（道路与铁道工程专业论文）融雪剂对沥青及沥青混合料性能影响研究.pdf

摘要 冬季冰雪灾害天气严重影响了道路行车安全，为了保证交通安全畅通，避免 严重的经济损失，融雪剂得到大量的应用，但是，融雪剂会造成沥青路面使用性 能显著衰减。为此，本文针对融雪剂对沥青及沥青混合料路用性能的影响，选取 n a c l 、c a c l 2 和n c 三种融雪剂开展室内试验研究。 ( 1 ) 三种融雪剂在不同浓度和温度条件下的溶解能力、融雪能力及融冰能力 的试验结果表明，不同融雪剂在融冰雪效果上有很大差别，当融雪剂以溶液形式 使用时，融雪能力强弱排序为n a c l n c c a c l 2 ；当融雪剂以固体形式使用时， 融冰能力强弱排序为c a c l 2 n c n a c i 。因此，n c 结合了n a c l 和c a c l 2 的优 点，能快速且稳定地融冰化雪。 ( 2 ) 通过沥青三大指标、布氏粘度、薄膜旋转烘箱加热、d s c t g 、红外光谱 分析等试验对融雪剂影响前后的基质沥青和s b s 改性沥青的路用性能进行了对 比分析。结果表明，融雪剂影响后，基质沥青的感温性和高温性能提高，低温性 能和抗老化性能降低，基质沥青分子结构无明显变化，按影响程度排序为c a c l 2 n c n a c l ：对于s b s 改性沥青，感温性、高低温性能、抗老化性能均降低，而 质量损失和热稳定性变化不大，按影响程度排序为n a c l n c c a c l 2 。 ( 3 ) 采用融雪剂浸泡和冻融玄武岩粗集料进行了洛杉矶磨耗值和集料压碎值 试验以及沥青及胶浆粗集料粘附性试验，结果表明，粗集料的抗磨耗能力随着浸 泡时间的延长显著降低，按影响程度排序为n a c l n c c a c l 2 ；各融雪剂对粗集 料抗压碎能力影响不大；经c a c l 2 、n c 影响后沥青及胶浆粗集料体系吸附能力 增强，经n a c i 影响后该能力降低，按影响程度排序为c a c l 2 n c n a c i 。 ( 4 ) 通过冻融劈裂、低温弯曲、车辙等试验，研究了融雪剂对沥青混合料路 用性能的影响。结果表明，融雪剂影响后，沥青混合料的冻融劈裂强度比、抗弯 拉强度、动稳定度等各项性能指标均有所下降，从总体上来看，影响程度排序为 n a c l n c c a c l 2 。 综上所述，融雪剂对沥青及沥青混合料的路用性能具有明显的影响，不同融 雪剂的影响程度相差较大。通过适当选择融雪剂类型、改性沥青种类以及控制路 面空隙率可以增强沥青路面抵抗融雪剂影响的能力。 关键词：融雪剂；沥青；沥青混合料；路用性能；空隙率；抗弯拉强度；劈裂强 度比；动稳定度 a b s t r a c t t h es n o w i c ed i s a s t e rw e a t h e ri nw i n t e rc a ns e r i o u s l yi n f l u e n c et h et r a f f i cs a f e t y o nh i g h w a y al o to fs n o w m e l ta g e n ti s a p p l i e dt og u a r a n t e et h et r a f f i cs a f e t ya n d u n b l o c k e da sw e l la sa v o i ds e r i o u se c o n o m i cl o s s b u tt h es n o w m e l ta g e n tc a n s i g n i f i c a n t l yc a u s ep e r f o r m a n c ea t t e n u a t i o no fa s p h a l tp a v e m e n t f o rt h i sr e a s o n ， a c c o r d i n gt ot h ei n f l u e n c eo fs n o w m e l ta g e n tt op a v e m e n tp e r f o r m a n c e so fa s p h a l t a n da s p h a l tm i x t u r e ，t h et h e s i sd e v e l o p st h er e s e a r c ho f l a b o r a t o r yt e s t sb yc h o o s i n g3 k i n d so fs n o w m e l ta g e n t ss u c ha sn a c l ，c a c l 2a n dn c ( 1 ) t h et e s tr e s u l t so fa b i l i t i e so fd i s s o l u t i o n ，s n o w m e l t i n ga n di c e m e l t i n gf o r t h e3s n o w m e l ta g e n t su n d e rt h ed i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n sa n dt e m p e r a t u r e ss h o wt h a t t h e i c e m e l t i n g e f f e c t so fd i f f e r e n ts n o w m e l t a g e n t s a r ev e r yd i f f e r e n t w h e n s n o w m e l t a g e n t s a r eu s e da ss o l u t i o n f o r m ，t h es t r o n g w e a kr a n k i n go ft h e s n o w - m e l t i n ga b i l i t yi sn a c i n c c a c1 2 w h e ns n o w m e l ta g e n t sa r eu s e da ss o l i d p a r t i c l ef o r m ，t h es t r o n g w e a kr a n k i n go ft h ei c e m e l t i n ga b i l i t yi sc a c12nc n a c l t h e r e f o r e ，n cc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fn a c la n dc a c12 ，a n dc a nq u i c k l y a n ds t e a d i l ym e l ts n o wa n di c e ( 2 ) t h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so fp a v e m e n tp e r f o r m a n c e so fb a s ea s p h a l ta n ds b s m o d i f i e da s p h a l tw e r ep e r f o r m e db e f o r ea n da f t e ri n f l u e n c eo fs n o w m e l t a g e n t t h r o u g ht h et e s t so fp e n e t r a t i o n ，l o wt e m p e r a t u r ed u c t i l i t y ，s o f t e n i n gp o i n t ，b r o o k f i e l d r o t a t i o nv i s c o s i t y ，r o t a t i o nf i l mo v e nh e a t i n g ，d s c t g ，i n f r a r e ds p e c t r u ma n a l y s i s a n ds oo n t h er e s u l t ss h o wt h a t ：a f t e rt h ei n f l u e n c eo fs n o w m e i ta g e n t ，f o rb a s e a s p h a l t ，i t st e m p e r a t u r es u s c e p t i b i l i t ya n dh i g ht e m p e r a t u r ep r o p e r t i e sa r ei m p r o v e d ， a n dl o wt e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c ea n da g i n gr e s i s t a n c ea r ed e c r e a s e d m o l e c u l a r s t r u c t u r eo fb a s ea s p h a l td o e sn o tc h a n g es i g n i f i c a n t l y a c c o r d i n gt ot h ed e g r e eo f i n f l u e n c e ，t h er a n k i n gi sc a c l 2 n c n a c l f o rs b sm o d i f i e da s p h a l t ，i t s t e m p e r a t u r es u s c e p t i b i l i t y ，h i g h a n d - l o wt e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e sa n da g i n g r e s i s t a n c ea r ea l ld e c r e a s e d ，b u tt h eq u a l i t yl o s sa n dt h e r m a ls t a b i l i t yc h a n g e dl i t t l e ， a n dt h er a n k i n go fi n f l u e n c ed e g r e ei sn a c i n c c a c l 2 ( 3 ) t h eb a s a l tc o a r s ea g g r e g a t ew h i c hi ss o a k e da n df f e e z e d t h a w e db ys n o w m e l t a g e n t sa r ea d o p tt op e r f o r mt h et e s t so fl o sa n g e l e sa b r a s i o nv a l u ea n da g g r e g a t e c r u s h i n gv a l u ea sw e l la sa d h e s i v e n e s sa b i l i t yo fa s p h a l ta n di t sm u c i l a g ew i t hc o a r s e a g g r e g a t e t h er e s u l t ss h o w ：a l o n gw i t ht h es o a kt i m ee x t e n d i n gt h ea n t i a b r a s i o n a b i l i t yo fc o a r s ea g g r e g a t ei sr e d u c e ds i g n i f i c a n t l y ，a n dt h er a n k i n go fi n f l u e n c e d e g r e ei sn a c i n c c a c l 2 t h ei n f l u e n c eo fs n o w m e l ta g e n t st ot h ea n t i c r u s h i n g a b i l i t yo fc o a r s ea g g r e g a t ei s l i t t l e t h ec a c l 2a n dn cc a u s et h a tt h ea d s o r p t i o n a b i l i t yo fa s p h a l ta n di t sm u c i l a g ew i t hc o a r s ea g g r e g a t ee n h a n c e t h en a c lc a u s e t h a tt h i sa b i l i t yr e d u c e s t h er a n k i n go fi n f l u e n c ed e g r e ei sc a c l 2 n c n a c i ( 4 ) t h r o u g ht h et e s t so ff r e e z e - t h a ws p l i t t i n g ，l o wt e m p e r a t u r eb e n d i n ga n dh i g h t e m p e r a t u r er u t t i n g ，t h ei n f l u e n c eo fs n o w m e l ta g e n t st oa s p h a l tm i x t u r ep a v e m e n t p e r f o r m a n c ew a sr e s e a r c h e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：a f t e rt h ei n f l u e n c eo fs n o w m e l t a g e n t s ，a l lp e r f o r m a n c ei n d e x e so fa s p h a l tm i x t u r es u c ha sf r e e z e - t h a ws p l i tr a t i o ， f l e x u r a lt e n s i l es t r e n g t ha n dd y n a m i cs t a b i l i t ya r ed e c r e a s e d t a k i n gi ta l lr o u n d ，t h e r a n k i n go fi n f l u e n c ed e g r e ei sn a c i n c c a c l 2 i ns u m m e r y ，t h ei n f l u e n c eo fs n o w m e l ta g e n t st oa s p h a l ta n da s p h a l tm i x t u r e p a v e m e n tp e r f o r m a n c e si so b v i o u s ，a n dt h ed i f f e r e n c eo ft h ei n f l u e n c ed e g r e eo f d i f f e r e n ts n o w m e l ta g e n t si sa l s oo b v i o u s s e l e c t i n gp r o p e r l yt h et y p eo fs n o w m e l t a g e n t ，t h ec a t e g o r yo fm o d i f i e da s p h a l t ，a n dc o n t r o l l i n gp a v e m e n tp o r o s i t yc a n i n c r e a s er e s i s t a n ta b i l i t yf o rt h ei n f l u e n c eo fs n o w m e l ta g e n t st oa s p h a l tp a v e m e n t k e yw o r d s ：s n o w m e l ta g e n t ；a s p h a l t ；a s p h a l tm i x t u r e ；p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ； p o r o s i t y ；f l e x u r a lt e n s i l es t r e n g t h ；t e n s i l es t r e n g t hr a t i o ；d y n a m i c s t a b i l i t y i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：一彗广叉 日期： 汐胆多月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名 鸽厂艾 日期： 汐p 年6 月z 日 日期：加少年多月z 日 1 1 问题的提出 第一章绪论 2 0 0 8 年1 月中旬，我国西北、西南、中原和华南等地区都相继出现了范围最 大、持续时间最长的雨雪天气，对2 0 0 8 年的春运工作和工农业生产造成极为不利 的影响。其中湖北、湖南、贵州等部分地区先后出现了3 - 4 天的持续性低温雨雪 天气，并遭受了较为严重的大范围冰冻灾害，据统计，湖北、湖南两省因雪灾直 接经济损失达3 1 1 亿元。受连续多日罕见的大雪及暴雪的影响，陕西、湖北、湖 南、安徽、贵州等地交通运输严重受阻，很多机场都无法正常起降航班，多条高 速公路封闭，给人们出行带来重大影响。特别是l8 日以后出现的强降雪，使部分 地区电力、交通和工农业生产遭受到5 0 年来少有的灾难，给国民经济和人民生命 财产造成了重大损失。由于连续出现强降雪天气，从北京、上海、广州等机场飞 往上述地区的航班，因很多机场全天关闭被迫停飞，给人们出行造成了严重的影 响【1 1 。 2 0 0 6 年2 月1 2 日，美国东北部地区迎来2 0 0 6 年的第一场暴风雪，从华盛顿 到波士顿地区，强降雪导致许多用户供电中断，大量航班被迫取消。据美国有线 电视新闻网( c n n ) 报道，大雪迫使各大航空公司取消了2 0 0 0 多个进出东北部地区 的航班，受影响的机场遍及全国，仅在佛罗里达，就有7 5 0 0 名旅客不得不滞留在 机场。与此同时，新泽西州运输部门当天关闭了该州所有州际公路，以减少交通 事故。由于大雪严重影响路面交通，导致电力公司的检修工作进展缓慢，进而造 成能源和电力的短缺。在马里兰州，超过8 5 0 0 0 个家庭和写字楼停电，在弗吉尼 亚州北部，也有6 万户陷入一片黑暗之中。在美国德拉华州、新泽西州和纽约长 岛地区，气温大多只有摄氏零下6 度。在天寒地冻的时候偏偏遭遇停电，这些家 庭的苦况可想而知【2 1 。2 0 0 8 年2 月1 日，加拿大东部安大略省和魁北克省遭暴风 雪袭击，恶劣天气1 日上午开始袭击安大略省，并迅速影响到魁北克省，不少地 方出现大风、冻雨或冰雹，2 日下午，两省的积雪深度已达2 0 - 4 0 c m 。据安大略 省警方统计，全省在半天时间内己发生5 0 0 多起交通事故；多伦多机场有2 0 0 多 个航班、蒙特利尔机场有1 0 0 多个航班被取消或延误；一些线路的长途汽车停止 运营，铁路部门增加了车次，但车票仍供不应求【3 j 。冰雪天气不仅影响人们的日 常生活，同时也严重影响到了交通运输，如图1 1 所示。 囊劳哆皂! 蠢d 獬b 奄铲 图1 1 雪灾严重影响变通运输 箩 随着时代的发展、城市的繁荣，人们对于各城市之间高速公路交通运输的要 求也不断提高。然而冰雪天气由于会造成路面积雪、结冰，不仅影响交通行车安 全，严重的话甚至会造成高速公路车辆太面积堵塞，从而不可避免的给国家和个 人经济造成巨大损失，因此运用有效手段快速除冰化雪是解决高速公路交通运输 免受积雪之害的当务之急。 高速公路上除冰方法通常包括机械除冰、电热除冰以及撒布融雪剂除冰等， 在所有的除泳措施中，撒布融雪剂以其简便的操作方式、低廉的价格，成为冬季 融冰除雪方法的首选。国内方面，据资料显示我国哈尔滨、沈阳、天津、北京这 些北方城市，每年耗用几千吨或万余吨化冰盐，石家庄、济南、武汉、南京等很 多城市也都使用融雪剂，就连风景如画的西子湖畔杭州，也对交通要道、立交桥 喷洒融雪剂：作为世界遗产地的黄龙景区，仅一段4 0 k m 路面就用去融雪剂1 0 t 而瘦西湖畔的扬州，有报道称也用了1 5 0 0 t 融雪剂。2 0 0 5 年冬天，为缓解道路交 通的巨大压力，京城八个城区范围内共使用了约8 0 0 0 多吨融雪剂，2 0 0 2 年的冬 天则使用了7 0 0 0 t 1 4j 。2 0 0 9 年雪灾期间武汉共撒下3 0 0 0 多吨融雪盐，交通部仅 对京珠高速公路湖南、广东路段结冰就喷洒了5 0 0 0 多吨工业用盐，河南省抛洒融 雪剂4 3 0 0 余吨1 5 1 。2 0 0 9 年2 月2 3 日北京环卫集团作业部负责人表示，目前该市 的扫雪方式是以“机械扫雪为主，融雪剂为辅”的扫雪方式，但针对降雪量大、地 面雪较厚或者路面结冰的情况，会采用水车喷洒融雪剂，前几日的连续三场降雪， 该市的二、三、四环等城市主干道共使用了4 0 0 0 多吨融雪剂1 6 】。国外方面据悉， 美国每年“化冰盐”的使用量可达千万吨，占盐业总产量的l ，3 ：加拿大每年用 量为4 0 0 - 5 0 0 万吨i ”。法国每年冬季要花4 亿法郎购买l5 0 万吨融雪盐，主要还 是氯化钠”j 。 玛括特大学公共与环境工程部研究表明，使用氯盐型融雪剂降低了公路行车 安全隐患，由于其融雪效果显著，使得冬季意外伤害事故降低8 83 。在保证公 路交通畅达和公共安全方面融雪剂显示了不可替代的优势，今后仍将继续使用【7 1 。 然而，任何事物都有两面性，每年如此大量的融雪剂被使用在公路上，尽管 能缓解交通压力，减少交通事故，大大方便人们的工作和生活，但是也存在不少 问题，比如融雪剂很有可能导致公路上很多结构物被腐蚀、公路周围土壤盐渍化、 或者公路附近水体被污染等。那么，融雪剂对公路沥青路面的影响具体如何，如 何合理评价其作用程度，如何筛选合理的融雪剂类型，这都是需要进一步研究的 内容。 1 2 国内外研究概况 国内外学者曾经对公路除冰方法、融雪剂开发以及融雪剂危害进行了大量调 查和研究工作，具体包括以下几个方面。 1 2 1 除冰方法研究概况 目前，世界各国采用的除雪化冰方法包括人工扫雪、机械除雪、撒盐融化法 和加热融化法。 ( 1 ) 机械除雪 该方法常用的机械有推土机、装载机以及防冻材料洒布车等，使用机械不会 造成污染，但是成本高、效率低、除雪不彻底等。 ( 2 ) 撒盐融化法 该方法是直接将融雪剂撒布在路面上，融雪剂溶于水后形成溶液，使冰点降 低，从而使冰雪在低温下融化。由于该方法操作简便且氯盐型融雪剂价格低廉， 因而得到了广泛的应用，但是，也带来了许多负面效应，其表现主要为钢筋水泥 混凝土结构物被腐蚀、公路环境被污染。 ( 3 ) 加热融化法 该方法是利用热源如红外辐射、电热、地热等进行融雪。常用的加热融化法 包括以下几种： 1 ) 地热管法【9 】 【1 0 】：将管道安装于路面结构中，让热水或水蒸气通过，从而 加热管道并使路面冰雪融化。该方法在发达国家应用较多，主要用于人行横道、 路面及桥面。美国采暖制冷与空调工程师学会( a s h r a e ) 还制定了相应的应用指 南( a s h r a eg u i d ea n dd a t ab o o k ) 。 2 ) 电热丝法l j ：将电热丝或电热网埋入路面结构中，进行通电加热，使冰 雪融化。日本曾经采用该方法进行了沥青路面试验路铺筑，取得了一些研究成果。 3 ) 导电水泥混凝土【1 2 】 【1 4 】：是将导电组分材料添加到混凝土中，使混凝土变 成具有良好导电性能的导电体。通电后，该导电体产生热量，温度随之升高，从 而达到融化路面冰雪的目的。加拿大的x i ep i n g 、美国的s h e r i f 、我国的李卓球 等学者先后进行了导电水泥混凝土融雪化冰研究及应用。其中加拿大n e b r a s k a d e p a r t m e n to fr o a d s 率先在t h er o c as p u rb r i d g e 铺筑了长11 7 f t ，宽2 7 5 f t 的导 电水泥混凝土试验路段。 4 ) 导电沥青混凝土【1 5 h 1 8 】：机理与导电水泥混凝土相似，但作为高绝缘体， 其导电性很难改善。2 0 世纪6 0 年代末期，美国联邦航空局和超级石墨公司曾研 制出石墨改性沥青，并试图通过掺入石墨提高沥青混合料的导电性能，用于机场 路面除冰，但并没有达到预期效果。9 0 年代初，该公司继续资助该项目的研究， 并在高速公路加以应用。另外，在沥青混合料中掺入钢渣和碳纤维等材料的相关 研究也正在进行中。 1 2 2 融雪剂开发研究概况 融雪剂主要分为氯盐型、非氯盐型及混合型【1 9 】，具体如图1 2 所示。 融雪剂 氯盐型( 氯化钠，氯化镁、氯化钙等) 非氯盐型( 有机或无机盐，胺、醇等) 棍合型 氯盐+ 非氯盐 氯盐+ 非氯盐+ 阻锈剂 图1 2 融雪剂分类 ( 1 ) 氯盐型融雪剂 该类融雪剂在国外通称为化冰盐，主要包括氯化钠、氯化镁、氯化钙、氯化 钾等。美国主要使用5 种融雪剂，氯盐就占了三种( 氯化钠、氯化钙、氯化钾) ， 其中氯化钠是使用最早且用量最大的。日本使用化冰盐要晚于美国，但仍以氯化 钠和氯化钙为主【7 】。国内使用的融雪剂同样是氯盐为主，早期使用氯化钠，2 0 0 0 年后则主要使用氯化钙和氯化镁。 目前氯化钠用量最多，其优点是价格低廉，缺点是污染环境、腐蚀混凝土、 腐蚀金属。氯化钙是后来兴起的一种融雪剂，其优点是吸水性强，缺点是难以贮 存，污染环境。日本研制了一种融雪剂产品，就是以硫酸镁和粗制氯化钙为主要 4 成分，经过一系列的加工后，其融雪效率较高。 ( 2 ) 非氯盐型融雪剂的开发与进展 经过大量的实践证明，氯盐型融雪剂会带来很多弊端，因此相关部门迫切地 希望找到一种新型融雪剂替代氯盐。经国内外科研人员的努力，非氯盐型融雪剂 的研制工作也取得了一些进展。 1 ) 利用垃圾废物生产的醋酸盐融雪剂 2 0 世纪8 0 年代，美国d o t 公司研制了一种环保型融雪剂一c m a ，其优秀的 环保性1 2 0 】，主要集中在以下两个方面：首先，它对环境的影响很小【2 ，就土壤而 言，醋酸根在进行迁移时，因离子交换而使原土壤中的痕量金属析出。它在水中 可分解形成醋酸，有氧条件下，又可渗到地下水中，醋酸和土壤中的锌及铅可形 成碳酸锌和碳酸铅，进而与方解石形成共沉淀，水中c d ( 镉) 、c u ( 铜) 、z n ( 锌) 、v ( 钒) 、c r ( 铬) 的浓度降低【2 2 1 。有关生物降解的研究结果表明，在 到达地下水前，c m a 可被大量降解【2 3 1 。美国加州北部湖泊中的海藻和菌类的试 验表明，它对水中生物和植物的影响极小。有关毒性试验也认为，它对人类的毒 副作用非常低f 2 4 1 。其次，c m a 对混凝土结构的腐蚀性较小，对金属的腐蚀具有 明显抑制作用2 5 】 【26 1 。虽然具备上述众多优点，但由于原料价格高【27 1 ，导致其出 售价格昂贵，因此目前c m a 并未被大量推广使用。 2 ) 利用造纸废液生产的复合融雪剂 1 9 8 8 年美国专利发明者t e r e n c e e p e e l 发明了l m w b l 融雪剂【2 引。通过对 冰点下降、融化速率和腐蚀性三方面性能的考核，可以证明其融雪效果优于c m a 。 该产品具有较低的冰点，在水中固体含量3 6 时，其冰点为3 7 ，因此对于高寒 地区它是较合适的无氯融雪除冰剂。该融雪剂为减轻造纸工业对环境的污染寻找 了一条道路，但距离工业化大生产尚有一定距离。 3 1 利用酚、糖副产物生产的融雪剂 t o d dab l o o m e r 用糖蜜脱糖加工中的废弃物发明了两种融雪剂，并申请了专 利【2 9 1 。s a t v apc h a u h a n 等人用长链烷基脂肪酸酯加工中的副产物配制了一种液体 融雪剂【30 1 。张天德以甲基葡萄糖甙生产中的副产品( 母液) 一甲基葡萄甙水溶液 为主要原料，经脱醇、脱色精制，再配以二乙二醇或三乙二醇等，经混合搅拌配 制而成一种环保型融雪剂【3 1 1 。该类融雪剂是从制造酯、糖工艺的副产品中提取具 有活性物质的组合物，适合用作抑制雪和冰在道路、桥梁和其它表面上积聚的抗 结冰剂和除冰剂，便于随后的机械方法去除，且其与腐蚀性盐混合时也可作为腐 蚀抑制剂。 4 ) 利用酒副产物生产的融雪剂 r o b e r ta h a r t l e y 等人利用农产品深加工副产物b c s ( 酿造浓缩液) 、d c s ( 蒸馏浓缩液) 和c c s l ( 浓缩玉米浆) 发明了一种防腐蚀型融雪剂1 3 引。张天德 利用农副产品深加工的副产物一液体甲基葡萄糖甙、酒精糟或糟液、废纸浆等和 天然矿粉碳酸钙、硅石粉等为原料发明了一种无毒无刺激无腐蚀的环保型融雪剂 p 3 。该类融雪剂的原料来自葡萄和其它水果及从谷物中发酵和生产酒的副产物， 其活性成分是在发酵期间沉积下来的可溶物，通常称其为“酒糟”。 1 2 3 融雪剂危害调查研究 在美国，上世纪6 0 年代之后，化冰盐的环境污染问题及其腐蚀问题逐渐突现 出来。首先对基础设施的腐蚀，特别是对公路系统中桥梁及道路钢筋混凝土结构 的腐蚀破坏，已经影响到交通安全和经济发展。其次，对环境造成的严重污染也 给社会和经济带来了巨大的影响。近年来政府部门开始注意并重视化冰盐带来的 负面影响，特别是其潜在的腐蚀威胁【”。 ( 1 ) 对环境的损害 一方面，盐水使路边的土壤盐分增加，也增加了土壤的密度，造成土壤硬化 贫瘠。另一方面，盐水对饮用水也有一定的影响，在过去的三十多年中，在美国 东北部大量使用氯化钠融雪剂的地区都报道有关饮用水中盐分增加的例子。高盐 度的饮水对人体健康有害，尤其是导致高血压病，这一点是人所共知的f 3 4 1 。 ( 2 ) 对基础设施的损害 在通常情况下，钢筋中的混凝土对钢筋提供了一个碱性环境，使钢筋表面形 成钝化膜，能保证钢筋不生锈，可持续数十年乃至上百年，而氯化钠经电离后所 产生的n a + 及c l 。可渗透到桥梁水泥内部，由于盐水向下逐层深入，当c l 。进入混 凝土中时，c l 。能破坏钢筋表面的钝化膜，使钢筋由钝态转化为活化( 腐蚀) 状态， 其腐蚀速度与c l 浓度及其它条件有关，而钢筋锈蚀产物( 铁锈) 可使原体积膨胀 2 5 - 5 倍，从而导致一些梁头及帽架混凝土出现裂缝、剥落、钢筋外露等。 19 9 7 年，美国联邦公路系统的5 8 18 6 2 座桥梁中，由于化冰盐腐蚀作用，有 l0 l5 18 座被确定为结构稳定性不足，修复成本为7 8 0 1l2 0 亿美元。商业部确认， 腐蚀对桥梁的经济影响是相当大的，每年修复桥梁花费的直接成本达6 4 3 1 0 1 5 亿美元，而间接损失( 延误交通、影响生产) 是直接损失的l0 倍【j 7 1 。 我国京津地区，以桥梁为主的基础设施的破坏，曾一度说成是“碱集料反应” 的结果，事实证明化冰盐才是真正的罪魁祸首。北京西直门立交桥( 不到2 0 年) 及其他一些桥，钢筋腐蚀破坏十分严重、混凝土盐冻破坏明显。关于天津的桥有 报道说：“建成仅1 0 多年的立交桥，桥梁边梁大面积碱化，梁头及帽梁混凝土出 现裂缝并剥落，使钢筋外露、锈蚀，桥梁墩柱严重损坏，而一些新建不足5 年的 道路则出现大面积龟裂，造成这些损害的罪魁祸首就是冬季融雪的盐水【35 1 。 6 ( 3 ) 对交通车辆的损害 盐水对交通车辆的影响主要是由于盐雪水溅到过往车辆上而腐蚀车体。盐在 与金属接触的过程中，会形成电化学腐蚀反应，使汽车底盘的金属生锈甚至形成 严重的腐蚀；工业盐与轮胎橡胶中的高分子长期接触，也会产生一定的化学反应， 加速轮胎老化，缩短轮胎的使用寿命；车底盘的球头、拉杆、减震器、油箱底等 多是铁质的，长时间受腐蚀，非常容易生锈并导致零件破损，严重时还会影响到 行车安全。为了增强车辆对氯化钠的抗腐蚀性，大多数汽车生产厂商对车辆采取 “底盘封塑”的处理方法，“封塑”后的汽车底盘可以有效抵御氯化钠等腐蚀物 的侵害【3 6 】。 在2 0 世纪6 0 年代和7 0 年代，美国主要使用氯化钠作为除雪剂。为了增强车 辆对氯化钠的抗腐蚀性，汽车生产厂商每年花费1 9 3 9 亿美元，而汽车使用者为 防止盐的腐蚀每年花费1 0 2 0 亿美元。 综上所述，尽管国内外研究工作者就除冰方法的开发、融雪剂的发展与改进、 融雪剂的危害进行了很多调查研究，但是很少有研究涉及融雪剂对沥青路面性能 的影响。同时，对于融雪剂本身性能的评价缺乏深入研究，现有的融雪剂在融雪 效果和造价上存在较大矛盾，难以有效结合。为此，本文将重点研究不同融雪剂 的性能及其对沥青与沥青混合料性能的影响，从而为合理应用融雪剂提供参考依 据。 1 3 主要研究内容 1 3 1 研究内容 ( 1 ) 融雪剂机理及性能研究 首先详细阐述融雪剂的凝固点降低理论，汇总国内外现有融雪剂评价标准， 进而从溶解能力、融雪能力及融冰能力三个方面对各种融雪剂融冰雪效果进行综 合评价，分析在不同温度、不同浓度或用量下不同融雪剂融冰化雪能力的强弱及 各自特点。 ( 2 ) 融雪剂对沥青性能影响研究 从常规试验和微观分析两个方面进行融雪剂对沥青性能影响的对比研究，沥 青常规试验主要研究融雪剂影响前后沥青路用性能的变化，具体包括高温性能、 低温性能、感温性、老化性能；沥青微观分析主要研究融雪剂影响前后沥青红外 光谱分析图以及差示扫描量热、热重分析曲线图( d s c t g ) 的变化，并分析沥青组 成结构的变化情况。 ( 3 ) 融雪剂对集料性能影响研究 通过对融雪剂浸泡和冻融前后的玄武岩进行磨耗值和压碎值试验，研究融雪 剂对集料力学性能的影响。通过对沥青及胶浆与矿料进行融雪剂水煮粘附性试验， 研究融雪剂对沥青与集料粘附性能的影响。 ( 4 ) 融雪剂对沥青混合料性能影响研究 通过对融雪剂冻融后的沥青混合料进行冻融劈裂、小梁弯曲、车辙等相关试 验，从水稳定性、低温抗裂性、高温稳定性等方面研究融雪剂对沥青混合料性能 的影响。冻融劈裂试验通过改变击实次数研究当改变空隙率时融雪剂对混合料的 影响程度；小梁弯曲试验主要通过改变试件空隙率、融雪剂浓度、低温温度、融 雪剂类型等试验条件研究融雪剂对沥青混合料低温性能的影响；车辙试验通过改 变空隙率及融雪剂类型研究融雪剂对沥青混合料高温抗车辙能力的影响。 1 3 2 研究思路 本文研究的主要思路和技术路线如图1 3 所示。 图1 3 本文研究思路 8 对衲青混合料 性能影响研究 原材料l 生青擞验 a c 1 3 配合比试验 水低高 稳温温 崔麓麓 粘低高 附温温 哇 集轰 冻 蔷綦 劈 鎏 饕 验 对比融雪齐l j 影响 前后沥青混合料 性能变吡1 觏 第二章融雪剂融冰化雪性能评价 本章首先阐述融雪剂凝固点降低机理，然后汇总国内外现有融雪剂的评价标 准，根据评价标准提供的试验方法对n a c i 、c a c l 2 进行溶解能力和融雪能力测试， 由试验现象提出融雪能力、融冰能力双重效果评价标准。为了增强融冰雪效果， 同时又降低对沥青路面影响程度，本研究同时选取自行开发的一种新型融雪剂 n c ，并通过改变试验温度、融雪剂浓度( 或用量) ，分别对n a c l 、c a c l 2 及n c 三种融雪剂的融冰化雪能力进行效果测试。 2 1 凝固点降低理论 2 1 1 基本概念及相互关系 ( 1 ) 化学势曰 热由高温物体自动传到低温物体，流体由高压流向低压，物质由化学势高的 相自动流入化学势低的相，直至化学势相等时达到平衡，化学势是物质逃逸倾向 的量度3 引。 ( 2 ) 熵s 熵s 是宏观物理量，它是表示系统混乱程度的量度。熵s 是系统的状态函数， 是一种容量性质，具有加和性。从微观上来看，熵与系统中微观粒子运动的混乱 度( 微观状态数) 有关。化学势作为偏摩尔量存在如( 2 1 ) 式所示的关系： ( 等) 尸稍 亿， 式中：1 一化学势，又称偏摩尔势能，指恒温恒压条件下，在指定组成的无限大 体系中，加入l m o l 的b 物质引起体系的g i b b s 能的改变，也就是说， 在指定条件下l m o l 的b 物质对体系的g 的贡献，化学势是强度性质， 属于状态函数； 卜热力学温度，又叫热力学标温，k ； 尸一气体压强，p a ； 卜熵，热力学状态函数之一。 因为s 表示系统混乱程度，永远是正值，因此该式表明随着温度的降低，化 学势增大。 ( 3 ) 各化学势之间的关系 在融雪剂融冰雪的过程中，存在至少三种以上的化学势，其中包括溶液中溶 9 剂的化学势、液体纯溶剂化学势以及固体纯溶剂化学势，它们之间的大小关系需 要进行说明。 根据拉乌尔定律，可以很容易地推导出液体纯溶剂化学势大于稀溶液中溶剂 的化学势。对于固体纯溶剂的化学势与溶液中溶剂化学势的大小，可根据两点加 以判断：首先在纯溶剂凝固点对应的温度下，溶液中溶剂的化学势低于固体纯溶 剂化学势；其次，根据两者变化趋势，一方面随着温度的降低，化学势都增大， 另一方面，随着温度的降低，溶液中溶剂化学势增加更快，所以两者必然在纯溶 剂凝固点以下某个位置达到化学势平衡。 2 1 2 凝固点降低 所谓凝固点是指某物质液态与固态两相处于平衡、两者能相互共存时的温度。 当纯溶剂( 比如水) 达到凝固点温度( o * c ) 时，固、液两相达到平衡，两者化学 势相等。当一定量的溶质溶于溶剂形成稀溶液时，其凝固点将比纯溶剂的凝固点 低，称为凝固点降低( 如图2 1 所示) 。 t f 。硭 图2 1 稀溶液的凝固点下降 根据拉乌尔定律可以得知，稀溶液溶剂的化学势较液体纯溶剂化学势小，在 纯溶剂凝固点矽时，溶液中溶剂的化学势较固体纯溶剂的化学势低，两者不能平 衡。因( 券) p = 一s ，温度降低，化学势增大。s ( 液) s ( 固) ，温度降低，液 体溶剂较固体溶剂的化学势增加较快，降至某一温度时，出现溶液中溶剂的化学 l o 势与固体溶剂化学势相等的局面，两者达成平衡，此温度便是稀溶液的凝固点。 2 2 融雪剂标准 评价一种融雪剂的优劣，主要是从融雪剂的融雪性能、腐蚀性及重金属含量 等因素进行多方面综合考虑。国内外关于融雪剂的标准并不多，国外主要有太平 洋西北除雪协会制定的关于环保型融雪剂的技术指标，如表2 1 所示，国内则有 北京市质量技术监督局制定的关于融雪剂的北京市地方标准d b ll t 1 6 1 2 0 0 2 【39 1 ， 如表2 2 所示。 表2 1太平洋西北除雪协会制定的关于环保型融雪剂的技术指标 项目 技术指标 酸碱度 p h = 6 0 - 8 0 腐蚀性盐的3 0 氰化物 0 2 0p p m a s5 0 0p p m c u0 2 0p p m p b1 0 0p p m h g 0 0 5p p m c d0 5 0p p m b a1 0 0 0p p m s e5 0 0p p m z n1 0 0 0p p m g a0 2 0p p m p2 5 0 0p p m 表2 2 北京市质量技术监督局制定的融雪剂技术指标 项目质量指标 气味无令人不快的气味 性状 固体：粒径 4 6 1 0o c 延度( 5 c m m i n )c m18 2 芝1 5 1 5 延度( 5 c m m i n ) c m 1 18 1 0 0 闪点31 4 2 6 0 溶解度 9 9 7 9 9 5 密度( 15 ) g c m 3 1 0 3 4 续表3 1 基质沥青的主要技术性质 试验技术 技术指标单位 结果要求 r t f o t 后 质量变化 0 1 0 8 垒o 8 残留针入度比( 2 5 c )6 7 2 2 兰6 1 残留延度( 10 c ) c m6 7 兰6 表3 2 聚合物改性沥青( s b s 类1 d 类) 的主要技术性质 试验 技术 技术指标单位 结果要求 针入度( 2 5 ，1 0 0 9 ，5 s ) 0 1 m m5 7 74 0 6 0 针入度指数p i o 5 l 芝0 软化点 8 2 3 6 0 5 c 延度( 5 c m m i n ) c m3 0 3 2 0 闪点 31 6 2 3 0 溶解度 9 9 8 9 9 弹性恢复( 2 5 ) 9 4 7 5 贮存稳定性 1 os 2 5 离析4 8 h 软化点差 r t f o t 后 质量变化0 4 9 1s 士1 0 残留针入度比( 2 5 ) 6 5 9 0 6 5 残留延度( 5 ) c m 1 7 91 5 3 2 沥青试件制备方法 本文沥青试验分为常规和微观两个方面，考虑到融雪剂对沥青的影响方式及 其程度有所不同，采取两种沥青试件，制备方法有所不同。考虑到实际使用融雪 剂过程中，融雪