复合型融雪剂对沥青性能影响分析

作者：王永栗威柴金玲

单位：河南交通职业技术学院长沙理工大学公路养护技术国家工程实验室河南省交通科学技术研究院有限公司

摘要：为研究融雪剂对沥青结合料性能的影响, 优化选择合适的沥青材料, 利用室内试验分析融雪剂对基质沥青和SBS改性沥青高温性能、敏感性能、低温性能及抗老化性能的影响。结果表明:融雪剂对2种沥青存在不同程度的影响, 提高了基质沥青的软化点和针入度指数, 降低了低温延度指标, 改善了基质沥青的高温抗车辙性能和温度敏感性, 劣化了低温抗裂性能, 且随试验温度的增加, 融雪剂对低温性能劣化更加严重;对于SBS改性沥青, 融雪剂降低了软化点、针入度指数和低温延度指标, 劣化了高温性能、感温性能和低温抗裂性能。老化试验分析发现:3大指标能够有效评价融雪剂对基质沥青抗老化性能的改善程度, 而对SBS改性沥青抗老化性能评价并不适用, 且SBS改性沥青对融雪剂劣化低温性能的抵抗能力优于基质沥青。

关键词：公路工程路面融雪剂 SBS改性沥青影响分析

作者简介：王永, 副教授, E-mail:673498111@qq.com
基金：长沙理工大学公路养护技术国家工程实验室开放基金资助项目 (kfj140103); 河南省高等学校重点科研项目 (17A560021);

0 引言

冬季冰雪灾害天气对城市交通、城市生活带来了严重影响, 路面积雪、结冰降低了道路的通行能力和安全性, 造成经济损失。采用喷洒融雪剂的方法清除路面积雪、预防结冰是各大城市、高速公路清除积雪的有效手段之一。研究显示, 尽管融雪剂作为有效、便利的除冰雪方法缓解了城市交通不便, 提高了人们的出行安全, 但也带来了较为显著的负面影响^[1]。国内外学者对融雪剂-沥青路面等方面展开了广泛研究^{[2,3,4,5,6,7,8]}, 但研究对象较为片面, 主要集中在沥青混合料、自融冰沥青混合料及融冰效果评价等方面, 对沥青结合料的研究涉及较少, 且融雪剂材料的选取不具代表性。本文通过选择不同类型融雪剂材料, 采用室内常规试验对基质沥青和SBS改性沥青的高温性能、低温性能、感温性能及抗老化性能等方面进行研究, 为改善沥青路面的性能、优化选择融雪剂材料提供技术支持。

表1 融雪剂基本性能指标

Table 1 Basic performance of snowmelt agent

类型	外观	pH (25℃)	冰点/℃	有效成分	20℃溶解度/%	最佳温度/℃
氯化钠	白色颗粒	6.7～7.3	-21	NaCl	23.0	-1～-10
HES	白色颗粒	8～10	-10	CaCl₂、缓蚀剂、防锈剂、土壤保护剂	29.8	-1～-20
KHF-1A	无色液体	9.29	≤-26	乙酸钾	53.2	-5～-30

1 试验方案

1.1 原材料

本文选择性能优良的SBS改性沥青和70号基质沥青, 根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》测试沥青性能, 技术指标均满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求;融雪剂材料选择液体融雪剂 (KHF-1A) 和颗粒融雪剂 (HES) , 主要技术指标如表1所示。

1.2 试验方法

目前, 国内外涉及沥青性能的试验中均没有融雪剂使用方面的标准和方法, 本文结合相关研究成果, 采用自行配置的融雪剂试样, 研究其对沥青的作用。具体过程如下。

1) 制备沥青薄膜试样

将沥青加热至熔融状态 (基质沥青为155～165℃, SBS改性沥青为160～165℃) , 制备厚度为1mm的沥青试样;其次, 配制融雪剂试样, 将不同类型的融雪剂分别加入蒸馏水中, 配制浓度为5%的融雪剂样品;将沥青试样分别放入配制好的融雪剂试样中, 用保鲜膜密封放入100℃烘箱中静置7d, 每隔24h取出沥青试样加热至流动状态 (严格控制温度, 防止沥青老化) , 然后重复上述操作;最后, 取出沥青试样, 清除表面残留物, 试件制备完成。

2) 沥青结合料性能试验

结合国家现行道路石油沥青标准指标 (针入度级标准和黏度级标准) , 从高温性能、感温性、低温性能及老化性能等方面, 通过常规试验对比, 分析融雪剂对沥青性能的影响, 具体操作均按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的试验步骤进行。

2 结果与分析

2.1 沥青高温性能影响

研究选取软化点 (T_R&B) 和当量软化点 (T₈₀₀) 指标评价融雪剂对沥青高温性能的影响。

2.1.1 软化点指标影响分析 (见图1)

图1 软化点测试结果

Fig.1 Softening point test results

1) 融雪剂显著影响了沥青高温性能, 提高了基质沥青的软化点值, 而SBS改性沥青的软化点呈降低趋势。说明融雪剂对沥青软化点指标影响, 不仅与融雪剂类型、沥青成分有关, 而且与沥青选用的改性剂也存在一定关联。研究发现, 基质沥青与融雪剂相互作用改变了沥青4组分的比例, 提高了沥青质和胶质组分比例, 造成沥青硬化、软化点指标增加^[6];对于SBS改性沥青, 融雪剂不再单纯对基质沥青成分发生影响, 而是对SBS改性剂与基质沥青相互作用的微观结构产生影响, SBS改性剂作为保证改性沥青质量稳定性关键因素, 融雪剂对SBS改性剂的劣化程度更为严重^[9], 最终导致其软化点值降低, 这与文献[4]分析结果相接近。

2) 3种融雪剂对基质沥青软化点改善幅度不同, HES的提高幅度最大, KHF-1A次之, NaCl最小, 与原样沥青相比, 3种融雪剂对软化点的提高幅度分别为8.1%, 7.3%, 3.8%;而SBS改性沥青软化点降低程度分别为10.6%, 16.5%, 15.2%。

2.1.2T₈₀₀指标影响分析

融雪剂对沥青T₈₀₀指标影响规律与软化点变化相近 (见图2, 3) , 即提高了基质沥青的T₈₀₀值, 降低了SBS改性沥青的T₈₀₀值。说明融雪剂对基质沥青的高温性能有所提高, 对SBS改性沥青的高温性能有所劣化。其中, HES对T₈₀₀指标提高幅度最大 (9.8%) , KHF-1A的改善幅度为5.3%, NaCl的增加幅度最小 (2.6%) ;对SBS改性沥青的降低程度分别为8.5%, 10.0%, 11.7%。

图2 T₈₀₀测试结果

Fig.2 Testing results of T₈₀₀

图3 T₈₀₀影响程度

Fig.3 Influence degree of T₈₀₀

2.2 沥青针入度指数敏感性影响

感温性反映了沥青作为一种黏弹性材料 (温度升高黏性性质明显, 温度降低弹性性质突出) , 随温度改变而发生物理性能变化^[10,11], 采用针入度指数 (PI) 研究融雪剂对沥青感温性能的影响, 结果如图4所示。

图4 PI值结果分析

Fig.4 Results analysis for PI

1) 融雪剂提高了基质沥青的针入度指数, 降低了SBS改性沥青的针入度指数, 说明融雪剂降低了基质沥青的温度敏感性, 感温性能得到改善;提高了SBS改性沥青的温度敏感性, 其沥青性能降低。其中, HES和NaCl对基质沥青PI值增加幅度较大, 且二者改善程度相近, 分别为34.8%和34.3%, KHF-1A的改善幅度为14.0%;对于SBS改性沥青, NaCl的PI值降低幅度最大, KHF-1A次之, HES最小, 其值分别为223.5%, 184.3%, 154.9%。

2) 融雪剂对SBS改性沥青感温性能的劣化程度更为显著, 是基质沥青的4.4倍 (以HES试验结果为例) 。同时, 规范严格提出了道路石油沥青的PI值范围 (-2.0～+2.0) , 超出该范围时, 沥青的温度敏感性强 (PI<-2.0) , 低温呈现出较为脆硬的特征, 当PI>+2.0时, 沥青的低温脆性虽小, 但易产生裂缝, 耐久性降低。与其相应, 尽管SBS改性沥青各项性能优于其他复合改性沥青 (尤其低温抗裂性能) , 但经过融雪剂作用后, 其感温性能下降幅度较大, 直接反映在SBS改性沥青混合料的路用性能降低中, 即高温稳定性和低温抗裂性能呈较显著的衰减趋势^[6,7]。

由此可知, 融雪剂对基质沥青和SBS改性沥青的感温性能均存在影响, 尤其对SBS改性沥青更为明显, 提高了基质沥青的感温性能, 而对于SBS改性沥青则显著下降, 这与高温性能软化点指标的影响相对应 (融雪剂对SBS改性沥青软化点指标的降低幅度高于基质沥青) 。这是由于沥青黏弹性、触变性均与PI值存在密切关系, 融雪剂改变了SBS改性沥青胶体结构, 促使凝胶体向溶胶体性质转变, 感温性能变差 (溶胶型PI<-2.0;凝胶型PI>+2.0) 。

2.3 沥青低温延度影响

沥青低温延度指标与路面低温开裂性能具有良好的相关性, 本文采用5, 10, 15℃的温度环境, 试验结果如图5所示。

图5 延度测试结果

Fig.5 Ductility testing results

图5显示了不同温度下3种融雪剂对沥青作用的延度结果, 由此可知以下结论。

1) 融雪剂对70号沥青和SBS改性沥青的延度均存在劣化影响, 3种温度下沥青的延度值均呈下降趋势, 且2种沥青的延度值劣化程度存在较大差异。这与融雪剂对70号沥青、SBS改性沥青的高温软化点指标、感温性指标的影响变化规律不同。以10℃结果为例, 对于70号沥青 (与原样相比) , NaCl, HES, KHF-1A的延度值分别降低了23%, 47.9%, 43.0%;对于SBS改性沥青, 相应延度值分别下降了21.0%, 16.5%, 18.2%。说明融雪剂降低了70号沥青和SBS改性沥青的低温性能, 提高了沥青的脆性。

2) 随试验温度的提高, 融雪剂对2种沥青的影响幅度并不一致, 其中70号沥青延度劣化程度随温度的增加而增大, 而SBS改性沥青的影响幅度呈下降趋势。可能因为70号沥青的温度敏感性较强 (在5～15℃范围) , 融雪剂通过改变沥青的组分比例, 饱和酚/芳香酚成分转移, 沥青质组分增加, 降低了沥青的延伸度。而对于SBS改性沥青, 融雪剂在5℃时对其影响较为严重, 随温度的增加而减弱。低温时, SBS改性沥青内部“结晶网状”结构损伤特征更为明显, 融雪剂首先破坏了SBS改性剂-基质沥青之间的连接状态, 而随着温度的增加, 这种结构对沥青延度值的贡献逐渐下降。如70号沥青, 5℃时NaCl, HES和KHF-1A的延度值分别降低了1.4%, 9.7%, 4.9%, 而在5℃时, 其值分别为80.2%, 82.5%, 78.2%。

3) HES对70号沥青的低温延度影响最为严重, 而NaCl对SBS改性沥青的低温性能劣化较为严重, 且SBS改性沥青对3种融雪剂影响低温性能的抵抗能力优于70号沥青。

2.4 沥青老化性能影响

目前在国际上多用薄膜烘箱试验 (TFOT) 或旋转薄膜烘箱试验 (RTFOT) 进行沥青老化试验。用老化前后指标的变化程度描述抗老化能力, 将测试融雪剂作用的沥青老化前后针入度、延度和软化点, 分析融雪剂对沥青老化性能的影响。

2.4.1 残留针入度指标影响分析 (见图6)

图6 残留针入度比结果分析

Fig.6 Analysis of residual penetration ratio results

1) 融雪剂对70号沥青和SBS改性沥青老化后残留针入度比存在不同程度的影响, 且影响幅度与融雪剂类型存在一定的关联。融雪剂提高了2种沥青的残留针入度比, 说明融雪剂对2种沥青的老化性能有所提高, 对70号沥青的提高幅度较为明显。对于70号沥青, NaCl, HES, KHF-1A的针入度比分别提高了8.7%, 17.5%, 10.5%, 对于SBS改性沥青, 其值分别提高了0.4%, 3.7%, 1.5%。

2) 通过分析发现, 3种融雪剂对2种沥青残留针入度比影响规律一致, 其中HES对两种沥青的残留针入度比增加幅度最大, 对老化性能提高更为明显, KHF-1A次之, NaCl最小。

2.4.2 延度指标影响分析 (见图7)

图7 延度比结果分析

Fig.7 Analysis of ductility ratio results

1) 融雪剂提高了70号沥青和SBS改性沥青的延度比, 尽管老化降低了沥青各项性能指标, 但融雪剂对沥青的抗老化性能均有所提升, 对SBS改性沥青的延度比提高幅度高于70号沥青, 这与残留针入度比指标分析结果不同。如融雪剂NaCl, 老化后70号沥青和SBS改性沥青的延度比分别提高了12.3%, 99.5%。

2) 3种融雪剂对沥青老化后延度比影响程度不同, 对于70号沥青, HES的提高幅度最大, 延度比增加了48.6%, KHF-1A次之, 延度比增加了39.9%, NaCl最小, 为12.3%;对于SBS改性沥青, NaCl的提高幅度最大, 延度比增加了99.5%, KHF-1A次之, 延度比增加了89.5%, HES最小, 为24.9%。

2.4.3 软化点指标影响分析

图8描述了经融雪剂作用, 基质沥青和SBS改性沥青的软化点比指标变化情况。

图8 软化点比结果分析

Fig.8 Analysis of softening point ratio results

1) 老化后70号沥青的软化点增加, SBS改性沥青软化点下降。经融雪剂处理后, 70号沥青的软化点增加幅度降低, 而SBS改性沥青的软化点下降幅度增加, 说明融雪剂对2种沥青产生了不同的作用, 提高了基质沥青的抗老化能力, 降低了SBS改性沥青的抗老化性能。对于70号沥青, NaCl, HES, KHF-1A的软化点比分别为111.5%, 111.0%, 111.1%, 与原样沥青相比, 其值均有所降低;对于SBS改性沥青, 经3种融雪剂处理后, 沥青软化点比值均显著提高, 其值分别为85.2%, 83%, 87%。

2) 融雪剂对SBS改性沥青的软化点比影响较为显著, 而对70号沥青的影响幅度稍弱, 且3种融雪剂对70号沥青的影响较为接近, 而对SBS改性沥青影响变化区辨性较强。NaCl, HES, KHF-1A作用后, 70号沥青的软化点比分别降低了0.5%, 1.0%, 0.9%;而对于SBS改性沥青, 其值提高了16.2%, 13.2%, 18.7%。针对SBS改性沥青老化后, 软化点下降的现象与常规理论分析相悖, 可能与SBS改性剂-基质沥青形成的网状结构有关, 具体原因需进一步研究。