沥青路面多孔蓄盐集料化-力耦合效应及析盐特性研究

摘要

我国云贵川高原山区冬季潮湿多雨，极易形成“冻雨”，凝聚在低温路面便产生路面凝冰，使路面抗滑能力大幅下降，容易发生交通事故。传统的抑制路面凝冰和除冰雪的方法，主要是人工作业和撒布融雪剂，除冰效果差且污染环境，不适用于清除路面凝冰。本文主要研究一种新型主动抗凝冰路面技术-多孔蓄盐集料技术，首先运用化学动力学理论研究了多孔蓄盐集料析盐的可行性，然后通过室内试验研究了多孔蓄盐集料的制备工艺、析盐抗冰冻性能、沥青蓄盐封层抗凝冰效果及多孔抗凝冰填料沥青混合料的路用性能和抗凝冰效果，并运用Material Studio材料模拟软件分析了多孔蓄盐集料析盐降冰点及盐分吸附扩散的微观作用机理，最后研究了基于质量扩散定律的多孔蓄盐集料的化学－力学耦合效应。
　　 本文的研究工作主要包括以下几个方面：
　　 (1)运用化学动力学的分子碰撞理论，研究了蓄盐集料内部盐分离子的碰撞动力学过程、蓄盐抗凝冰的碰撞能量、蓄盐分子非弹性碰撞过程的能量转换以及蓄盐组分碰撞过程中的Cl-解离过程，分析了多孔蓄盐集料能够析出盐分抗凝冰的作用机理，为多孔蓄盐集料的室内制备试验提供了定性的可行性结论。
　　 (2)研究了多孔蓄盐发泡水泥石的制备工艺、吸盐特性、析盐持续可释性及抗压强度，确定了多孔蓄盐发泡水泥石集料的掺盐种类、掺盐方式、掺盐量及其配合比范围，并将蓄盐水泥石集料掺入沥青封层进行了抗凝冰检验。研究了多孔蓄盐填料沥青混合料的配合比设计，并检测其路用性能及抗凝冰性能。室内制备的新型多孔蓄盐发泡水泥石集料具有良好的释盐性，在-5℃条件下的抗凝冰效果良好。
　　 (3)利用MS材料计算软件模拟研究了液态水的凝冰机理和凝结过程，研究表明，液态水凝冰是由于低温下的水分子氢键相互连接，形成了致密的六环水分子构型的网状体冰晶，并渗透至体系的整个三维空间，直至液态水分子全部凝冰。
　　 (4)通过构建冰盐溶液共存体系，研究了盐分降低凝冰点的微观作用机理，盐分能够降低液态水凝冰点是因为在盐分氯离子的周围，水-水之间的氢键构型大大减少，水-氯离子氢键结构同时形成，分子间的距离和键角都在发生变化，氯离子的加入破坏了固有的水冰共存体结构并减缓了氢键结构的动态形成过程。
　　 (5)运用MS材料计算软件模拟了多孔蓄盐发泡水泥石集料吸附扩散盐分的动态作用过程，研究了盐分不断迁移、扩散的微观作用机理，其本质上是能量不断转换得以平衡的过程，得到了盐分在集料内部吸附扩散与温度、压力的相关关系：蓄盐载体能够将盐分中的氯离子吸附在其表面和内部，盐分的吸附扩散受温度、压力的影响较大，尤其是高温下的Cl-吸附扩散能力均较强。
　　 (6)从宏观领域的微观角度，研究了基于质量扩散定律的多孔蓄盐集料盐分扩散特性以及由于盐分离子扩散引起化学损伤所导致的结构内部的化学-力学耦合效应，多孔介质力学-化学相互作用的本质就是物理能与化学能之间能量转换的平衡过程，提出了蓄盐集料盐分氯离子、钠离子的扩散方程，最后研究了基于钙离子消散引起的力学损伤数学关系，初步建立了多孔蓄盐集料的化学损伤-力学损伤之间复杂的耦合效应的本构数学关系。
　　 本文以多孔蓄盐抗凝冰材料作为研究对象，通过室内试验研究得到了多孔蓄盐发泡水泥石集料的最佳配合比，且在-5℃具有良好的抗凝冰效果，适用于路面早期抗凝冰；研究了多孔蓄盐填料沥青混合料的配合比、路用性能及抗凝冰效果，其在-4℃～0℃下具有良好的析盐性，除冰效果明显；研究了蓄盐组分的吸附扩散性能及其除冰性能的微观机理，盐分的吸附扩散性能受到温度、压力、浓度的影响作用较大，盐分能够有效降低凝冰点是由于盐分离子破坏了固有的水+冰共存体结构并减缓了冰晶结构的形成过程；研究了多孔蓄盐集料化学-力学耦合效应，建立了蓄盐集料盐分离子的扩散方程，初步建立了基于盐分离子消散引起的化学损伤-力学损伤之间复杂耦合效应的本构数学关系。
　　 本文研究结论对于后续新型抗凝冰材料的研发及推广应用、蓄盐路面技术设计理论的建立、抗凝冰性能评价体系的建立、蓄盐材料的抗凝冰本质机理探索、蓄盐抗凝冰材料化学-力学损伤本构数学模型的完善等方面，均具有重要的理论指导意义和实践应用价值。