改性氯氧镁水泥集料及自融雪性能

王 锋，景宏君，宋 梅，艾 涛，张胜利，刘 骞，慕 晓，葛 磊

(1.陕西省渭南公路管理局，陕西 渭南 714000；
2.西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054；
3.西安科技大学 道路工程研究中心，陕西 西安 710054；
4.长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710054；
5.陕西交通控股集团有限公司，陕西 西安 710065)

中国北方地区冬季寒冷，常出现降雪、结冰等天气现象。路面积雪结冰会暂时改变路表构造深度，降低路面摩擦系数，造成车辆打滑、行走困难，给交通运输和人民生命财产安全等方面造成严重危害，增加冬季交通事故的发生概率[1]。为消除冰雪对道路的不利影响，常采用撒布大量融雪盐被动除冰雪的办法来解决这一问题。传统的氯盐融雪剂虽然满足了道路交通的快速开放，但是也导致了植被破坏、附属结构腐蚀、水资源和土壤污染等一系列问题[2]。

较被动除冰雪技术而言，主动除冰雪技术是指在冰雪形成前就采取一定的有效措施和方法[3-8]，主要包括弹性路面铺装技术[9]、低冰点路面[10]和能量转化路面[11-12]等。低冰点路面作为目前较为成熟的一种主动除冰雪技术[13-14]，将含有缓释融雪盐的集料或者粉末拌入沥青混合料中，使沥青混凝土的表面盐水冰点变低，起到除冰融雪的作用。

瑞士、德国等欧洲发达国家先行展开这种低冰点路面技术研究，并在瑞士首先研制出可降低沥青路面冰点的蓄盐集料产品Verglimit-260(V260)[15]。日本引进此蓄盐集料产品，进行了二次改良，开发出产品名为MFL的蓄盐粉[16]。SANG等使用V260和MFL作用于低冰点沥青路面的同时，开展了新的低冰点蓄盐材料和技术的研究工作[17]。孙峥嵘等通过将融雪盐承载于多孔物质，经防水处理制备出蓄盐集料[18]；
冯雷等利用络合法形成缓释盐，并将络合盐包含于疏水的多孔细粉中，制备蓄盐粉[19]；
朱浩然等通过将蓄盐集料或蓄盐粉掺入沥青混合料中制成蓄盐沥青混凝土[20]。室内试验和工程实践表明，蓄盐沥青混凝土具有良好的除冰融雪功能，但时效性不佳。

为提高蓄盐沥青混凝土除冰融雪的长效性，以改性氯氧镁水泥为载体，通过压碎值、接触角以及电导率等评测方法，筛选出一种缓释性能优良的蓄盐集料，采用蓄盐集料等体积置换细集料的方法，制备其蓄盐沥青混凝土，通过融雪盐缓释性能、冰点试验、融冰速率试验、融雪效果试验评判除冰融雪性能。

1.1 蓄盐集料的制备

选取氯氧镁水泥作为蓄盐材料的载体，以氯化镁、氯化钙和氯化钠为无机融雪剂，丙三醇和聚乙二醇为有机融雪剂和缓蚀剂，制备不同蓄盐集料。

按照表1中组成成分和配比要求，将氯化镁、氯化钙或氯化钠、改性剂、聚乙二醇或丙三醇配制成一定浓度的混合液，放置24 h后备用。在水泥砂搅拌机中加入准备好的氧化镁粉，掺入定量的混合液，拌制成泥浆后，倒入事先准备好的模具中，保湿养护24 h后，脱模，常温养护一定龄期，以备后续的实验所需。

表1 蓄盐集料组成

1.2 蓄盐集料性能测试

参照规范养护要求，将试件标准养护一定龄期，依照GB/T 17671—1999对试件开展抗压强度实验。将养护15，28 d的氯氧镁水泥部分试件打磨光洁后直接进行抗压强度测试；
将养护28 d的试件水中浸泡7 d后取出，立即测试其抗压强度，若测试结果不低于原试件抗压强度的80%(即耐水软化系数不低于0.8)视为合格。

将养护28 d的蓄盐集料用对辊破碎机加工成为4.75 mm粒径以下的颗粒，然后筛取粒径为2.36～4.75 mm范围内的各类蓄盐集料，根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)采用如图1所示装置进行压碎值测试。

1.3 蓄盐沥青混合料制备及路用性能测试

蓄盐集料等体积置换部分细集料，参照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2017)要求，制备AC-13型沥青混凝土。

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2019)进行不同细集料替换率(0%，10%，15%，20%)的AC-13蓄盐沥青混凝土的高温稳定性、低温抗裂性能以及水稳定性测试，进而评价蓄盐集料对沥青混凝土的路用性能影响。

1.4 蓄盐沥青混凝土除冰性能

蜡封不同蓄盐集料用量的沥青混凝土马歇尔标准试件，裸露上表面，放入2 000 mL烧杯中，向烧杯中注入1 200 mL的蒸馏水，采用DDS-11C型电导率仪，测试试件浸泡不同时间后的溶液电导率(图2)。通过检测水溶液导电率随时间变化，对蓄盐沥青混凝土盐分缓释性能进行表征。

以年降雨量1 000 mm为基准，模拟5 a降雨量对蓄盐沥青混凝土的冲刷，雨水冲刷装置如图3所示。

将蓄盐沥青混凝土试件放入容器中，开启阀门，根据年降雨量中大雨、中雨、小雨的大体比例和降雨时间，控制流出的水量和流速，对试件进行冲刷试验，测试冲刷后的水溶液电导率的变化幅度，表征蓄盐沥青混凝土盐分缓释的长久性。

按照《公路沥青混合料用融冰雪材料》(JT/T 1210.2—2018)标准检测蓄盐沥青混凝土的冰点和融冰速率。

2.1 蓄盐集料耐水性

改性氯氧镁水泥蓄盐集料的耐水性直接影响沥青混凝土的耐久性。按表1的组成制备成型一定龄期的改性氯氧镁水泥蓄盐试件，改性氯氧镁水泥耐水软化系数测试结果如图4所示。由图4可知，改性处理的氯氧镁水泥，除氯化钠与其它组分发生化学络合的作用小，水浸泡后，易溶于水的氯化钠流失后形成孔隙，使得浸泡后的试件抗压强度下降，表现为软化系数减小；
其它含有氯化钙的改性氯氧镁水泥试件，氯化钙与有机醇易发生化学络合，较之氯化钠、氯化镁的溶析现象缓慢，包含甘油、聚乙二醇等组分可提升新型蓄盐集料的缓蚀性以及除冰融雪效果[21]。

2.2 蓄盐集料的抗压碎值

集料的抗压碎值是另一项重要的性能指标[22-24]。改性氯氧镁蓄盐集料的抗压碎测试结果显示6种改性氯氧镁水泥蓄盐集料的压碎值都小于规范要求的26%(表2)，其中4型是改性氯氧镁水泥蓄盐集料中抗压碎性能最好的蓄盐集料。

表2 各类型蓄盐集料抗压碎值

为了使蓄盐集料能够具有缓释盐分的功能，蓄盐集料的表面呈疏水性为佳。通过测试蓄盐集料的水-固界面接触角可表征使用改性剂改性后的蓄盐集料的表面疏水性。

6种蓄盐集料的测试结果表明，掺氯化钠改性氯氧镁水泥蓄盐集料的接触角最小，表现为明显的亲水性(表3)；
氯化钙和改性剂处理的氯氧镁水泥蓄盐集料，其接触角均远超90°，其中4型蓄盐集料的接触角最大，表现出优良的疏水性，这是因为4型蓄盐集料中的氯化钙可与改性剂和丙三醇发生复杂的络合反应，成为一种疏水的化合物，使蓄盐集料具有优良的疏水性，可为蓄盐集料的缓释提供良好的保障。

表3 各型蓄盐集料对水的浸润性

2.3 蓄盐沥青混凝土路用性能

蓄盐沥青混凝土路面在满足自融雪性能的同时，需探究蓄盐沥青混凝土的高温稳定性、低温抗裂性能以及水稳定性[25]。选用4型蓄盐集料以不同细集料替换率(0%，10%，15%，20%)掺入AC-13沥青混凝土，进而评价不同替换率的蓄盐集料对蓄盐沥青混凝土的路用性能的影响。

2.3.1 高温稳定性

沥青混凝土是由沥青粘结集料形成的粘弹性材料，遇高温时沥青混合料会发生高温软化，易形成车辙、拥包等病害[26]，有必要对沥青混凝土的高温稳定性能进行测试。蓄盐沥青混凝土中蓄盐集料取代了部分细集料，为了验证蓄盐集料是否影响沥青混凝土的高温稳定性，采用5.5%油石比，制备不同替换率的蓄盐沥青混凝土车辙板，测试各试块的高温稳定性。

通过蓄盐沥青混凝土车辙板试验结果(图5)可知，随着蓄盐砂体积掺量的增大，沥青混凝土的动稳定度出现先增后减的趋势变化，体积掺量为15%时的动稳定度达到最大，继续增大掺量，动稳定度又略有下降，这是由于蓄盐集料的有机盐络合物更易于沥青结合，使沥青软化点提高，改善了沥青混凝土的高温稳定性；
但蓄盐集料的坚韧程度比天然集料弱，掺入过多蓄盐集料的沥青混凝土易被碾碎，导致试件动稳定度略有下降。

2.3.2 低温抗裂性能

沥青混凝土是一种粘弹性材料，低温状态下易出现开裂现象[27-29]，因此低温抗裂性是沥青混凝土的重要的性能指标。通过测试不同蓄盐集料替换率下沥青混凝土的最大弯曲应变和最大拉伸应变，研究蓄盐集料的加入对沥青混凝土低温性能的影响(表4)。

表4 蓄盐沥青混凝土最大弯拉应变

由表4可知，随着蓄盐集料替换率的增大，沥青混凝土的弯拉应变呈逐渐变小，说明蓄盐集料的加入对沥青混凝土的低温抗裂性能产生了不利作用。

2.3.3 水稳定性

在水的不断侵蚀下，会造成沥青混凝土的胶黏性降低，沥青路面的寿命缩短[30]，采用浸水马歇尔试验评价了贮盐沥青混凝土的水稳定性。

不同蓄盐集料取代率下沥青混凝土的水稳定性试验结果表示(图6)，蓄盐沥青混凝土的残留稳定度随着集料体积掺量的增大而呈下降的趋势，这是由于随着混凝土中盐分的缓慢溶出，内部空隙率不断变大，水损害程度加重，造成水稳定性的下降。蓄盐集料替换率为15%时，沥青混凝土的残留稳定度为86.5%，符合规范要求；
当替换率达20%时，沥青混凝土的残留稳定度小于规范值，水稳定性不符合规范要求。

2.4 蓄盐沥青混凝土除冰性能

2.4.1 融雪盐缓释性能

蓄盐沥青混凝土路面作为具备主动除冰融雪的功能性路面，蓄盐量大和缓释期长的混凝土会延长蓄盐沥青混凝土路面的使用寿命[31]。衡量蓄盐沥青混凝土路面的除冰融雪效果主要由蓄盐集料中有效成分的析出量多少以及路表盐分含量决定。需要对蓄盐沥青混凝土路面的盐分析出量进行测量，以达到评估蓄盐路面的除冰融雪效果。不同替换率的蓄盐集料的标准马歇尔试件，采用电导率分析法测量蓄盐沥青混凝土不同时间释放于水中的溶盐浓度，并以此判断蓄盐沥青混凝土的长期除冰融雪性能。

分析不同蓄盐集料替换率沥青混凝土的电导率曲线可知，随着时间的不断增长，蓄盐集料替换率为10%的马歇尔试件的电导率上升趋势变缓最明显，且与替换率为15%和20%的马歇尔试件的电导率相差较大(图7)；
蓄盐集料替换率为15%和20%的马歇尔试件的电导率变化趋势都为前期快速增长，后期逐渐减缓，表现出良好的溶盐缓释性能。

季节性降雨使蓄盐沥青混凝土中盐分损失，会减弱冬季混凝土路面自融雪功能。为验证蓄盐沥青混凝土盐分缓释的长久性，模拟5 a雨水冲刷后，测试蓄盐沥青混凝土浸水溶液电导率，测试结果如图8所示。

从图8中的测试结果发现，不同蓄盐集料替换率的盐溶液电导率随着时间的延长，由小变大，并逐渐趋稳。蓄盐沥青混凝土经长时间大量水的冲刷和浸泡，仍然具有良好的盐分缓释性能。

2.4.2 冰点试验

参照《公路沥青混合料用融冰雪材料》(JT/T 1210.2—2018)中的冰点试验方法，通过检测冰点来评价蓄盐沥青混凝土的融冰性能。冰点试验结果(表5)显示，蓄盐集料替换率越大，蓄盐量增大，溶出的盐量也会变大，测试的冰点变得越低。低冰点将会实现蓄盐沥青混凝土的自融雪功能。

表5 冰点试验结果

2.4.3 融冰速率试验

为了衡量该蓄盐沥青混凝土路面的除冰效果，对不同蓄盐集料替换率沥青混凝土的融冰速率进行测量，随着试件中蓄盐集料替换率的增大，融冰速率也在逐渐增大(表6)。

表6 不同蓄盐集料替代率的沥青混凝土融冰速率

2.4.4 融雪效果

将蓄盐集料替换率为15%的沥青混凝土车辙板与未掺蓄盐集料的沥青混凝土车辙板放置室外，在降雪量达到4.5 mm的过程，观察蓄盐沥青混凝土的融雪效果。

对比降雪24 h后的融雪效果(图9)，降雪在蓄盐沥青混凝土车辙板上的雪层较薄，随着时间的延长，蓄盐沥青混凝土表面的积雪越来越少，直至即落即化的程度。低温下未掺融雪集料的沥青混凝土基本没有自动融雪的现象，而掺有15%的蓄盐集料的沥青混凝土具有显著的自融雪功能。蓄盐沥青混凝土优良的自融雪功能来源于其内在的盐分在水份持续溶解作用下，不断的迁移至混凝土的表面，有效降低了雪水的冰点，达到了自动消融积雪的作用。

1)通过对改性氯氧镁水泥进行抗压碎值、接触角和耐水性的测试分析，得出以氯氧镁水泥为载体，在氯化钙与有机醇和有机改性剂的络合作用下，可制备出盐分缓释性能和力学性能均佳的蓄盐集料。

2)不同蓄盐集料替换率的沥青混凝土的高温性能和低温性能均达到标准规定。蓄盐集料替换细集料的最优值为15%，不仅可满足蓄盐沥青混凝土残留稳定度要求，并可兼顾水稳定性等路用性能指标。

3)沥青混凝土中蓄盐集料替换细集料的比率为15%时，冰点为-5 ℃，融冰速率为352(g/h·m2)，表明蓄盐沥青混凝土具有优良的自动融雪效果，具备长效的除冰融雪能力。