抗凝冰微表處路用性能及抗凝冰效果試驗(yàn)分析

孟勇軍, 零立山, 趙啟雄, 盧祖標(biāo), 覃鵬飛

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 南寧 530004； 2.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南寧 530004； 3.廣西特殊地質(zhì)公路安全工程技術(shù)研究中心， 南寧 530004)

中國(guó)近四分之三的領(lǐng)土屬于冬季降雪冰凍區(qū)，容易遭受道路冰雪災(zāi)害的影響[1-3]，在冬季及特殊的寒冷氣候條件下，這些地區(qū)由于降雪、凍雨等天氣因素導(dǎo)致其道路表面積雪凝冰。凝冰附著在道路表面降低路面的抗滑能力[4-5]，使車輛容易失去控制，極大地威脅駕乘人員的安全，同時(shí)容易引發(fā)交通事故，造成道路擁堵，甚至交通中斷。目前常見的道路除冰雪方法為人工、機(jī)械清除法或是在路面撒布融雪劑[6-7]。但這些方法均為凝冰產(chǎn)生后的路面處理措施，因其除冰滯后性，不可避免會(huì)對(duì)路面造成損害。蓄鹽類瀝青混凝土[8-9]作為主動(dòng)除冰技術(shù)，在降雪、凍雨等天氣條件下，通過抗凝冰成分緩釋遷移至道路表面，降低路表水溶液冰點(diǎn)，達(dá)到主動(dòng)抗凝冰的作用。

為研究蓄鹽類瀝青混凝土的路用性能及除冰性能，中外學(xué)者進(jìn)行了諸多研究。張麗娟[10]利用填料體積等效置換法在混合料中摻入鹽化物產(chǎn)品Mafilon，其瀝青混合料的低溫抗裂性能及抗水損害性能均隨鹽化物摻量的增加而降低。李福普等[11]采用AC-13C粗型密級(jí)配制備長(zhǎng)效型主動(dòng)融雪瀝青混合料，結(jié)果表明其高溫性能優(yōu)良，低溫性能基本沒有影響。Liu等[12-13]建立蓄鹽類瀝青混凝土鹽分釋放規(guī)律模型，定量地評(píng)價(jià)混合料的融雪抑冰能力。然而，關(guān)于鹽化物摻入微表處混合料中，制備成抗凝冰微表處的相關(guān)研究較少。邵鵬康[14]基于乳液懸浮體系成膜理論，在乳化瀝青中摻入功能性填料，形成功能型超微表處，達(dá)到抗滑、融雪、降噪等使用目的，并采用電導(dǎo)率試驗(yàn)評(píng)價(jià)融雪鹽析出的穩(wěn)定性。王吉運(yùn)等[15]通過添加高分子材料和功能性材料，制備有一定融雪抑冰、抗滑降噪的微表處?？到輀16]將抗凝冰沸石集料應(yīng)用到微表處中，通過微表處試件表面冰凍情況分析其抗凝冰效果。但對(duì)于抗凝冰微表處的路用性能及融雪抑冰能力的研究依然不夠深入，需進(jìn)一步完善?；诖?，現(xiàn)制備不同抗凝冰填料摻量的微表處混合料，通過耐磨耗性能、抗滑性能及抗水損性能研究抗凝冰微表處的路用性能，采用凍結(jié)時(shí)間試驗(yàn)及冰層破裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)其抗凝冰效果。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 抗凝冰填料

采用的抗凝冰填料由課題組自制所得，為一種粉末狀材料，該填料以多孔結(jié)構(gòu)材料為載體，摻入復(fù)合型融冰鹽，并包含緩釋樹脂、抗腐蝕劑和增強(qiáng)劑等材料，可達(dá)到長(zhǎng)效緩釋除冰效果。在物理性質(zhì)、級(jí)配組成上與礦粉相似，粒徑主要在0.075 mm以下，可部分置換混合料中的礦粉，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 抗凝冰填料主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main performance index of anti-icing filler

1.1.2 改性乳化瀝青與集料

試驗(yàn)選用昆侖70#基質(zhì)瀝青，采用丁苯橡膠(styrene butadiene rubber，SBR)及水性環(huán)氧樹脂為改性劑制備改性乳化瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 改性乳化瀝青主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Main performance index of modified emulsified asphalt

粗細(xì)集料采用廣西田東那拔鎮(zhèn)石料廠生產(chǎn)的輝綠巖，礦粉為石灰?guī)r，其主要技術(shù)性質(zhì)指標(biāo)如表3所示。

表3 集料主要技術(shù)指標(biāo)Table 3 Main performance index of aggregate

1.1.3 礦料級(jí)配

試驗(yàn)采用礦料級(jí)配為MS-3型級(jí)配，試驗(yàn)級(jí)配如表4所示。

表4 MS-3型礦料級(jí)配Table 4 Grading of MS-3 mineral aggregate

1.2 試驗(yàn)方法

微表處混合料通過手動(dòng)拌合試驗(yàn)確定混合料外加水摻量為6%(占礦料質(zhì)量比)，采用1 h濕輪磨耗試驗(yàn)及負(fù)荷輪粘砂試驗(yàn)確定混合料最佳油石比為6.5%。

試驗(yàn)制備濕輪磨耗試件，采用濕輪磨耗儀進(jìn)行加速磨耗，每隔20 min測(cè)量試件的磨耗損失率，評(píng)價(jià)其耐磨耗性能，同時(shí)使用擺式摩擦儀測(cè)定擺值采用手工鋪砂法測(cè)量構(gòu)造深度，從而定量地表征其抗滑性能。采用浸水6 d濕輪磨耗試驗(yàn)及凍融循環(huán)濕輪磨耗試驗(yàn)對(duì)混合料的抗水損性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。在25 ℃ 水浴條件下將試件浸水6 d后進(jìn)行濕輪磨耗試驗(yàn)以評(píng)價(jià)普通水環(huán)境下微表處抗水損性能；將真空飽水試件放入-18 ℃冰箱中冰凍16 h，經(jīng)凍融處理后進(jìn)行濕輪磨耗試驗(yàn)，對(duì)比凍融循環(huán)試件和普通干燥試件的濕輪磨耗值以表征凍融環(huán)境下微表處抗水損性能。

在抗凝冰性能試驗(yàn)中，制備長(zhǎng)寬均為10 cm、高為1 cm的微表處混合料試件，在試件表面均勻撒布50 mL的0 ℃去離子水，于特定溫度下每隔30 min觀察一次試件凝冰情況以表征其抑制結(jié)冰的能力；冰層破裂試驗(yàn)是將撒布了50 mL 0 ℃去離子水的試件放入-10 ℃ 冰箱內(nèi)冷凍12 h，采用250 g的小球從0.3 m高度自由下落，通過記錄試件冰面開展形態(tài)并計(jì)算裂縫長(zhǎng)度和破裂面積以評(píng)價(jià)試件冰層形成后的強(qiáng)度。

2 路用性能研究

2.1 耐磨耗性能

制備抗凝冰填料摻量分別為0%、3%、6%、9%的濕輪磨耗試件，采用質(zhì)量損失率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，質(zhì)量損失率M計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：M為微表處質(zhì)量損失率，%；m0為磨耗前的試件質(zhì)量，g；mt為磨耗t時(shí)刻后的試件質(zhì)量，g。

不同抗凝冰填料摻量下微表處耐磨耗性能試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同抗凝冰填料摻量對(duì)耐磨耗性能的影響Fig.1 Effect of different content of anti-icing filler on abrasion resistance performance

由圖1可知，相同抗凝冰填料摻量下，隨著磨耗時(shí)間的增長(zhǎng)，質(zhì)量損失率在磨耗初期快速增加，繼續(xù)磨耗，增長(zhǎng)趨勢(shì)放緩。這是由于磨耗初期，試件表面宏觀構(gòu)造較大，微突起的部分受到較大的磨耗作用，因此在磨耗作用下質(zhì)量損失率較大；隨著磨耗時(shí)間增加，微突起的部分和部分宏觀構(gòu)造被磨耗殆盡，與磨耗初期相比，試件表面被磨光，摩阻力變小，因此質(zhì)量損失減小。

在相同磨耗時(shí)間條件下，對(duì)比不同抗凝冰填料摻量的耐磨耗性能，隨著抗凝冰填料的增加，質(zhì)量損失率總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。摻量達(dá)到9%時(shí)，在磨耗過程中有部分細(xì)小石料出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，質(zhì)量損失率與其他摻量相比上升幅度明顯。這是由于抗凝冰填料與礦粉相比，其與瀝青的交互作用較弱，因此抗凝冰填料與瀝青形成的瀝青膠漿結(jié)合能力較弱，瀝青膠結(jié)料與石料之間的黏附力降低，部分黏結(jié)不夠牢固的石料在磨耗作用下從試件表面剝落，造成質(zhì)量損失，因此抗凝冰填料摻量增加，耐磨耗性能降低。

2.2 抗滑性能

不同抗凝冰填料摻量下微表處抗滑性能試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同抗凝冰填料摻量對(duì)抗滑性能的影響Fig.2 Effect of different content of anti-icing filler on anti-sliding performance

從試驗(yàn)結(jié)果可得，相同抗凝冰填料摻量下，隨著磨耗時(shí)間的增長(zhǎng)，擺值和構(gòu)造深度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是由于在橡膠磨耗頭的不斷摩擦消耗下，微表處表面的構(gòu)造被不斷磨耗，使得路面被拋光，抗滑能力降低。

在磨耗初期，對(duì)比相同磨耗時(shí)間下不同抗凝冰填料摻量的微表處抗滑性能，發(fā)現(xiàn)其擺值和構(gòu)造深度相差不大，可以認(rèn)為抗凝冰填料摻量對(duì)磨耗初期抗滑性能影響甚微。分析其原因在于，路面表面的抗滑性能受路面粗糙度的影響，粗糙度由宏觀構(gòu)造和微觀構(gòu)造構(gòu)成。宏觀構(gòu)造主要由石料的級(jí)配粒徑、外觀形狀等決定，微觀構(gòu)造主要由石料表面和瀝青膠漿的紋理構(gòu)造決定。在路面的抗滑性能中，微觀構(gòu)造起決定性作用，微觀構(gòu)造越大，輪胎與路面發(fā)生摩擦?xí)r的咬合能力更強(qiáng)，抗滑能力越強(qiáng)。試驗(yàn)中不同抗凝冰填料摻量的微表處，其石料為相同批次、相同級(jí)配，僅填料摻量不同，對(duì)宏觀構(gòu)造幾乎沒有影響；使用的填料外觀結(jié)構(gòu)形式與礦粉相似，形成的瀝青膠漿對(duì)微觀構(gòu)造影響也很小。因此不同抗凝冰填料摻量的微表處，在磨耗初期抗滑性能相差很小。

隨著磨耗時(shí)間的增加，不同抗凝冰填料摻量的微表處抗滑性能出現(xiàn)差異，抗凝冰填料摻量越大，其抗滑性能越低。原因在于抗凝冰填料摻量越大，其微表處混合料結(jié)合能力越弱，在輪碾作用下更容易發(fā)生相對(duì)位移，在試件表面產(chǎn)生蠕變變形，改變表層的幾何不規(guī)則度，使表面逐漸平整光滑，抗滑性能衰減。此外，抗凝冰填料摻量為9%的試件在磨耗后期出現(xiàn)小幅度的抗滑性能回升，通過試驗(yàn)時(shí)觀察試件表面狀況，分析原因在于混合料結(jié)合能力較弱，試件表面出現(xiàn)部分細(xì)小石料脫落，形成坎坷不平的凹槽，表面變粗糙，從而導(dǎo)致擺值及構(gòu)造深度均有小幅度回升。

2.3 抗水損性能

對(duì)不同抗凝冰填料摻量下微表處試件進(jìn)行浸水6 d濕輪磨耗試驗(yàn)及凍融循環(huán)濕輪磨耗試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同抗凝冰填料摻量對(duì)抗水損性能的影響Fig.3 Effect of different content of anti-icing filler on moisture damage resistance performance

由試驗(yàn)結(jié)果可得，隨著抗凝冰填料摻量的增加，混合料浸水6 d及凍融循環(huán)濕輪磨耗值均增大，且摻量達(dá)到9%時(shí)，磨耗上升明顯。究其原因在于以下3個(gè)方面。

(1)抗凝冰填料。由于抗凝冰填料與瀝青的交互作用弱于石灰?guī)r礦粉與瀝青，使得抗凝冰填料的摻入降低了瀝青膠漿本身的黏附能力，從而削弱了瀝青膠漿與石料的黏附力。

(2)水分。微表處水分的來源有4種：一是石料本身所蘊(yùn)含的水分，二是乳化瀝青破乳后殘留的水分，三是拌合過程中外加水的水分，四是試驗(yàn)過程滲入混合料中的水分。前3種水分在試件制備的烘干過程中基本揮發(fā)殆盡，但仍有極少量水分存在于混合料中，影響最大的是試驗(yàn)過程中滲入混合料中的水分。浸水6 d濕輪磨耗試驗(yàn)過程中，水分沿開口連通空隙滲入混合料中，由于水與瀝青相比表面自由能更大，因此與瀝青相比，水更容易吸附到石料表面，當(dāng)水與石料接觸后，水分沿著瀝青與石料的接觸界面不斷置換瀝青接觸界面，導(dǎo)致瀝青與石料接觸界面逐漸減小，同時(shí)侵入的水分與原有存在界面之間的少量水分匯合，加劇界面剝落，使得瀝青與石料的黏結(jié)力逐漸喪失，進(jìn)而導(dǎo)致石料剝落。凍融循環(huán)濕輪磨耗試驗(yàn)過程中，試件內(nèi)部水分凝結(jié)，一方面，試件空隙中的水分凍結(jié)膨脹，相鄰的石料被凝冰擠壓疏離，使得瀝青膠結(jié)料斷裂形成裂紋，降低黏附力；另一方面，少量進(jìn)入瀝青與石料界面的水，在凍脹力的作用下，加速瀝青與石料之間的水膜尖端延伸，促進(jìn)界面剝離。

(3)水分進(jìn)入抗凝冰填料中帶出鹽分，形成鹽溶液。融冰鹽水解電離出的離子，由于其強(qiáng)極性的緣故，與瀝青形成不穩(wěn)定的化學(xué)吸附層，降低瀝青對(duì)石料的吸附能力，因此對(duì)瀝青界面產(chǎn)生剝離作用。同時(shí)水解形成的鹽溶液更容易潤(rùn)濕石料，與純水相比，也更易侵入瀝青與石料接觸界面，降低界面的黏結(jié)強(qiáng)度。在凍融循環(huán)作用下，鹽結(jié)晶的凍脹力和不規(guī)則的膨脹容易穿透瀝青膜，一旦出現(xiàn)微裂紋，一方面是鹽分的低共熔點(diǎn)性質(zhì)使得凝冰融化，另一方面是較低的溫度促使水分繼續(xù)凍結(jié)，在冰水兩相的反復(fù)轉(zhuǎn)變作用下，微裂紋不斷延伸拓展，破壞瀝青與石料界面，最終導(dǎo)致瀝青膜剝落。因此，抗凝冰填料摻量越大，鹽分析出后形成的鹽溶液濃度越大，產(chǎn)生的鹽結(jié)晶膨脹力越大，對(duì)混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞越大。

因此，過多抗凝冰填料摻量的摻入，會(huì)降低混合料的抗水損害能力。綜合考慮混合料的路用性能，抗凝冰填料摻量應(yīng)控制在6%左右。

3 抗凝冰性能

3.1 凍結(jié)時(shí)間試驗(yàn)

對(duì)不同溫度(-10、-5、-2 ℃)和抗凝冰填料摻量(0、3%、6%、9%)下的抗凝冰微表處抗凝冰效果進(jìn)行觀測(cè)，分析抗凝冰微表處對(duì)路面凝冰形成過程的影響，結(jié)果如表5所示。

表5 抗凝冰微表處試件凝冰觀測(cè)結(jié)果Table 5 Observation results of test pieces at the micro surface of anti-icing

從試驗(yàn)結(jié)果可得，抗凝冰填料摻量一定時(shí)，試件達(dá)到全部?jī)鼋Y(jié)所需時(shí)間隨溫度的降低而縮短，溫度一定時(shí)，試件達(dá)到全部冰凍所需時(shí)間隨抗凝冰填料的摻量增加而增加?？鼓盍蠐搅繛?%時(shí)，在-2 ℃ 下水完全凍結(jié)需要2 h，而在-10 ℃ 下僅需要1 h；摻量3%時(shí)，在-2 ℃ 下4 h表面全部結(jié)成薄冰，而在-10 ℃ 下完全凍結(jié)需要2 h；摻量為6%時(shí)，在-2 ℃ 和-5 ℃ 環(huán)境下4 h均不結(jié)冰，在 -10 ℃ 下4 h僅有少量結(jié)冰；摻量達(dá)到9%時(shí)，3個(gè)溫度條件下均未出現(xiàn)表面結(jié)成薄冰現(xiàn)象。

由此可見，摻加了抗凝冰填料的微表處與普通微表處相比，凝冰形成所需時(shí)間增加，具有顯著的抗凝冰作用，且摻量越大，抗凝冰效果越好。

3.2 冰層破裂試驗(yàn)

采用落球沖擊試驗(yàn)研究抗凝冰微表處對(duì)冰層強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)裝置如圖4所示。對(duì)于試件冰面開裂和破損狀況，采用圖像識(shí)別軟件Image Pro Plus進(jìn)行識(shí)別分析，如圖5所示。并提出冰面破損率指標(biāo)用于評(píng)價(jià)冰層破裂狀況，計(jì)算公式為

圖4 落球沖擊試驗(yàn)Fig.4 Impact test of falling ball

圖5 試件冰層破損狀況識(shí)別分析Fig.5 Identification and analysis of ice layer damage condition of test piece

(2)

式中：RD為冰面破損率，%；AD為破損及龜裂的總面積，即冰面破裂泛白的面積，cm2；λ為裂紋換算面積權(quán)重，取0.3；L為總裂紋長(zhǎng)度，cm；A為試驗(yàn)試件總面積，100 cm2。

不同抗凝冰填料摻量下微表處冰層破裂試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 抗凝冰微表處試件冰層破損率Fig.6 Damage rate of ice layer at the micro surface test piece of anti-icing

從試驗(yàn)結(jié)果可得，隨著抗凝冰填料摻量的增加，在相同作用次數(shù)下，其冰層破損率增加?？鼓盍蠐搅繛?時(shí)，在5次落球沖擊試驗(yàn)下冰面破損率僅為6.34%，而在15次下為27.78%；當(dāng)摻量為9%時(shí)，在5次沖擊下冰面破損率為27.15%，破損率較未摻抗凝冰填料相比提升428.23%，而在15次下為84.14%，提升302.88%。

這表明，摻加了抗凝冰填料的微表處其表面覆冰后冰層與未摻入抗凝冰填料的微表處相比更容易破碎，且摻量越大，破損越多。原因在于，摻入了抗凝冰填料后，由于鹽分的析出，路面-冰層界面中間有少量冰層被融化成水，使得界面變成路面-水膜-冰層界面。新界面的形成，一方面降低了路面與冰層之間的黏結(jié)力；另一方面，水膜中的水通過空隙排開，在路面與冰面之間形成大空隙，在反復(fù)作用下，冰面承受的荷載無法有效傳遞至路面，冰層受壓變形使冰層底部受拉，超過其最大拉應(yīng)力，發(fā)生破碎。因此，摻加了抗凝冰填料的微表處，路面凝冰后冰層更容易破裂，在荷載作用下達(dá)到主動(dòng)除冰的效果。

4 結(jié)論

(1)抗凝冰填料摻量的增加，使得混合料質(zhì)量損失率呈上升趨勢(shì)，耐磨耗性能下降；由于填料外觀結(jié)構(gòu)形式與礦粉相似，形成的瀝青膠漿對(duì)微觀構(gòu)造影響較小，因此對(duì)抗滑性能影響輕微；填料摻量為9%時(shí)，試件表面出現(xiàn)部分細(xì)小石料脫落，導(dǎo)致質(zhì)量損失率上升幅度加劇，擺值及構(gòu)造深度均有小幅度回升。

(2)水分進(jìn)入抗凝冰填料中帶出鹽分，形成鹽溶液，更易侵入瀝青與石料接觸界面，降低界面的黏結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)鹽結(jié)晶的凍脹力和不規(guī)則的膨脹容易穿透瀝青膜，在冰水兩相的反復(fù)轉(zhuǎn)變作用下導(dǎo)致瀝青膜剝落，使混合料的抗水損害能力降低。

(3)摻加了抗凝冰填料的微表處較普通微表處相比，凝冰形成所需時(shí)間增加，具有顯著的抗凝冰作用，且摻量越大，抗凝冰效果越好?？鼓盍蠐搅康脑黾?，路面凝冰后冰層更容易破裂，在荷載作用下達(dá)到主動(dòng)除冰的效果。

(4)綜合考慮微表處混合料的路用性能及抗凝冰效果，推薦抗凝冰微表處的抗凝冰填料摻量控制在6%左右。