一種瀝青路面抗凝冰涂層材料性能研究

王佳煒 彭志強 張志剛 柴明明

交通運輸部公路科學(xué)研究院；北京新橋技術(shù)發(fā)展有限公司

1 引言

瀝青路面具有優(yōu)良的路用性能和舒適的行車性能，在國內(nèi)外高等級公路中得到廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，我國約有60%的高速公路冬季存在積雪和結(jié)冰現(xiàn)象，使路面附著系數(shù)大大降低，導(dǎo)致汽車打滑、剎車失靈、方向失控，極易造成交通事故，嚴重影響道路交通安全。數(shù)據(jù)顯示，冰雪道路環(huán)境下交通事故傷亡率增加25%，事故率上升100%。同一時期，雪天每百萬車輛每公里就會發(fā)生5.86 起的車輛碰撞、刮擦事故，而在非雪天，每百萬車輛每公里發(fā)生車輛碰撞、刮擦事故僅為0.41起，二者之間的差異高達13倍多。解決冬季路面積雪問題刻不容緩。

2 路面融冰化學(xué)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

在積雪結(jié)冰路面撒布融雪化冰劑是解除冰雪危害的常用手段，但常用的融冰雪劑主要為氯鹽類，使用后，存在于路面的氯鹽會加速瀝青路面的破壞，氯鹽在雨水的沖刷下流入河溝會嚴重污染地表水，并且會對道路兩旁綠色植被造成破壞，對土壤、水體和大氣等造成污染，破壞生態(tài)環(huán)境。而且撒布融雪化冰劑屬于被動法除雪融冰，工作量大，成本高。

近些年來，融雪瀝青路面受到越來越多的重視。融雪瀝青路面主要是將融雪劑摻入瀝青混合料中鋪筑瀝青路面，在雨水和車輛載荷的作用下融雪成分析出以起到融雪化冰作用，具有實時性強的優(yōu)點。由于現(xiàn)有融雪劑在雨水作用下會逐漸析出，融雪化冰效果逐漸減弱，析出的融雪劑并不能通過一定手段進行補充，因此通過該技術(shù)建設(shè)的路面融雪化冰功能使用壽命較短。此外，融雪瀝青混合料只適用于新建路面，無法應(yīng)用于已修建完成的道路，限制了其推廣應(yīng)用范圍。

抗凝冰涂層材料技術(shù)是最近幾年提出的一種新的除冰方法。它的原理是通過將環(huán)保的可降低表面冰點的材料負載到涂層載體材料上制成抗凝冰材料，通過人工涂刷或機械灑布的形式噴灑到瀝青路面上，當降雨或降雪時，抗凝冰涂層降低了路面的表面冰點，起到融雪除冰的作用。相較于其他只能用于新建路面的融雪瀝青路面技術(shù)，抗凝冰涂層材料技術(shù)可應(yīng)用于各種已建路面，適用范圍更廣。

3 抗凝冰涂層材料的制備

3.1 抗凝冰劑

表1 抗凝冰劑主要性能

抗凝冰劑是一種具有降低涂層表面結(jié)冰點作用的固態(tài)粉末，可均勻分散于載體材料中，通常為環(huán)保型復(fù)合材料，對環(huán)境不產(chǎn)生氯離子污染。本文采用IM2 型抗凝冰劑，其主要性能指標如表1。

3.2 涂層載體

常見路面抗凝冰涂層材料的載體為改性乳化瀝青和有機硅溶液。本文采用改性乳化瀝青作為涂層載體，其主要性能指標如表2。

表2 改性乳化瀝青主要性能

3.3 雙組分拌合

將抗凝冰劑按一定摻配比例緩慢加入改性乳化瀝青中，邊加邊攪拌，使抗凝冰劑在乳液中均勻分散，形成抗凝冰涂層材料。兩種組分的拌合性能情況如表3。

表3 雙組分拌合性能

4 試驗方法

4.1 試件制備方法

按照JTG E20規(guī)程中T0702瀝青混合料試件制作方法（擊實法）制作尺寸為φ101.6mm×63.5mm馬歇爾試件，試件級配為AC-13，按推薦標準級配范圍取中值。將抗凝冰涂層材料以400g/m2用量均勻涂刷在制備好的馬歇爾試塊表面，待乳化瀝青破乳后干燥成膜使用。

將制備好的普通試件浸泡于純凈水中，液面高于試件表面2cm，浸泡24或48h后取出用濕布擦干，得到浸水試件。

4.2 抗凝冰性能試驗方法

按2%、4%、6%、8%的抗凝冰劑摻量分別制備普通試件及浸水試件，并使用改性乳化瀝青制備試樣作為0摻量的空白對比。依照JT/T 1239-2019《瀝青路面抗凝冰涂層材料技術(shù)條件》中的要求分別進行涂層表面結(jié)冰點、涂層表面冰層黏附力試驗。

5 試驗結(jié)果

5.1 涂層表面結(jié)冰點

表4 和圖1 為不同抗凝冰劑摻量的抗凝冰涂層表面結(jié)冰點試驗結(jié)果。

表4 不同抗凝冰劑摻量的涂層表面結(jié)冰點（單位：℃）

圖1 不同抗凝冰劑摻量的涂層表面結(jié)冰點

圖2 不同抗凝冰劑摻量的涂層表面冰層黏附力

整體來看，加入抗凝冰劑后，馬歇爾試件表面的結(jié)冰點有明顯降低。隨著抗凝冰劑摻量的增加，馬歇爾試件表面的結(jié)冰點呈下降趨勢，且隨著摻量的提高下降趨勢逐漸減緩。

在未浸泡的情況下，當摻量在2%～6%間變化時，結(jié)冰點變化幅度較大，摻量2%時表面結(jié)冰點為-3.5℃，摻量在6%時，表面結(jié)冰點在-5.2℃；當摻量在6%～8%間變化時，表面結(jié)冰點仍有所下降，但降低幅度已明顯減小，差值僅為0.1℃。

經(jīng)過純凈水24h的浸泡，所有試件的表面結(jié)冰點均有一定程度的升高，抗凝冰劑的摻量越高，結(jié)冰點上升幅度越大，但從結(jié)果來看，經(jīng)過浸泡后，摻量高的涂層表面結(jié)冰點仍比摻量低的涂層表面結(jié)冰點要低，抗凝冰性能更好。

經(jīng)48h浸泡的試件比經(jīng)過24h浸泡的試件結(jié)冰點仍有上升，上升幅度在0.1℃～0.2℃左右，說明在經(jīng)歷浸泡初期性能的小量損失后，隨著浸泡時間的延長，涂膜表面結(jié)冰點變化很小，涂層具有良好的耐水性。

5.2 涂層表面冰層黏附力

表5 和圖2 為不同抗凝冰劑摻量的抗凝冰涂層表面冰層黏附力試驗結(jié)果。

表5 不同抗凝冰劑摻量的涂層表面冰層黏附力（單位：N）

整體來看，加入抗凝冰劑后，馬歇爾試件表面的冰層黏附力顯著降低。隨著抗凝冰劑摻量的增加，試件表面的冰層黏附力呈下降趨勢。

對無浸泡的試件，在-15℃的試驗條件下，冰層與空白樣（涂層抗凝冰劑摻量為0）之間的黏附力為150N，摻加2%抗凝冰劑的試件表面冰層的黏附力降低至36N，效果顯著。在試驗區(qū)間內(nèi)，摻量每提高2%涂層表面冰層黏附力約降低3N 左右。當摻量大于6%時，涂膜與冰層的黏附力降低至30N 以下，僅為空白樣的1/5，具有較強的抗凝冰效果。

經(jīng)過純凈水24h的浸泡，所有試件的表面冰層黏附力均有一定程度的上升，抗凝冰劑的摻量越高，結(jié)冰點上升幅度越小。經(jīng)48h 浸泡的試件比經(jīng)過24h 浸泡的試件表面冰層黏附力仍有上升，上升幅度在4N～5N左右。結(jié)合兩種浸泡曲線來看，高摻量的抗凝冰涂層在表面冰層黏附力指標上具有更好的耐水性。

6 結(jié)束語

本文采用IM2型抗凝冰劑與改性乳化瀝青復(fù)合制備了抗凝冰涂層材料，研究了不同抗凝冰劑摻量對涂層表面結(jié)冰點及涂層表面冰層黏附力的影響規(guī)律，結(jié)果顯示：

（1）選擇的雙組分原材料拌合性好，具有較強的適配性，滿足抗凝冰涂層材料制備需要。

（2）與未添加抗凝冰的空白樣對比，抗凝冰涂層能顯著降低試件表面的結(jié)冰點及冰層黏附力，具有優(yōu)秀的抗凝冰性能。

（3）在2%～8%的摻量試驗區(qū)間內(nèi)，摻量越高，涂層抗凝冰性能（涂層表面結(jié)冰點、涂層表面冰層黏附力）越強。涂層表面結(jié)冰點隨著摻量的增長下降幅度逐漸降低，涂層表面冰層黏附力隨著摻量的增長程線性降低。

（4）涂層在浸泡后抗凝冰性能有所減弱，但經(jīng)過初期性能損失后（24h），繼續(xù)浸泡試件（48h）性能變化幅度很小，浸泡48h后涂層抗凝冰性能仍能滿足要求，具有一定的耐水性。

（5）綜合考慮性能與經(jīng)濟性，6%為最佳抗凝冰劑摻量。此時，摻量的提高對涂層表面結(jié)冰點的影響甚微，二涂層表面冰層黏附力已降低至空白樣的1/5，而經(jīng)過水48h浸泡，涂層仍能體現(xiàn)出較好的抗凝冰性能，耐久性好。