具有一定的持续性,需要严格控制路面的压实度。根据日本的研究成果,对于密级配沥青混合料,空隙率为4%左右时,能够得到较好的盐分溶析效果,同时,也能保持较为良好的盐分溶析耐久性。4加量过大时(1)用电导法可以推测压实沥青混合料析出盐分浓度的变化规律。(2)盐分析出量的目标值还需要进一步通过试验验证,当盐化物添