CN103771765A - 一种抗冰冻沥青混合料及其制备和施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抗冰冻沥青混合料及其制备和施工方法，属于工程技术领域。本发明通过在沥青混合料中加入Mafilon解决了沥青路面冬季结冰问题，可以降低路面结冰的冰点来缓解冬季路面的冰冻。其制备工艺较简便，在保证沥青混合料的使用性能的同时，达到缓解路面冰冻的效果。本发明能使路面的冻结温度降低到-3～-5℃左右；在降雪量很大的地方，比一般的路面容易除雪，节省大量的人力、物力、财力；混合料里含有缓解冻结成分，对意外的冰冻具有防止效果；可以提高路面的冬天行车安全性，减少交通事故的发生；和通常的撒盐等除冰方式相比，几乎对环境没有什么危害，是一种保护生态的铺装，减少对环境的污染；降低冬期路面管理养护成本，具有较好的经济性。

Description

一种抗冰冻沥青混合料及其制备和施工方法

技术领域

本发明涉及一种抗冰冻沥青混合料及其制备和施工方法，尤其涉及Mafilon抗冰冻沥青混合料制备和及其施工方法，属于工程技术领域。 

背景技术

目前，沥青路面是我国高速公路的主要路面型式，已在机场跑道、桥面铺装、高速公路、城市道路等主要道路中得到广泛应用，且在建各种路面工程中绝大部分也是采用沥青路面。但是我国大部分地区在冬季都存在冰冻现象，给道路畅通及行驶安全带来严重影响的问题也日益突出。冬季道路积雪结冰会使机场封闭停运，高速公路限行中断，甚至造成严重的交通事故，给人民生命财产安全和社会经济造成巨大的损失。我国南北地域跨度大，东北、西北和华北地区冬季气候环境恶劣，时常出现道路积雪结冰影响交通运输的情况。而南方地区冬季雨雪也较多，路面容易结冰，加之南方地区司机和北方地区司机驾驶习惯不同，在冰冻路面上没有谨慎驾驶意识，一旦路面冰冻，更容易出现交通事故。 

如何及时、有效地解决路面的融雪化冰，对于保持道路畅通，提高交通安全具有非常重要的意义。目前国内外除雪方式主要有人工清除法、机械清除法、撒融雪剂法和电缆加热融雪化冰方法等。人工清除法效率低且影响交通，机械清除法设备昂贵且闲置期长。撒融雪剂法是最常见且被广泛应用的方法，世界各国主要通过撤盐实现融冰化雪。然而，撒盐给混凝土路面结构和环境带来了许多负面效应，主要表现为钢筋钢纤维锈蚀、路面剥离破坏和环境污染等问题。世界上不少国家因使用除雪盐造成道路、桥梁的严重破坏，目前正在花费巨额费用进行修复，其经济损失十分巨大。电缆加热融雪化冰方法施工布设较难，而且电缆一旦出现问题，查找线路问题和维护工程量大，费用较高。 

而主动除冰雪技术则不存在这些问题，主动除冰雪技术可以采用通过改善路面材料自身性能的方式，有效提高路面的除冰雪能力，提高道路安全性能和运输效率，如通过在沥青混凝土中添加外加剂，降低水分的冰点达到抑制路面结冰的目的。 

抗冰冻沥青混合料的使用，可以实现路面的及时、高效融冰化雪，有力地保障道路畅通及行驶安全，减少交通堵塞和交通事故，降低了因冰雪灾害造成的国民经济损失；并且几乎对环境没有什么危害，是一种保护生态的铺装，满足绿色环保要求，实现国民经济的可持续发展。同时，利用抗冰冻沥青混合料，可以节省大量的人力、物力、财力；降低冬期路面管理养护成本，具有较好的经济性。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有冬季除冰雪技术，提出一种新的抗冰冻沥青混合料及其制备和施工方法，完善主动除冰雪技术。 

本发明的技术方案是这样实现的，由Mafilon全部或部分替代矿粉，制备成一种抗冰冻沥青混合料，由以下重量百分比的组分构成： 

Mafilon                    5～7%

沥青                       5～6%

碎石集料                   90～95%

石灰岩矿粉                 余量；

其中，所述碎石集料分为如下四档：0～2.36mm、2.36～4.75mm、4.75～9.5mm以及9.5～16mm，各档的比例为：24.00～28.00% ：10.00～14.00% ：32.00～36.00% ：28.00～30.00%。

按上述比例制备抗冰冻沥青混合料，步骤如下： 

步骤一：将碎石集料加热至200±5℃后，按比例加入石灰岩矿粉干拌5s;

步骤二：将沥青按比例添加至步骤一的混合物中继续搅拌5s，搅拌温度为185±5℃;

步骤三：将Mafilon按比例添加至步骤二的混合物中继续搅拌，搅拌时间不低于40s（根据出料时肉眼观察，必要的时候调整拌和时间使混合料能得以充分拌和。），搅拌温度为185±5℃，Mafilon的混合料的出料温度要比一般的混合料高（高出5～10℃），得到抗冰冻沥青混合料。

步骤三中的Mafilon是一种外观类似矿粉一样的粉末状物质，粒径的密度为2.25～2.35g/cm³，粒径0.10-0.20mm，氧化硅含量≥1%wt，氯化钠含量≥28%wt，氯化镁含量≥0.8%wt，氧化钙含量≥2.5%wt。其中的氧化硅、食盐、氯化镁、氧化钙等成分其主要作用。 

普通路面施工过程中，在沥青混凝土摊铺完成后，为了提高密实度，通常把碾压的过程分为三段：初压、复压和终压。初压主要起到稳定、起到初步的提高压实度的作用，一般采用双钢轮压路机；复压是主要压实阶段，此阶段复压应在较高温度下紧跟在初压后进行，一般采用双钢轮压路机和胶轮压路机配合碾压，胶轮压路机具有搓揉、挤密的效果，更有利于提高压实度。终压是清除缺陷和保证面层有较好平整度的最后一步，一般采用双钢轮压路机。在抗冰冻路面施工过程中，如果温度较低达不到充分压实，Mafilon的有效成份会早期溶出，影响其功能使用寿命，所以Mafilon混合料在施工的时候要求确保一定的摊铺温度。并且在各碾压过程的碾压温度要比普通的混合料高出5～10℃，且压实度标准要比通常的混合料高出2%。（改性沥青的MFL混合料的施工方法基本上和基质沥青MFL混合料的施工方法相同，但由于改性沥青混合料的摊铺和碾压温度都比基质沥青混合料要高，一般高出20℃左右。)此外，在所述抗冰冻沥青混合料的铺设过程中，为了防止混合料的温度下降和控制Mafilon的溶出，在钢轮碾压轮和胶轮压路机的轮胎上尽量不要洒水，可用少量的轻油。 

本发明的抗冰冻沥青混合料的制备原理主要是在混合料中加入了Mafilon（简称MFL），MFL的主要成分为：氧化硅、食盐、氯化镁、氧化钙等，MFL为类似矿粉一样的粉末状物品，密度为密度：2.25～2.35g/cm³。MFL成分里含有的主要成分能够降低冰点达到缓解路面冻结的效果。掺入MFL的抗冰冻沥青混合料，可以实现路面的及时、高效融冰化雪，有力地保障道路畅通及行驶安全，减少交通堵塞和交通事故，降低了因冰雪灾害造成的国民经济损失；并且几乎对环境没有什么危害，是一种保护生态的铺装，满足绿色环保要求，实现国民经济的可持续发展。同时，利用抗冰冻沥青混合料，可以节省大量的人力、物力、财力；降低冬期路面管理养护成本，具有较好的经济性。 

附图说明

图1是各实施例的高温性能试验对比图。 

图2是各实施例低温抗裂性能试验对比图。 

图3是各实施例浸水马歇尔试验对比图。 

图4是各实施例冻融劈裂试验对比图。 

图5是各实施例抗疲劳性能试验对比图。 

具体实施方式  

本发明中Mafilon的作用是加入沥青混合料后，通过浸透压和毛细管现象及行驶车辆的摩擦效果使抗路面冻结材料MFL逐渐析出，降低路面的冰点来缓解冬季路面的冰冻。通过以下实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例一 

1.材料准备：

沥青，采用改性沥青，本实施例采用的为江苏宝利沥青股份有限公司生产的SBS改性沥青。

碎石集料，又称骨料。沥青混凝土的主要组成材料之一,主要起骨架作用和减小由于胶凝材料在凝结硬化过程中干缩湿胀所引起的体积变化，同时还作为胶凝材料的廉价填充料。有天然集料和人造集料之分，前者如碎石、卵石、浮石、天然砂等；后者如煤渣、矿渣、陶粒、膨胀珍珠岩等。本实例所采用石料为筛分碎石，按照常用的分档要求对碎石集料进行分档，本实施例采用的分档为：0～2.36mm、2.36～4.75mm、4.75～9.5mm以及9.5～16mm，各档的比例为：24.50% ：13.00% ：34.00% ：28.50%，加入时为同时加入。 

石灰岩矿粉，主要成分为碳酸钙，要求采用石灰岩加工的石灰岩矿粉。 

Mafilon为日本良园商事有限会社销售的类似矿粉一样的粉末状固体。 

Mafilon                    5% 

沥青                       4.76%

碎石集料                   90.24%

2.将上述材料按以下步骤制备抗冰冻沥青混合料：

步骤一：将碎石集料加热至200±5℃后，干拌5s;

步骤二：将SBS改性沥青按上述比例添加至步骤一的混合物中继续搅拌5s，搅拌温度为185±5℃;

步骤三：将Mafilon按上述比例添加至步骤二的混合物中继续搅拌，搅拌时间为40s（根据出料时肉眼观察，必要的时候调整拌和时间使混合料能得以充分拌和。），搅拌温度为185±5℃，得到抗冰冻沥青混合料。

实施例二 

1.材料准备：

沥青，采用改性沥青，本实施例采用的为南通通沙沥青科技有限公司生产的SBS改性沥青。

碎石集料，按照常用的分档要求对碎石集料进行分档，本实施例采用的分档为：0～2.36mm、2.36～4.75mm、4.75～9.5mm以及9.5～16mm，各档的比例为：27.00% ：12.00% ：32.50% ：28.50%，加入时为同时加入。 

石灰岩矿粉，主要成分为碳酸钙，要求采用石灰岩加工的石灰岩矿粉。 

Mafilon为日本良园商事有限会社销售的类似矿粉一样的粉末状固体。 

Mafilon                    6% 

沥青                       4.94%

碎石集料                   89.06%

2.将上述材料按以下步骤制备抗冰冻沥青混合料：

步骤一：将碎石集料加热至200±5℃后，干拌5s;

步骤二：将SBS改性沥青按上述比例添加至步骤一的混合物中继续搅拌5s，搅拌温度为185±5℃;

步骤三：将Mafilon按上述比例添加至步骤二的混合物中继续搅拌，搅拌时间为40s（根据出料时肉眼观察，必要的时候调整拌和时间使混合料能得以充分拌和。），搅拌温度为185±5℃，得到抗冰冻沥青混合料。

实施例三 

1. 材料准备：

沥青，采用改性沥青，本实施例采用的为南通通沙沥青科技有限公司生产的SBS改性沥青。

碎石集料，按照常用的分档要求对碎石集料进行分档，本实施例采用的分档为：0～2.36mm、2.36～4.75mm、4.75～9.5mm以及9.5～16mm，各档的比例为：27.50% ：11.50% ：32.40% ：28.60%，加入时为同时加入。 

石灰岩矿粉，主要成分为碳酸钙，要求采用石灰岩加工的石灰岩矿粉。 

Mafilon为日本良园商事有限会社销售的类似矿粉一样的粉末状固体。 

Mafilon                    7% 

沥青                       4.85%

碎石集料                   88.15%

2.将上述材料按以下步骤制备抗冰冻沥青混合料：

步骤一：将碎石集料加热至200±5℃后，干拌5s;

步骤二：将SBS改性沥青按上述比例添加至步骤一的混合物中继续搅拌5s，搅拌温度为185±5℃;

步骤三：将Mafilon按上述比例添加至步骤二的混合物中继续搅拌，搅拌时间为40s（根据出料时肉眼观察，必要的时候调整拌和时间使混合料能得以充分拌和。），搅拌温度为185±5℃，得到抗冰冻沥青混合料。

a.高温性能分析 

沥青混合料在行车荷载的重复作用下，会由于永久变形的累积而导致路表面出现车辙。车辙，是沥青路面的主要损坏现象之一。从我国沥青路面的破坏现象分析来看，在各类破坏现象中，车辙问题尤其严重。在其它发达国家，如美国、法国、比利时、日本等国，高速公路路面翻修或罩面的原因中，车辙占到80%以上。传统的方法是在实验室采用马歇尔稳定度这一强度指标来预估沥青路面的车辙，但很多的研究结果表明，马歇尔稳定度和路面实际使用性能相关性不好，难以建立起和路面性能指标的相关关系，而且其随材料和级配的变化较大。车辙试验是采用一个小型车轮在沥青混合料板块状试件上进行往复行走，从而使板块试件形成辙槽，并通过测定车轮荷载作用次数与板块试件变形的关系，得出变形速率或动稳定度，作为沥青混合料抗永久变形性能指标。该试验方法比较直观，对沥青路面车辙形成过程的模拟性好，操作简单，容易为工程上所接受，为此，本发明采用车辙试验作为抗冰冻沥青混合料高温稳定性的评价方法。结果见图1。

b.低温抗裂性分析 

通常认为裂缝是沥青路面的主要缺陷之一，初期产生的裂缝对行车一般无明显的影响，但随着表面雨水或露水的侵入，在大量行车荷载反复作用下，导致路面强度明显降低，产生冲刷和唧泥现象，使裂缝加宽，裂缝两侧的沥青面层碎裂，开裂后的路面可能折断成更小尺寸的板并发生龟甲状疲劳开裂；裂缝逐年加宽，边缘碎裂，使路面平整度明显下降，车辆通过时将产生明显的振动，影响沥青路面的使用性能，并加速沥青路面的破坏。采用低温小梁弯曲试验来研究沥青混合料的低温性能，通过规定温度和加载速率时混合料弯曲破坏的力学参数——破坏弯拉应变来评价沥青混合料的低温抗裂性能，试验温度-10℃。结果见图2。由低温弯曲试验结果可知，在低温条件下，抗冰冻沥青混合料的破坏弯拉应变满足规范要求，说明Mafilon的加入，能够满足规范沥青混合料低温性能的要求。

c.抗水损害性能分析 

水损害是沥青路面的主要病害之一。水损害是沥青路面在水或冻融循环的作用下，由于车辆动态荷载的作用，进入路面空隙中的水不断产生动水压力或真空负压抽吸的反复循环作用，水分逐渐渗入到沥青与碎石集料的界面上，使沥青粘附性降低并逐渐丧失粘结力，沥青从碎石集料表面剥离，混合料掉粒、松散，继而形成沥青路面的坑槽、推挤变形等损坏现象。除了荷载及水分供给条件等外在因素外，沥青混合料的抗水损害能力是决定路面水稳定性的根本因素。

本发明采用冻融劈裂试验T0729和浸水马歇尔试验T0709共同评价抗冰冻沥青混合料抗水损害性能，结果见图3和图4.抗冰冻沥青混合料的冻融劈裂强度比和浸水马歇尔残留稳定度，在正常的实验波动范围内，说明随着Mafilon的加入，抗冰冻沥青混合料的水稳定性和SBS改性沥青混合料仍满足规范要求。 

d.抗疲劳性能分析 

沥青混凝土的疲劳性能直接影响沥青路面的使用寿命。路面使用期间，在环境温度影响下经受车轮荷载的反复作用。其应力、应变长期处于交迭变化状态。致使路面结构强度逐渐下降。当荷载重复作用超过一定的次数以后，路面内产生的应力就会超过路面结构强度下降后的结构抗力，使路面产生疲劳裂缝。疲劳开裂的早期现象是路面在纵向出现不间断的裂缝，最终导致路面出现网裂、龟裂，甚至坑槽。沥青混合料疲劳破坏机理极其复杂，影响沥青混合料疲劳寿命的因素众多，并且各因素之间相互作用。本发明通过对抗冰冻沥青混合料进行了疲劳劈裂试验，分析抗冰冻沥青混合料的抗疲劳性能。采用UTM试验仪进行疲劳性能试验，单向无侧压，模具使用劈裂试验的夹具。试验试件采用标准马歇尔击实试件，单向无侧压，使用劈裂试验的夹具，采用应力控制方式，试验预压力为10kPa，预压时间为1分钟。施加的荷载为正弦脉冲荷载，荷载为0.7MPa；脉冲时间0.1s，间隔0.9s，试验温度为20℃。由于是应力控制的疲劳试验，在疲劳过程中，应变随着循环加载次数的增加而不断地增加，材料内部的损伤也在不断地增加，在达到一定次数时，沥青混合料试件将发生断裂，此时对应的荷载循环作用次数即为材料的疲劳寿命。结果见图5。

各实施例的主要性能指标试验结果见表1，分析结果附后。 

表1  抗冰冻沥青混合料不同级配混合料的性能试验结果 

类  型	浸水马歇尔残留稳定度S0，%	冻融劈裂强度比，%	动稳定度，次	低温小梁弯曲应变（-10℃），με
					实施例一	88.9	91.8	4411	2513
实施例二	86.0	89.3	4185	2834
					实施例三	89.4	88.2	4030	2413

表2  抗冰冻沥青混合料劈裂疲劳试验结果

类  型	试验荷载（MPa）	循环次数（次）	累积变形（mm）
				实施例一	0.7	7135	2.267
实施例二	0.7	6835	2.435
				实施例三	0.7	6791	2.383

结果分析：

抗冰冻沥青混合料的高温稳定性能、低温抗裂性、水稳定性和抗疲劳性能均能满足规范要求。

以上结果，说明书附图中的对比实例与表格中的对比实例是相吻合的。 

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。 

Claims (7)

1.一种抗冰冻沥青混合料，其特征在于由以下重量百分比的组分构成：

Mafilon                    5～7%

沥青                       5～6%

碎石集料                   90～95%

石灰岩矿粉                 余量。

2.根据权利要求1所述抗冰冻沥青混合料，其特征在于：所述碎石集料分为如下四档：0～2.36mm、2.36～4.75mm、4.75～9.5mm以及9.5～16mm，各档的比例为：24.00～28.00% ：10.00～14.00% ：32.00～36.00% ：28.00～30.00%。

3.根据权利要求1所述抗冰冻沥青混合料，其特征在于：所述的Mafilon粒径的密度为2.25～2.35g/cm³，粒径0.10-0.20mm，氧化硅含量≥1%wt，氯化钠含量≥28%wt，氯化镁含量≥0.8%wt，氧化钙含量≥2.5%wt。

4.根据权利要求1所述抗冰冻沥青混合料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：将碎石集料加热至200±5℃后，按比例加入石灰岩矿粉干拌5s;

步骤二：将沥青按比例添加至步骤一的混合物中继续搅拌5s，搅拌温度为185±5℃;

步骤三：将Mafilon按比例添加至步骤二的混合物中继续搅拌，搅拌时间不低于40s，搅拌温度为185±5℃，Mafilon的混合料的出料温度要比一般的混合料（170～180℃）高，得到抗冰冻沥青混合料。

5.根据权利要求1所述抗冰冻沥青混合料的施工方法，其特征在于：Mafilon混合料在施工的时候要求确保一定的摊铺温度（不低于165℃）；如果温度较低达不到充分压实，Mafilon的有效成份会早期溶出，影响其功能使用寿命。

6.根据权利要求1所述抗冰冻沥青混合料的施工方法，其特征在于：各碾压过程的碾压温度要比普通的混合料（不低于150℃）高出5～10℃，且压实度标准要比通常的混合料（不小于98%）高出2%。

7.根据权利要求1所述抗冰冻沥青混合料的施工方法，其特征在于：在所述抗冰冻沥青混合料的铺设过程中，为了防止混合料的温度下降和控制Mafilon的溶出，在钢轮碾压轮和胶轮压路机的轮胎上不要洒水，使用少量的轻油。

Images