改性乳化瀝青除冰雪性能試驗研究

趙方冉，周生亮，霍海峰

（中國民航大學機場學院，天津 300300）

冬季道路積雪結冰導致路面附著系數減小，抗滑性能大幅度降低，從而造成通行車輛行駛速度降低和燃油消耗增加，甚至引發(fā)交通事故[1]。國內冬季路面除冰雪仍在使用一些傳統(tǒng)方法，如撒布融冰雪材料、機械除冰雪、導電混凝土除冰雪等。其存在以下弊端：①融冰雪材料會嚴重腐蝕道路和橋梁，并污染地表水和地下水及周圍土壤[2]；②機械除冰雪具有路面保護能力差、作業(yè)速度慢、整機利用率低、成本高等缺點[3]；③導電混凝土的電阻率會隨著時間而變化[4]，導致其電阻不穩(wěn)定，從而對融冰雪效果有一定影響。

Onda 等[5]率先在較為粗糙的表面噴涂疏水材料，構造了超疏水表面，開拓了防覆冰涂層研制的新思路。Laforte 等[6]在實驗研究中發(fā)現超疏水界面能夠降低冰層與基體的粘附力。Arabzadeh 等[7]對瀝青混凝土表面的接觸角、抗滑性能等方面進行了研究，發(fā)現超疏水材料能使混凝土實現防水和自清潔。趙恩強等[8]從減少水滲入量的角度研制出一種新型防水涂料，發(fā)現其能降低混合料的吸水率，并可提高水穩(wěn)定性。丁小軍等[9]研制出一種環(huán)保型路面融冰雪涂層材料及其制備和使用方法，并對其除冰雪性能進行了驗證。高英力等[10]通過構建微納米路表面，并與超疏水材料涂覆技術相結合，制備了超疏水仿生水泥混凝土路面模型試件。李福健[11]制備出能夠在道路上使用的疏水涂料，且該涂料能顯著改善瀝青路面的防覆冰性能。由上述文獻分析可看出，目前瀝青路面主動除冰雪技術仍有許多不足，主要表現為以下兩方面：①將疏水材料或融冰雪材料直接做成混合溶液噴涂于路面，但其與路面粘附性差，耐久性能和緩釋性能有待提高；②疏水材料成本較高，工程應用性較低，不具備市場推廣使用條件。

本研究將疏水模型和降低冰點除冰雪技術相結合，研制出一種改性乳化瀝青涂層材料。該材料使用乳化瀝青作為基質材料，可增加其與路面的粘附性；以沸石粉吸附的形式加入融冰雪材料，使涂層具有緩釋性能，并可提高其耐久性；疏水材料可提高路面與水的接觸角，降低路面冰層的粘結力。該材料具有易于施工、成本低、工程應用性高等優(yōu)點，可應用于機場跑道除冰雪工作。

1 試驗材料

1.1 改性乳化瀝青材料

改性乳化瀝青材料由基質材料、疏水材料、融冰雪材料組成，其中融冰雪材料由融雪劑和緩釋材料制備而成，如表1所示，其中1 cst=1 mm2/s 所示。

表1 改性乳化瀝青組成Tab.1 Composition of hydrophobic ice suppression materials

1.2 路面試件

根據《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTGF40—2019）制備瀝青混凝土，其尺寸是16 cm×14 cm×5 cm，油石比為4.7%，密度為2.27 g/cm3；通過混凝土鉆心機制取試驗用空白瀝青試件，如圖1所示，然后將配制好的改性乳化瀝青均勻涂刷于空白瀝青試件表面，從而得到具有疏水抑冰性能的試件。

圖1 鉆芯制件與瀝青試件Fig.1 Drill core parts and asphalt test pieces

2 試驗方案

2.1 疏水材料配比試驗

2.1.1 疏水涂層接觸角試驗

將乳化瀝青分別與3 種疏水材料按比例混合，勻速攪拌10 min，再靜置15 min，將其均勻涂刷于空白瀝青試件表面，涂刷量為500 g/m2，固化后得到疏水試件。采用靜滴法測量接觸角，將10 μL 水用針筒滴在待測試件上，然后拍照上傳至配套軟件，由軟件擬合并計算出接觸角。

2.1.2 疏水涂層摩擦系數試驗

施加疏水材料可能對路面摩擦性能產生影響，故需測試其摩擦系數。將制備好的涂刷疏水劑a（甲基硅酸鈉）的試件和涂刷疏水劑b（甲基硅樹脂）的試件及涂刷疏水劑c（聚氨酯）的試件進行摩擦系數測試。采用BM-III 型擺式摩擦系數測定儀，測定3 種試件的摩擦系數值，每種試件測5 次，取平均值。

2.2 融冰雪材料制備試驗

融冰雪材料的制備過程主要包括：配制不同質量分數的融雪劑溶液、緩釋材料的吸附、過濾、烘干和粉碎。試驗共3 組，首先，配制質量分數分別為20%、40%和60%的融雪劑溶液；其次，分別給3 種質量分數的融雪劑溶液中添加100 g 緩釋材料，將其浸沒到中溶液并攪拌均勻，待緩釋材料和融雪劑溶液充分接觸一定時間。最后，對3 種溶液進行過濾、烘干和粉碎，測量緩釋材料吸附融雪劑后的質量。

緩釋材料吸附能力越強，其融雪劑的吸附量也越大且釋放能力也越強，融冰雪材料的抑冰效果越持久。因此，制備融冰雪材料的關鍵是測出緩釋材料吸附融雪劑的吸附曲線，從而確定最佳的吸附量。

2.3 融冰雪材料配比試驗

將不同質量的融冰雪材料加入乳化瀝青中，配制成不同質量比的改性乳化瀝青；將改性乳化瀝青涂刷于空白瀝青試件表面，固化后用膠帶環(huán)繞做密封處理，置于冰柜中，設定試驗溫度為-20 ℃，并冷凍10 h，然后將試件取出，立即使用測力計測量剪切力，如圖2所示。

圖2 密封試件及冷凍試件Fig.2 Sealed and frozen specimens

2.4 改性乳化瀝青性能檢測試驗

2.4.1 瀝青路面與冰層粘附性能檢測

瀝青路面冰層脫離時的剪切力是衡量抑冰性能的關鍵參數。輪胎作用于冰層時，可分解為垂直向下的壓應力和水平剪切力；冰層與試件表面的脫離，主要由水平剪切力起作用。為有效揭示改性乳化瀝青的除冰雪能力，分別在空白瀝青試件表面涂刷含有緩釋材料的改性乳化瀝青和不含緩釋材料的改性乳化瀝青，得到瀝青試件A 和瀝青試件B，并分別與空白瀝青試件進行剪切力對比試驗，檢測改性乳化瀝青對瀝青路面與冰層粘附性能的影響。

2.4.2 瀝青路面抗滑性能檢測

瀝青路面涂刷改性乳化瀝青后，會不可避免地對路面摩擦系數產生影響。為保證行車安全，需對涂刷改性乳化瀝青的瀝青路面進行摩擦系數試驗。分別將瀝青試件A 和B 與空白瀝青試件進行摩擦系數測試。采用BM-III 型擺式摩擦系數測定儀，測定3 種瀝青試件的摩擦系數值，每種試件測5 次，取平均值。

2.4.3 瀝青路面融冰雪性能檢測

改性乳化瀝青涂層中的融冰雪材料具有阻礙冰層附著、融雪化冰的能力。為研究涂刷改性乳化瀝青試件的融冰雪能力，設計了融冰雪試驗。在結合瀝青試件面積與雪密度的基礎上，計算出大雪狀態(tài)時試件表面冰雪的質量為10 g，因此在瀝青試件A 與空白瀝青試件表面分別均勻放置10 g 碎冰，試驗溫度設置為-5 ℃，3 h 后觀察融冰效果，循環(huán)融冰雪試驗共進行6 次。

3 試驗結果與討論

3.1 疏水材料配比試驗結果

3.1.1 疏水涂層接觸角試驗結果分析

疏水性對瀝青試件的除冰雪效果極為關鍵，疏水涂層能有效減少水滲透到瀝青試件內部且能降低試件表面與冰層的粘結力，從而使冰層更易清除。涂層疏水性能可用接觸角θ 的大小來評價，通常認為θ ≤90°為親水狀態(tài)或部分親水狀態(tài)，θ>90°為疏水狀態(tài)，且接觸角θ 越大疏水性能越好。接觸角測試結果如圖3所示。

圖3 接觸角測試結果Fig.3 Contact angle test results

從圖3中可知，隨著疏水材料與乳化瀝青質量比的不斷增大，疏水涂層的接觸角也在增大；甲基硅樹脂和聚氨酯的增幅最大，在質量比達到12%時，接觸角已達92°，而甲基硅酸鈉的接觸角最大，已達95.6°；當質量比大于12%時，3 種疏水劑接觸角的增長幅度已不明顯，因此可將12%作為疏水材料與乳化瀝青的質量比。

3.1.2 疏水涂層摩擦系數試驗結果

疏水涂層摩擦系數試驗結果如表2所示。

表2 疏水涂層摩擦系數測試結果Tab.2 Test results of the hydrophobic coating of friction factor

由表2可知，無疏水劑涂層試件表面的摩擦系數平均值為0.81，而涂刷疏水劑c 后的試件表面摩擦系數值為0.63，摩擦系數降低幅度較大；與無疏水劑涂層試件相比，涂刷疏水劑a 和疏水劑b 的試件表面摩擦系降幅較小，其中涂刷疏水劑a 的試件摩擦系數降幅最小。由接觸角試驗和摩擦系數試驗推知，當疏水劑加入乳化瀝青后，改變了乳化瀝青的化學組分，使其具有更大的接觸角，而接觸角正是瀝青路面疏水性能和表面能的重要指標。疏水劑涂刷到瀝青路面，會使其形成疏水涂層，改變了液滴在路面的接觸狀態(tài)，使瀝青路面表現出較好的疏水性能。因此，可選擇甲基硅酸鈉作為改性乳化瀝青的疏水劑，其最佳質量比為12%。

3.2 融冰雪材料制備試驗結果

3 種質量分數融雪劑溶液的融冰雪材料制備試驗結果如圖4所示。

圖4 3 種質量分數融雪劑溶液的融冰雪材料制備試驗結果Fig.4 Adsorption test results of three ice-melting agent sustained release material

從圖4中可知，隨著時間增長，緩釋材料吸附量不斷增加，20 h 后趨于穩(wěn)定，將融雪劑溶液進行過濾、烘干、粉碎和稱重對比；隨著融雪劑溶液質量分數的增大，緩釋材料的吸附量也在增大，溶液質量分數在60%時，吸附量最大，20 h 后每100 g 緩釋材料能吸附50 g 融冰雪材料，吸附率較高，已達到50%。因此，可按照60%質量分數的融雪劑溶液添加緩釋材料，制備融冰雪材料。

3.3 融冰雪材料配比試驗

融冰雪材料配比結果如圖5所示。

圖5 不同質量比的融冰雪材料剪切力測試結果Fig.5 Test results of shearing force of snow melting material with different mass ratio

從圖5中可知，不同質量比的融冰雪材料均能降低瀝青路面與冰層的剪切力。當融雪冰材料與乳化瀝青質量比為10%時，剪切力的降低幅度已達36.6%；當二者質量比大于10%時，隨著融冰雪材料質量比的增加，瀝青路面與冰層的剪切力降幅已很小，說明融冰雪材料的增加對剪切力的降低作用已不明顯。所以，融冰雪材料的最優(yōu)質量比為10%。

綜上所述，基質材料、疏水材料、融冰雪材料的質量比為100∶12∶10。

3.4 改性乳化瀝青性能檢測試驗結果

3.4.1 瀝青路面與冰層粘附性能檢測

瀝青路面與冰層粘附性能檢測結果如圖6所示。

圖6 剪切力測試結果Fig.6 Test results of shear force

從圖6可看出，瀝青試件A 在剪切力達到106 N時，冰層從試件表面脫離，且斷面平整，無冰須存在；而空白瀝青試件在剪切力達到231 N 時，冰層從根部斷裂，斷面呈不規(guī)則形狀，且試件表面有大量冰須；與空白瀝青試件比較，瀝青試件A 剪切力下降54.1%，說明改性乳化瀝青中的疏水劑可有效降低瀝青路面與冰的粘結力，具有明顯的抑冰效果；與瀝青試件B 比較，瀝青試件A 剪切力則下降13.8%，這與緩釋材料增加了瀝青試件A 的整體粗糙度有關。

影響路面冰粘結力減小的因素相對復雜，為更好分析其弱化機理，繪制疏水涂層除冰雪效果示意圖，如圖7所示。

圖7 疏水涂層除冰雪效果示意圖Fig.7 Schematic diagram of the deicing and snow removal effect of hydrophobic coating

從圖7中可知，當空白瀝青試件涂刷改性乳化瀝青后，疏水涂層提高了路面接觸角，使路面呈疏水狀態(tài)，改變了冰層與路面凹槽的咬合狀態(tài)，從而降低冰層與路面的咬合力；而在疏水表面加入微米級緩釋材料，會增加路面粗糙度，因此在二者耦合作用下，會極大減小瀝青路面與冰層的粘結力。

3.4.2 瀝青路面抗滑性能檢測

瀝青路面抗滑性能檢測結果如表3所示。

表3 瀝青路面摩擦系數測試結果Tab.3 Test results of asphait pavement friction factor

由表3中可知，瀝青試件A 的摩擦系數相對空白瀝青試件有所降低，平均摩擦系數值僅降低了0.03；與瀝青試件B 相比，瀝青試件A 的平均摩擦系數要高些，這與緩釋材料增加了路面粗糙度有關；但測試結果均滿足瀝青路面設計規(guī)范要求（摩擦系數值>0.42），說明改性乳化瀝青對瀝青路面抗滑性能影響不大。

3.4.3 融冰雪試驗

融冰雪試驗效果如8所示。

從圖8中可知，第1 次融冰雪試驗后，瀝青試件A表面的冰雪已融化，而空白瀝青試件表面冰雪則沒有變化。這是由于改性乳化瀝青中的融冰雪材料降低了水的冰點，使冰層在較低溫度下融化，而改性乳化瀝青具有較大疏水性，融化后的冰水不會入滲，將順表面自行流走，起到抑制結冰的效果。第4 次融冰雪試驗后，涂刷改性乳化瀝青的試件仍有較好的融冰雪效果，證明緩釋材料具有保存和緩釋融冰雪材料的良好作用。第5 次融冰雪試驗后，融冰雪材料基本消耗殆盡，融冰雪效果大大下降。

圖8 融冰雪效果圖Fig.8 The effect of ice-melting

4 結語

通過對改性乳化瀝青的材料組成和疏水抑冰性能的試驗研究，現得出如下結論。

（1）改性乳化瀝青由乳化瀝青、疏水材料、融冰雪材料制備而成，其中疏水劑a 與乳化瀝青質量比為12%，融冰雪材料與乳化瀝青質量比為10%。

（2）涂刷含有緩釋材料的改性乳化瀝青試件具有優(yōu)良的疏水性能，顯著降低路面與冰層粘結力；與空白瀝青試件比較，其剪切力下降54.1%；與涂刷無緩釋材料的改性乳化瀝青試件對比，其剪切力下降13.8%。

（3）涂刷含有緩釋材料的改性乳化瀝青后，瀝青路面摩擦系數有較小幅度降低，僅降低0.03，說明其對瀝青路面抗滑性能影響不大。其同時具有較好的融冰雪效果，可有效降低水的冰點，在較低溫度下融化冰層和降低冰層附著力，具有良好的抑制結冰效果。