聚脲涂層改善路面疏水抗凍性能的試驗研究

梁 廣 張 泳 樊建興

(西安公路研究院 西安 710064)

1 引言

隨著我國公路建設的不斷發(fā)展，公路里程逐年增加，我國龐大的路網(wǎng)系統(tǒng)易受不利天氣的影響，特別是冬季路面積雪結冰現(xiàn)象的發(fā)生，使得路面抗滑系數(shù)下降，容易出現(xiàn)制動失靈等問題而引發(fā)交通事故。

目前公路工程界將路面除冰方法分為兩類：被動法和主動法。被動除冰法是一種常用的除雪除冰方法，包括人工除冰法、機械除冰法和撒鹽法。然而，機械除冰的缺點是會消耗大量人力和財力并且對路面造成損壞，縮短道路使用壽命[1]。對于灑鹽法來說，問題在于當冰雪融化時，鹽中的氯離子會路面形成腐蝕從而影響道路使用壽命并造成環(huán)境污染[2]。對于蓄鹽瀝青混合料，一些研究人員在瀝青混合料中加入除冰劑，可以達到除冰或融雪的效果[3-5]。鹽化物融雪路面存在的問題是鹽形成的狀態(tài)難以掌握，路面耐久性也不理想[6]。對路面和環(huán)境也有一定的污染和危害。對于熱能融雪道路，研究人員開發(fā)了新的道路除冰系統(tǒng)，并將碳纖維摻入混凝土中，以測試其加熱性能[7-11]?；跓崮艿淖饔?，道路除冰融雪的效果較好，但能耗較大，道路建設期內投資較大，設備需要頻繁養(yǎng)護，這些因素導致道路的建設與養(yǎng)護成本增加[12]。對于自應力融雪抑冰路面，研究人員研究了微波加熱自愈合瀝青混合料，并在混凝土中使用了瀝青粘合劑或聚氨酯以增強抗滑磨耗層的防冰和除雪性能[13-15]。對于采用自應力混凝土材料的路面，裂縫表面的冰融水阻礙了裂縫的自愈，從而限制了融雪除冰的效果。因此在鋪設橡膠混合料時，彈性顆粒很容易從路表脫落[16-17]。上述方法有其自身的不足，因此研究人員致力于開發(fā)更有效、環(huán)保、自融雪和疏水性好的路面。李月光等[18]研究了基于ZnO超疏水材料的路面防凝結技術及其疏水抑冰性能。Gao等[19]研究了不同工況下超疏水瀝青混凝土的抑冰和除冰性能。Mahdi等[20]研究了采用不同疏水涂層和不同噴涂量下路面的疏水性能。 Peng等[21]在瀝青路面上對超疏水硅涂料的防冰性能進行了研究。Yi等[22]制得了疏水性乳化瀝青，并研究了在不同噴涂量下涂料的路用性能。

上述方法的優(yōu)點是疏水效果明顯，但其缺點是耐磨性能差，耐久性不佳，并且使得路面的抗滑性能損失較大。這些缺點阻礙了疏水抑冰涂層在公路領域的應用。為了解決以上技術問題，需要使用耐磨性和抗滑性更好的材料。聚脲(PU)材料表現(xiàn)出了極其優(yōu)異的性能。本文研究聚脲作為涂料對路面疏水性和抑冰性的改善作用，采用接觸角試驗研究聚脲涂層的疏水性，采用水滴凝結時間試驗、鋼球擊冰試驗和冰/路層間剪切試驗研究聚脲涂層路面的抗冰性能，采用濕輪磨耗試驗研究聚脲涂層路面的耐磨耗性能，采用鋪砂法、英國擺錘試驗機法及AMES激光紋理掃描儀研究聚脲涂層路面的抗滑性。本技術方法對提高冬季行車安全性有重要意義。

2 試驗材料與試驗設備

2.1 材料

本研究所用的聚脲為青島愛爾家佳新材料股份有限公司生產(chǎn)的 Air++1102聚脲，這種聚脲對濕度和溫度不敏感，具有良好的耐水性、較高的拉伸強度和撕裂強度，它還可以抵御水、海水、酸、堿、鹽等介質的侵蝕。聚脲的性能如表1所示。

表1 聚脲的性質

乙酸乙酯是廣東予能實驗室設備科技有限公司生產(chǎn)的一種無色透明的易燃液體，具有果香，極易揮發(fā)。分子式為C4H8O2，分子量為88.11g/mol，相對密度為0.902g/mol，熔點和沸點分別為84℃和77℃。乙酸乙酯微溶于水，易溶于醇、酮、醚、氯仿等有機溶劑。

本研究采用的乳化劑為山東優(yōu)索化工科技有限公司開發(fā)的十八烷基三甲基氯化銨(1831)，乳化劑的技術指標見表2。研究基質瀝青為SK70#，針入度為74(0.1mm)，在10℃和15℃下延度大于100cm，軟化點為48.1℃。

表2 乳化劑技術指標

本研究中采用的AC-10和MS-2分別按照《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》JTG F40-2004和《微表處和稀漿封層技術指南》中推薦的級配范圍進行級配設計，具體的級配設計見表3。

表3 AC-10和MS-2級配設計表

2.2 試驗設備

制備乳化瀝青的儀器是鹽城億天機械設備有限公司生產(chǎn)的RH-5型立式膠體磨，主要部件包括漏斗、循環(huán)系統(tǒng)、膠體磨轉子、定子、細度調節(jié)裝置等。膠體磨的轉速約為300r/s，通過調整細度調節(jié)裝置，可以改變轉子與定子之間的距離，進而調整細度。

耐磨性分析采用浙江賽德儀器設備有限公司生產(chǎn)的濕式砂輪磨損儀，磨頭質量2.27kg，轉速140rpm，轉速61rpm，橡膠軟管的長度為127mm。

用于研究抗滑性能的儀器是上海雷韻試驗儀器制造有限公司生產(chǎn)的擺錘式摩擦計，擺錘的重量為(1500±30)g，擺錘的重心為(410±5)mm，橡膠板在路面上的正靜壓力為2263g。

用于紋理特征分析的儀器是上海金宇科學儀器有限公司生產(chǎn)的艾姆斯激光紋理掃描儀，該設備可以測量樣品表面的紋理結構，掃描樣品表面的紋理特征，計算出紋理的平均深度(MPD)，掃描面積為104mm×76mm，掃描周期為90s/10lines，分辨率為0.015mm。

3 試驗方法

3.1 乳化瀝青的制備

首先，加入熱水對膠體磨進行充分預熱，以減小乳液、設備和瀝青之間的溫差。同時，在60℃左右的體積中加入2%的乳化劑，充分攪拌，從而得到均勻分散的乳液。然后，排出膠體磨中熱水，將乳液倒入膠體磨中攪拌30s，再將140℃左右的瀝青緩慢加入，攪拌3min后排出瀝青，最后用保鮮膜密封乳化瀝青，將其在60℃烘箱中放置半小時，以消除泡沫。

3.2 聚脲的預處理

采用異氰酸酯(組分A)、胺類化合物(組分B)與填料和輔助劑反應制備聚氨酯，組分A可以是異氰酸酯單體、聚合物等。

首先，在組分A中加入適量的乙酸乙酯進行快速攪拌，以增加其流動性。加入乙酸乙酯的目的是使其變薄、增加流動性以便于噴涂(Porto 2012)。然后，將組分B加入至混合物中進行聚合。組分A、組分B和乙酸乙酯的比例為10∶3∶1。

3.3 試驗設計

為了驗證涂料的路用性能，對其疏水性、防凍性、耐磨性、抗滑性和表面紋理特性進行了分析。試驗用的樣品分為實驗組(涂覆聚脲)和對照組(未涂覆聚脲)。

3.3.1 疏水性能試驗

通過接觸角測試來評價聚脲涂層的親水性。在玻璃板上均勻覆蓋約2mm厚的二個乳化瀝青帶，待破乳完成后，在其一上噴涂約2mm厚的聚脲涂層。然后在兩個表面上都滴上水滴，觀測到的現(xiàn)象如圖1所示。

圖1 疏水性(左為實驗組，右為對照組)

采用形狀圖像分析方法對接觸角進行測量，用小手電筒從水滴的一側照射，在水滴的另一側豎起一張白紙作為投影面來投射水滴形狀。氣、液、固三相交點處的氣液界面切線和液側固液界面切線的夾角為接觸角(圖2)。然后利用數(shù)字圖像處理技術對接觸角進行測量。實驗組和對照組各測試5次，計算CA的均值和方差來進行下一步的分析。

圖2 水滴形狀投影過程示意圖

3.3.2 防凍性能試驗

聚脲涂層的防凍性能關系到路面是否能夠延緩結冰，以及冰與路面之間的粘結強度，進而影響路面上的冰是否容易被清除，這關系到行車安全。為了驗證聚脲涂層的抗凍性能，研究人員進行了水滴凝結時間試驗、鋼球擊冰試驗和冰/路層間剪切試驗。

3.3.2.1 水滴凝結時間試驗

將實驗組和對照組置于-10℃的冰箱中，冷凍16h后，在實驗組和對照組的表面分別滴下若干水滴，對水滴的凍結時間進行測量，即測量開始凍結時間與結束凍結時間的時間差值。試驗結果的平均誤差在6%以內。

3.3.2.2 鋼球擊冰試驗

實驗組和對照組均采用425g小鋼球從1m高度自由下落撞擊冰層，以模擬當車輛實際行駛在路面上時對冰層的作用，如圖3所示，a、b、c、d分別是高度調節(jié)裝置、鋼球的下落位置、平臺和樣品。進而通過計算冰的破壞面積S來評價冰與路面之間的粘結性，而冰與路面之間的粘結性決定了路面除冰的難易程度。此試驗的平均誤差在6%以內。

圖3 室內防冰試驗

為了計算冰的破壞面積S，采用了數(shù)字圖像處理技術[23]。步驟如下：

(1) 圖像分級：將彩色RGB圖像加權平均后，得到灰度圖像。

(2) 二值化：通過最大方差閾值選擇合適的閾值，然后對灰度圖像進行閾值分割和二值化處理，處理結果是一幅只有0和1兩個灰度級的二值化圖像(即圖像只有黑白)。

(3) 像素點計算：通過‘imread’函數(shù)讀取圖像矩陣，得到灰度級別為1和0的像素點個數(shù)，并分別計算它們占總像素點數(shù)的比例。

(4) 計算冰的破壞面積S：所有像素中白色像素的比率乘以樣品的總面積，得到冰的破壞面積S[24]。

3.3.2.3 冰/路層間剪切試驗

層間剪切力可用于評估層間的粘附力。在試驗中使用了HS-SSI型直剪儀[25]?？辜魪姸仁窃u價防凍性能的指標之一，且剪切力與抗凍性能成反比，在處理數(shù)據(jù)時通過計算均值和方差來進行進一步的分析。

3.3.3 耐磨性能試驗

為了驗證聚脲涂層涂覆于不同類型路面時的耐磨性，研究人員設計了AC-10和MS-2兩種礦物級配。耐磨性由WTAT值進行評估，而WTAT值則由濕輪磨耗試驗測量得到，該測試遵循《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的試驗方法。樣品水浴時間為1h。每組均分為實驗組和對照組。WTAT值為聚脲涂層應用于不同類型的路面時路面耐磨性能的評價值，此試驗的平均誤差在4%以內。

3.3.4 抗滑性能試驗

考慮到交通安全，路面必須具有足夠的抗滑性能。而如果在路面上單獨噴涂聚脲涂料，會降低路面的抗滑性能。因此，先在試樣表面噴涂聚脲涂層，然后再在聚脲固化前撒布質量為聚脲質量10%的石英砂，因此彌補路面抗滑性的損失。試驗所使用的四種樣品分別為A(無聚脲涂層)、B(噴涂量為0.2kg/m2的聚脲涂層)、C(噴涂量為0.4kg/m2的聚脲涂層)和D(噴涂量為0.4kg/m2的聚脲涂層以及質量為聚脲質量10%的石英砂)。采用TD法、BPN法和MPD法對四種試樣的抗滑性能進行了評價。根據(jù)《公路工程路基路面現(xiàn)場試驗方法》的規(guī)定，采用鋪砂法和英國擺錘試驗機法測定TD和BPN。用AMES激光紋理掃描儀測量MPD。試驗中各樣本的平均誤差都在7%以內。

4 結果與討論

4.1 疏水性

接觸角反映了材料的疏水性。接觸角越大，材料的疏水性越好。兩組(實驗組和對照組)的疏水性能測試結果見表4。當θ>90°時，表明材料表面具有疏水性，即液體不易潤濕材料表面且易在材料表面流動。而與對照組相比，實驗組的接觸角角度增加了63.8°，說明樣品表面由親水變?yōu)槭杷?。由于聚脲中的C-N鍵相對穩(wěn)定，且端氨基聚醚的疏水性較好，因此聚脲涂層的疏水性較好。試驗結果表明，聚脲涂層具有良好的疏水性能。

表4 接觸角檢測結果

4.2 防凍性能

本文采用水滴凝結時間(water freezing time, WFT)、破冰面積(breaking surface of ice, BSI)和極限抗剪強度來表征聚脲涂層的防凍性能。試驗組和對照組的檢驗結果如圖4、圖5和表5所示。

在WFT試驗中，試驗組樣品開始結冰的時間相較對照組樣品開始結冰的時間晚了40%。并且試驗組樣品完成凍結所耗時間較控制組樣品完成凍結所耗時間增加了56.8%。試驗結果表明，試驗組有效地延緩了路面開始結冰的時間，同時延長了路面結冰過程中的時間。造成這一結果的原因如下：水滴結冰是由于其損失了熱量，而導熱的驅動力是溫差，試驗中研究人員將試驗組和對照組的樣品置于-10℃的冰箱中冷藏16 h，然后在實驗組和對照組的樣品表面滴加若干水滴，此時水滴與路面(樣品)的溫差要大于水滴與空氣的溫差，這意味著水滴將會以更快的速度將熱量傳遞給路面(樣品)，由于試驗組樣品中的聚脲涂層具有疏水性，因此與對照組相比，實驗組滴加的水滴與路面(樣品)的接觸面積更小。因此，實驗組的水滴冷卻更加緩慢，結冰時間較晚，成冰時間較長。

圖4 WFT測試結果

圖5 冰層破壞現(xiàn)象

表5 極限抗剪強度測試結果

對于BSI試驗，經(jīng)計算，試驗組冰破壞面積S為28.951cm2，對照組為17.417cm2。與對照組相比，試驗組的冰破壞面積增加了66.22%。在小鋼球的撞擊下，對照組樣品表面仍存有大量的冰，這使得存在于樣品結構深度內的冰難以被有效去除，因此在樣品結構深度內存在著大量的暗冰。顯然，這對交通安全有很大的隱患。然而，當試驗組樣品的冰層被撞擊時，冰層很容易脫落，冰層與路面呈塊狀分離，在結構深度內幾乎沒有暗冰。

層間剪切試驗表征了冰層與混合試樣之間的粘附力。與對照組相比，試驗組層間剪切強度下降了47.13%。而剪切力越小，說明冰層的附著力越小，就更有利于車輪將冰面碾碎，從而使冰層更容易被去除。試驗結果表明，聚脲涂料可以提高路面的防凍性能。

4.3 耐磨性能

聚脲涂層應具有足夠的耐磨性，以抵抗車輪的滾動和磨損。聚脲涂層要想長期發(fā)揮其疏水、防結冰性能，必須具有優(yōu)良的耐磨性。采用浸水1h后的濕輪磨耗試驗來評估聚脲涂層的耐磨性，其原理是模擬車輪在潮濕條件下對混合料表面的磨損效果。磨損值越小，說明耐磨性越好。兩組(實驗組和對照組)的濕輪磨耗試驗結果如圖6所示。

圖6 濕輪磨耗試驗結果

對于AC-10和MS-2兩種級配，試驗組的WTAT值均低于對照組。對于AC-10級配，試驗組的WTAT值為對照組的43.55%，對于MS-2級配，試驗組的WTAT為對照組的50.68%。原因是對照組樣品是微表面混合物，而試驗組樣品是在微表面噴涂聚脲涂層。前者是乳化瀝青包裹骨料直接暴露在路面上，后者則是在樣品表面噴涂聚脲涂層，不能直接對骨料進行磨損。結果表明，聚脲涂料能在很大程度上提高路面的耐磨性能。試驗組和對照組都可以看出AC-10級配的WTAT值低于MS-2級配，即AC-10級配的耐磨性優(yōu)于MS-2級配。原因是與AC-10級配相比，MS-2級配的礦物骨料級配相對較細，而微表處的耐水性不強，浸水1h后粘結劑的粘結性能變弱，這會使得MS-2級配試樣的磨損值更大。

4.4 抗滑性能

路面的抗滑性主要指路面對輪胎—路面相互作用的貢獻以及由此產(chǎn)生的摩擦力[26]，它是表征路面粗糙度的路面特性，并且可以為在潮濕路面上打滑的車輛提供滑動阻力?？够允窃u價道路安全性的一個非常重要的參數(shù)，因為一旦路面的抗滑性能不足時，就會導致行駛車輛在緊急制動時發(fā)生打滑以及制動距離不足等問題。輪胎與路面的摩擦受路面特性、輪胎性能、車輛運行參數(shù)和環(huán)境因素等多種因素的影響。對于已知的車輛輪胎，其抗滑力由輪胎—路面界面上所產(chǎn)生的摩擦力提供，這是由路面的表面特性決定的[27]。本研究采用TD、BPN和MPD指標來表征聚脲涂層路面的表面微觀結構特征，并對聚脲涂層路面的抗滑性進行了探討。試驗結果如圖7～9所示。

圖7 抗滑性能試驗結果

對于樣品B，其TD和BPN相比樣品A分別降低了16.14%和15.08%，因為在樣品B表面噴涂的0.2kg/m2的聚脲涂層填充了樣品B的部分微觀孔隙，所以當輪胎在樣品B上滑動時樣品B表面對輪胎的摩擦力會有所減少。當聚脲用量為0.4kg/m2時，TD和BPN的下降率分別為21.51%和25.04%。究其原因，還在于噴涂的聚脲填充了樣品表面的微觀孔隙，但其填充程度大于樣品B，由此可見，如果僅在路面上噴涂單一的聚脲涂層，會使得路面抗滑性能下降，從而增加交通安全隱患。對于樣品D(噴涂量為0.4kg/m2的聚脲涂層和質量為聚脲質量10%的石英砂)，TD和BPN的下降率分別為13.93%和14.48%，與樣品C相比，石英砂彌補了路面抗滑性能的損失，甚至樣品D比樣品B的抗滑性能還略有提高。

紋理特征掃描結果如圖8所示。掃描得到的數(shù)據(jù)通過計算解析得到折線圖，如圖9所示。

圖8 紋理掃描圖像

掃描結果表明，噴涂聚脲涂層會削弱路面的紋理特征，而噴涂質量為聚脲質量10%的石英砂則可以恢復路面的部分紋理特征。

5 結論

聚脲材料中含有大量的脲基，可以形成雙齒氫鍵。聚脲材料具有較高的極性、結晶度、硬度和熔點，因此具有較好的防水、耐磨、耐腐蝕、耐熱等性能。本文將疏水性好、耐腐蝕性好、耐久性好的聚脲涂料應用于路面。測試了其疏水性、抗凍性、耐磨性和抗滑性。本研究的主要結論總結如下：

(1)聚脲涂料具有優(yōu)異的疏水性和抗凍性，可以改善路面的疏水性。

(2)聚脲涂層具有優(yōu)良的耐磨性能，噴涂在路面上可以提高路面的耐磨性。

圖9 掃描數(shù)據(jù)折線圖

(3)在路面上噴涂聚脲涂層會降低其抗滑性能，為了減少聚脲涂層對路面抗滑性能的損失，可撒布一定量的石英砂恢復路面的部分抗滑性能和紋理特征。

(4)考慮到聚脲涂料的價格和抗滑性能，建議聚脲涂料的噴涂量為0.2kg/m2，石英砂的適宜撒布量還有待進一步研究。