宋云連，高盼，蔣宇

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051）

0 引言

中國北方地區(qū)冬季氣溫較低，在持續(xù)降雪環(huán)境下，為了道路交通流暢和行車安全，通常采用機(jī)械除雪、加熱路面除雪、撒融雪劑等含鹽類物質(zhì)除雪［1］，氯鹽類融雪劑不僅融雪效果好，而且價(jià)格便宜，因此被推廣應(yīng)用，但氯鹽對(duì)瀝青路面有腐蝕作用，進(jìn)而導(dǎo)致瀝青混合料的耐久性迅速下降［2-5］；為了使融雪劑對(duì)路面的損傷降到最低，大量科研人員研究不同濃度的融雪劑溶液對(duì)路面的損傷程度［6］，通過鹽凍融循環(huán)次數(shù)來研究路面的衰變規(guī)律［7-8］，但北方地區(qū)氣候復(fù)雜，瀝青路面不僅受到融雪劑濃度的影響，而且鹽凍時(shí)間、環(huán)境溫度也會(huì)對(duì)瀝青路面產(chǎn)生一定的影響，因此，研究融雪劑的濃度、鹽凍時(shí)間、環(huán)境溫度對(duì)瀝青混合料低溫性能的影響規(guī)律，對(duì)指導(dǎo)鋪撒融雪劑具有實(shí)際意義。

本文主要考慮了P 型融雪劑和H 型融雪劑在不同濃度、不同溫度下的融冰能力以及不同鹽凍時(shí)間對(duì)瀝青混合料低溫性能的影響，研究融雪劑濃度、鹽凍時(shí)間、環(huán)境溫度對(duì)瀝青混合料性能影響的顯著程度。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

1.1.1 集料及混合料級(jí)配

所用瀝青為90#基質(zhì)瀝青，采用AC-13 混合料類型，粗、細(xì)集料均產(chǎn)自呼和浩特賽罕區(qū)拌和站大青山玄武巖，性能均符合規(guī)范［9］要求。AC-13 礦料級(jí)配范圍及合成級(jí)配見表1，通過馬歇爾試驗(yàn)確定最佳油石比為4.988%。

表1 AC-13 礦料合成級(jí)配

1.1.2 融雪劑

本試驗(yàn)選用以CaCl2占比約為71%的P 型融雪劑和NaCl 占比約為59%的H 型融雪劑，P 型融雪劑為白色針片狀固體，H 型融雪劑為白色粉末與褐色固體顆粒狀混合物，根據(jù)規(guī)范［10］，采用溶解速率評(píng)價(jià)融雪劑的融雪化冰能力，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 兩種融雪劑（P 型、H 型）溶解能力測試結(jié)果

1.2 融冰能力試驗(yàn)

本試驗(yàn)方案是在規(guī)范［10］測試方法上的進(jìn)一步拓展，在測定融雪劑相對(duì)融冰能力時(shí)，采取使用融雪劑溶液來融冰的測試方法，北方地區(qū)冬季氣溫通常在0 ℃以下，且氣溫多變，消除極端天氣的影響，設(shè)置多組溫度評(píng)價(jià)融冰能力，為實(shí)現(xiàn)上述想法，按照國標(biāo)中的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)：①在8 個(gè)型號(hào)相同的燒杯中分別加入15 mL 的水，在（-10±1）℃的冰箱中凍3 h，制成8 塊形狀相同的冰塊，稱取冰塊與燒杯的質(zhì)量記作m0；②將P 型、H 型融雪劑固體顆粒按照10%、20%、30%、40%的濃度溶解于溶液體積為2 L 的燒杯中，攪拌均勻；③將高低溫交變箱的溫度分別調(diào)至-20 ℃、-10 ℃、0 ℃，待其穩(wěn)定5 min 后，取不同濃度的融雪劑溶液25 mL，將8 個(gè)裝有冰塊的燒杯分成兩組，一組分別倒入不同濃度的P 型融雪劑溶液；另一組分別倒入不同濃度的H 型融雪劑溶液，然后在高低溫交變箱中靜置0.5 h 后，取出燒杯；④將燒杯中的融雪劑溶液與水一并倒出，此時(shí)稱剩余冰塊與燒杯的質(zhì)量記作m1，此時(shí)融冰質(zhì)量為Δm=m0-m1。

1.3 小梁彎曲試驗(yàn)

本試驗(yàn)是模擬瀝青路面在融雪劑溶液鹽凍浸泡后，對(duì)瀝青路面低溫性能的影響，試驗(yàn)步驟如下：①制備250 mm×30 mm×35 mm 棱柱體小梁試件，試件在放入融雪劑溶液之前，先進(jìn)行1 h 飽水；②將飽水后的試件放入裝有不同濃度融雪劑溶液的容器中；③將容器中的試件放入溫度為-20 ℃、-10 ℃、0 ℃的高低溫交變箱；④由于不同溫度對(duì)路面鹽凍時(shí)間影響差異較大，根據(jù)北方地區(qū)氣溫特點(diǎn)，將鹽凍時(shí)間分別設(shè)為8 h、24 h、72 h，鹽凍后取出試件進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn)。

1.4 小梁彎曲蠕變?cè)囼?yàn)

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）［11］進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 融雪劑濃度對(duì)融冰能力的影響

P 型、H 型融雪劑在不同溫度、濃度下的融冰質(zhì)量如圖1 所示。

圖1 不同溫度下融雪劑的融冰質(zhì)量

從圖1可知：隨著溫度的升高、濃度的加大，P型、H型融雪劑的融冰能力都在逐漸增強(qiáng)，但-20～-10 ℃時(shí)的融冰量增長幅度大于-10～0 ℃時(shí)的融冰量增長幅度；當(dāng)溫度為-20 ℃時(shí)，P 型、H 型融雪劑在濃度為10%、20% 時(shí)并不能起到融冰效果，濃度為30%、40%時(shí)雖能起到一定的融冰效果，但融冰質(zhì)量較小，就融冰質(zhì)量總體而言，P 型融雪劑融冰質(zhì)量優(yōu)于H 型融雪劑2.47%～59.26%；在中國北方地區(qū)，冬季溫度通常在0 ℃以下，從融冰能力角度看，融雪劑濃度為20%～40%時(shí)能夠起到較好的融冰效果。

2.2 融雪劑濃度、溫度、鹽凍時(shí)間對(duì)小梁抗彎拉強(qiáng)度的影響

小梁試驗(yàn)在不同融雪劑濃度、不同溫度、不同鹽凍時(shí)間測得的試件強(qiáng)度計(jì)算公式如（1）所示，計(jì)算結(jié)果見圖2。

圖2 融雪劑濃度對(duì)小梁試件抗彎拉強(qiáng)度的影響

式中：RB為試件破壞時(shí)的抗彎拉強(qiáng)度（MPa）；b為跨中斷面試件的寬度（mm）；h為跨中斷面試件的高度（mm）；L為試件的跨徑（mm）；PB為試件破壞時(shí)的最大荷載（N）。

由圖2 可知：隨著濃度的提高，兩種融雪劑對(duì)小梁抗彎拉強(qiáng)度的影響差異較大，對(duì)于P 型融雪劑，濃度在30%時(shí)，其小梁的抗彎拉強(qiáng)度最低，對(duì)于H 型融雪劑，濃度在20%時(shí)，其小梁抗彎拉強(qiáng)度最低，原因?yàn)楫?dāng)融雪劑溶液濃度太高時(shí)，融雪劑顆粒不能完全溶于水，從而無法通過鹽水溶液浸入小梁試件內(nèi)部，從兩種融雪劑對(duì)小梁損傷程度的大小來看，P 型融雪劑對(duì)試件的損傷均高于H 型融雪劑；當(dāng)溫度為-20 ℃時(shí)，推薦P 型、H 型融雪劑濃度為40%，當(dāng)溫度為-10～0 ℃時(shí)，推薦P 型融雪劑濃度為20%和H型融雪劑濃度為30%，在此濃度下，不僅融冰效果較好，且能減小瀝青路面的損害；當(dāng)融雪劑濃度為0 時(shí)，其抗彎拉強(qiáng)度并不隨著鹽凍時(shí)間的增長而降低，但在其他濃度時(shí)，鹽凍時(shí)間從8 h 到24 h 時(shí)，其強(qiáng)度下降較大，而鹽凍時(shí)間超出24 h 時(shí)，小梁抗彎拉強(qiáng)度下降較小，小梁抗彎拉強(qiáng)度在鹽凍時(shí)間為24 h 時(shí)，其抗彎拉強(qiáng)度損傷已接近最大，與鹽凍時(shí)間為72 h 相比，其最大降低幅度僅為2.25%；因此，為了降低瀝青路面的損傷，盡量做好排水，減少鹽濃度的侵蝕，使鹽凍時(shí)間對(duì)路面的損傷降到最低。

2.3 融雪劑濃度、鹽凍時(shí)間對(duì)小梁蠕變速率的影響

采用不同融雪劑濃度、不同鹽凍時(shí)間時(shí)測得的小梁試件彎曲蠕變速率評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫變形性能，計(jì)算公式見式（2），計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。

圖3 融雪劑蠕變速率圖

式中：d（t）為實(shí)時(shí)跨中撓度（m）；t1、t2分別為蠕變曲線穩(wěn)定期起點(diǎn)、終點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)間（s）；?1、?2分別為t1、t2對(duì)應(yīng)的彎曲應(yīng)變；?（t）為試件梁底彎拉應(yīng)變；?s為彎曲蠕變速率［1/（s ·MPa）］。

由圖3 可知：除鹽濃度為0 外，各小梁的彎曲蠕變速率都隨著鹽凍時(shí)間的增加而降低，蠕變速率越大，瀝青路面抵抗開裂的性能越好，因此，減少鹽凍時(shí)間能夠提高瀝青混合料的低溫變形性能，P 型融雪劑在濃度為30%時(shí)，蠕變速率最低，而H 型融雪劑在濃度為20%時(shí)，蠕變速率最低，說明兩種融雪劑在此濃度下對(duì)瀝青路面的危害最大，在工程實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量避免在此濃度下融雪化冰。

3 統(tǒng)計(jì)分析

3.1 灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)度理論是以因素之間的發(fā)展態(tài)勢、幾何對(duì)應(yīng)關(guān)系為依據(jù)來衡量因素之間的關(guān)聯(lián)程度，計(jì)算步驟如下：設(shè)參考數(shù)列為X0={X0( 1 )，X0( 2 )，…，X0(n)}，比 較 數(shù) 列 為Xi={Xi( 1 )，Xi( 2 )，…，Xi(n)}，(i=1，2，3，…，m)，用均值法將數(shù)列歸一，如式（3）所示：

比較數(shù)列和參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)系數(shù)如式（4），灰色關(guān)聯(lián)度如式（5）所示：

式中：k=1，2，3，…，n；i=1，2，3，…，m；ξ為分辨系數(shù)，其值為0～1，一般取0.5；γi為比較數(shù)列Xi對(duì)參考數(shù)列X0的關(guān)聯(lián)度系數(shù)，其值越大，關(guān)聯(lián)度越大。

本研究以融雪劑濃度作為參考數(shù)列，以融冰質(zhì)量（0 ℃）、抗彎拉強(qiáng)度（-10 ℃）、蠕變速率作為比較數(shù)列，融雪劑濃度的灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 融雪劑濃度與各比較系列的灰色關(guān)聯(lián)度結(jié)果

由表3 可知：無論P(yáng) 型融雪劑還是H 型融雪劑，其融雪劑濃度對(duì)融冰質(zhì)量的影響最為顯著，對(duì)于P 型融雪劑，濃度對(duì)抗彎拉強(qiáng)度影響的顯著程度大于蠕變速率，而對(duì)于H 型融雪劑，濃度對(duì)抗彎拉強(qiáng)度和蠕變速率的影響無顯著差別，但隨著鹽凍時(shí)間的增加，二者的顯著程度發(fā)生變化，P 型融雪劑隨著鹽凍時(shí)間的增加，其濃度對(duì)抗彎拉強(qiáng)度影響的顯著程度增大，對(duì)蠕變速率影響的顯著程度減小，而H 型融雪隨著鹽凍時(shí)間的增加，其濃度對(duì)抗彎拉強(qiáng)度和蠕變速率的影響程度與P 型融雪劑的規(guī)律相反。

3.2 方差分析

為分析不同因素對(duì)小梁抗彎拉強(qiáng)度的影響，把融雪劑濃度、溫度、鹽凍時(shí)間兩兩作為一組進(jìn)行雙因素方差分析，計(jì)算結(jié)果如表4 所示。

表4 方差分析結(jié)果

當(dāng)F值大于F0.05時(shí)，此因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響顯著，當(dāng)F值大于F0.01時(shí)，此因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響高度顯著。由表4 可知：無論P(yáng) 型還是H 型融雪劑，二者對(duì)小梁抗彎拉強(qiáng)度的影響相同，當(dāng)鹽凍時(shí)間變化時(shí)，融雪劑濃度對(duì)抗彎拉強(qiáng)度的影響不顯著，溫度對(duì)抗彎拉強(qiáng)度的影響顯著；當(dāng)融雪劑濃度變化時(shí)，溫度對(duì)小梁抗彎拉強(qiáng)度影響高度顯著，在融雪劑濃度為10% 時(shí)，鹽凍時(shí)間對(duì)小梁抗彎拉強(qiáng)度影響顯著，其他濃度時(shí)，鹽凍時(shí)間對(duì)小梁抗彎拉強(qiáng)度的影響均高度顯著；當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，融雪劑濃度對(duì)小梁抗彎拉強(qiáng)度影響高度顯著，溫度在-10 ℃時(shí)，鹽凍時(shí)間對(duì)小梁抗彎拉強(qiáng)度影響顯著，其他溫度時(shí)，鹽凍時(shí)間對(duì)小梁抗彎拉強(qiáng)度的影響均高度顯著；融雪劑濃度、溫度、鹽凍時(shí)間對(duì)小梁抗彎拉強(qiáng)度的影響程度順序依次為：溫度>融雪劑濃度>鹽凍時(shí)間。

4 結(jié)論

（1）通過融冰試驗(yàn)可知，無論融雪劑種類及濃度如何變化，在-20 ℃～-10 ℃時(shí)的融冰量增長幅度大于-10 ℃～-0 ℃時(shí)的融冰量增長幅度；當(dāng)溫度為-20 ℃時(shí)，融雪劑濃度在30%以上時(shí)才能起到融冰效果，但融冰質(zhì)量較小，就融冰質(zhì)量而言，P 型融雪劑融冰質(zhì)量優(yōu)于H 型融雪劑。

（2）基于小梁彎曲試驗(yàn)和彎曲蠕變?cè)囼?yàn)可知，當(dāng)溫度為-20 ℃時(shí)，推薦P 型、H 型融雪劑濃度為40%，當(dāng)溫度為-10 ℃～0 ℃時(shí)，推薦P 型融雪劑濃度為20%和H 型融雪劑濃度為30%，此時(shí)不僅融冰效果較好，且能減小瀝青路面的損害，當(dāng)鹽凍時(shí)間為24 h 時(shí)，其小梁強(qiáng)度損傷已接近最大，與鹽凍時(shí)間為72 h 相比，其最大降低幅度僅為2.25%，而蠕變速率都隨著鹽凍時(shí)間的增加而降低，減少鹽凍時(shí)間能夠提高瀝青混合料的低溫變形性能。

（3）由灰色關(guān)聯(lián)度分析發(fā)現(xiàn)：P 型、H 型融雪劑濃度均對(duì)融冰質(zhì)量的影響最為顯著，對(duì)抗彎拉強(qiáng)度和蠕變速率的影響差異較大；由方差分析得知，對(duì)小梁抗彎拉強(qiáng)度影響的顯著程度順序依次為：溫度>融雪劑濃度>鹽凍時(shí)間。