生物AFP改性乳化瀝青涂層制備及抗冰凍性能研究

黃富斌,陳 東,湯彬彬,鄧國(guó)忠

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

在寒冷冰凍地區(qū),道路結(jié)冰嚴(yán)重降低了路面的抗滑能力,相比于雨雪造成的危害更加嚴(yán)重,顯著影響了人們的出行安全和交通系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。

近年來對(duì)于除雪融冰的研究越來越多,根據(jù)已有研究成果可知,除雪融冰技術(shù)主要分為主動(dòng)和被動(dòng)兩種方式,其中被動(dòng)除雪融冰方式效果較差,人力物力消耗大且效率較低,所以近年來針對(duì)主動(dòng)除雪融冰方式的研究相對(duì)增加[2]。目前路面主動(dòng)除雪融冰的技術(shù)包括彈性路面融雪技術(shù)、耐磨防滑技術(shù)、能量轉(zhuǎn)換融雪技術(shù)、化學(xué)防凍技術(shù)和融雪路面涂層技術(shù)等[3]。

陳明宇[4]根據(jù)武漢理工大學(xué)開發(fā)的太陽能融雪路面相關(guān)技術(shù),分析得出加熱管間距、埋深、外部環(huán)境對(duì)融雪時(shí)間有顯著影響。王永鋒等[5]欲提高除雪融冰速率,研發(fā)了一種具有高彈性的儲(chǔ)鹽瀝青混合料,其中起到高彈作用的是馬菲隆和橡膠顆粒,該瀝青混合料除冰性能提高近五倍。韓紅衛(wèi)等[6]基于延遲寒冷天氣下路面凍結(jié)時(shí)間的理念,制備了一種超高溫憎水涂層,并減少冰與道路之間的粘附力,路面抗滑性能得到顯著提高。楊泓全等[7]將鋼渣作為骨料添加到瀝青混凝土中以提高瀝青路面的電融雪導(dǎo)電性,報(bào)告中指出當(dāng)鋼渣摻量為6%時(shí),導(dǎo)熱效果最佳。莊知博等[8]利用丙烯酸復(fù)合碳納米管制備形成丙烯酸超疏水涂層,當(dāng)水滴與涂層接觸時(shí)接觸角和滾動(dòng)角分別為155°和4°,比普通瀝青路面上水滴凍結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)17%,唐明等[9]進(jìn)一步使用SiO2納米粒子和聚甲基丙烯酸甲酯制備了最大接觸角為168°的超疏水涂層,大大降低了路面結(jié)冰的程度。雖然上述主動(dòng)除雪融冰技術(shù)達(dá)到了一定效果,但是在施工技術(shù)、能源消耗、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、應(yīng)用范圍等方面還有一些問題需要解決。

為了實(shí)現(xiàn)路面快速除雪融冰,又能做到節(jié)能環(huán)保、施工方便,本文基于生物AFP改變冰晶體形態(tài)并降低冰點(diǎn)的原理,使用生物AFP粉末代替?zhèn)鹘y(tǒng)的疏水材料或防冰劑改性乳化瀝青,制備一種生物AFP改性乳化瀝青涂層,并在此基礎(chǔ)上對(duì)不同生物AFP摻量和凍結(jié)溫度下AFP改性乳化瀝青涂層材料的儲(chǔ)存穩(wěn)定性和抗冰凍性能進(jìn)行了科學(xué)評(píng)價(jià),為寒冷冰凍條件下安全出行提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 原材料及試樣制備

1.1 原材料

1.1.1 基質(zhì)乳化瀝青

本研究制備生物AFP改性乳化瀝青的基礎(chǔ)是基質(zhì)乳化瀝青,其品質(zhì)的優(yōu)劣直接影響試驗(yàn)結(jié)果的好壞,所以本文采用自制的方式獲取性能符合需求的基質(zhì)乳化瀝青,技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 基質(zhì)乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)表

1.1.2 生物抗凍蛋白粉末

本研究采用國(guó)產(chǎn)的深海鱈魚皮作為生物抗凍蛋白粉的原材料,其主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 生物抗凍蛋白粉特性表

1.2 試樣制備

為了保證AFP改性乳化瀝青的均勻性,制備試樣時(shí),首先將AFP粉末加入去離子水中混合均勻,接著將AFP混合水溶液直接加入制備好的基質(zhì)乳化瀝青中,可快速簡(jiǎn)單地制備指標(biāo)合格、性能穩(wěn)定的AFP改性乳化瀝青。制備過程見圖1。

圖1 AFP改性乳化瀝青制備過程示意圖

2 試驗(yàn)方法

2.1 儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)

將制備好的AFP改性乳化瀝青注入規(guī)范要求的專用試驗(yàn)管內(nèi),使液面正好位于250 mL刻度處,在室溫下靜置1晝夜或5晝夜,然后分別從上支管以上、下支管以下部分稱取相同質(zhì)量的改性乳化瀝青,測(cè)定并計(jì)算其蒸發(fā)殘留物含量之差,以此評(píng)價(jià)乳化瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

2.2 粒度分析試驗(yàn)

粒度分析試驗(yàn)采用粒度分析儀,其具有成像采集、不間斷捕捉、數(shù)據(jù)自動(dòng)處理等功能,可快速檢測(cè)乳化瀝青顆粒大小和分布狀況,且檢測(cè)結(jié)果圖像清晰、數(shù)據(jù)精確、操作簡(jiǎn)便,以此評(píng)價(jià)乳化瀝青的品質(zhì)和穩(wěn)定性。

2.3 抗冰凍試驗(yàn)

抗冰凍試驗(yàn)采用觀察法進(jìn)行,在-3 ℃、-6 ℃、-10 ℃這3個(gè)溫度下觀察AFP改性乳化瀝青的凍結(jié)情況,以此得出不同AFP摻量對(duì)乳化瀝青的抗冰凍效果的影響。具體過程為:(1)將一定質(zhì)量的不同AFP摻量的改性乳化瀝青倒入玻璃器皿中,待其完全破乳后放入溫度可調(diào)的環(huán)境箱中;(2)設(shè)置環(huán)境箱的溫度為設(shè)計(jì)溫度,等到試樣溫度分別降到-3 ℃、-6 ℃、-10 ℃時(shí),將一定量的0 ℃去離子水倒在試樣表面;(3)每15 min記錄一次AFP改性乳化瀝青試樣的凍結(jié)狀態(tài)。

2.4 附著力試驗(yàn)

為了驗(yàn)證AFP改性乳化瀝青與冰面的粘附性,本研究使用國(guó)外生產(chǎn)的拉拔附著力試驗(yàn)儀,試驗(yàn)步驟如下:(1)將不同AFP摻量的改性乳化瀝青倒入皮氏培養(yǎng)皿中,待其完全破乳;(2)使用4根金屬條圍成一個(gè)矩形框,用膠水將其粘合成一個(gè)整體,面積應(yīng)稍大于試驗(yàn)儀主軸底座的面積,以使主軸順利進(jìn)入,將制成的金屬框插入完全破乳的乳化瀝青中約5 mm;(3)注入一定量的去離子水進(jìn)行冷凍,同時(shí)將主軸底座放入冰箱冷凍,當(dāng)去離子水表面形成薄冰時(shí),將主軸放置在金屬框中,待去離子水完全凍結(jié)后拆除金屬框,并進(jìn)行附著力測(cè)試。如圖2所示。

圖2 附著力試驗(yàn)示意圖

2.5 落球沖擊試驗(yàn)

落球沖擊試驗(yàn)的設(shè)計(jì)目的是真實(shí)模擬行駛車輛在結(jié)冰路面的受力情況,具體操作如下:(1)采用透明塑料板制成圍堰,使其固定在成型好的馬歇爾試件上,圍堰外露高度為2 cm;(2)將固定好圍堰的馬歇爾試件放入冰箱中冰凍至設(shè)計(jì)溫度,在試件表面澆注30 mL去離子水進(jìn)行完全冰凍;(3)使鋼球從固定高度自由下落撞擊冰面,觀察冰層的破裂狀態(tài),采用Image Pro Plus模型計(jì)算冰面損傷率,以此評(píng)價(jià)AFP改性乳化瀝青對(duì)冰層強(qiáng)度的影響。

(1)

式中:P——冰面損傷率(%);

S——損壞和開裂面積之和(cm2);

k——裂縫與面積換算系數(shù),k=3;

L——裂紋總長(zhǎng)度(cm);

A——試樣總面積(cm2)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)

對(duì)制備好的AFP改性乳化瀝青進(jìn)行儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn),AFP摻量分別為0、1%、3%、5%、7%,試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同AFP摻量的改性乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果表

由表3的試驗(yàn)結(jié)果可知,AFP摻量≤5%時(shí),AFP改性乳化瀝青的1 d儲(chǔ)存穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求,而當(dāng)摻量再增加時(shí)即出現(xiàn)明顯的分層和聚集,所以當(dāng)AFP摻量≤5%時(shí),AFP改性乳化瀝青均表現(xiàn)出較好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

3.2 粒度分析試驗(yàn)

粒度分析試驗(yàn)采用各組成成分通過率為95%時(shí)的最大粒徑表征,顆粒粒徑越小表示乳化瀝青分布越均勻,儲(chǔ)存穩(wěn)定性越好。本研究分別對(duì)試驗(yàn)管上、中、下不同部位的AFP改性乳化瀝青進(jìn)行粒度分析試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 5%AFP摻量的改性乳化瀝青試管下部粒度分析試驗(yàn)結(jié)果曲線圖

由圖3可知,顆粒粒徑通過率為95%時(shí)的最大粒徑為僅為10μm,表示5%AFP摻量時(shí)試驗(yàn)管下部改性乳化瀝青各組成顆粒分散均勻,表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性,由此證明AFP摻量≤5%的改性乳化瀝青均可表現(xiàn)出良好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性,AFP粉末的改性過程僅為物理變化過程,各組成成分分散均勻,可進(jìn)一步用于AFP改性乳化瀝青抗冰凍性能的研究。

3.3 抗冰凍試驗(yàn)

根據(jù)前文的試驗(yàn)方案對(duì)不同摻量AFP改性乳化瀝青進(jìn)行抗冰凍試驗(yàn),試驗(yàn)得到其不同溫度下的凍結(jié)狀態(tài)和完全凍結(jié)所需時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同AFP摻量的改性乳化瀝青抗冰凍試驗(yàn)結(jié)果表

由表4的試驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)設(shè)定溫度一定時(shí),試樣表面完全凍結(jié)所需的時(shí)間隨AFP摻量的增加而延長(zhǎng);當(dāng)AFP摻量一定時(shí),試樣表面完全凍結(jié)所需時(shí)間隨著溫度的降低而縮短,反映出AFP在不影響客觀規(guī)律的前提下對(duì)乳化瀝青具有明顯的抗冰凍效果。當(dāng)試驗(yàn)溫度為-3 ℃時(shí),未摻AFP改性乳化瀝青完全凍結(jié)需要100 min,1%摻量AFP改性乳化瀝青完全凍結(jié)需要230 min,而3%摻量和5%摻量AFP改性乳化均未完全凍結(jié);當(dāng)試驗(yàn)溫度為-6 ℃時(shí),未摻AFP改性乳化瀝青完全凍結(jié)需要70 min,1%摻量AFP改性乳化瀝青完全凍結(jié)需要140 min,3%摻量AFP改性乳化瀝青完全凍結(jié)需要220 min,而5%摻量AFP改性乳化未完全凍結(jié);當(dāng)試驗(yàn)溫度為-10 ℃時(shí),未摻AFP改性乳化瀝青完全凍結(jié)需要45 min,1%摻量AFP改性乳化瀝青完全凍結(jié)需要120 min,3%摻量AFP改性乳化瀝青完全凍結(jié)需要180 min,而5%摻量AFP改性乳化未完全凍結(jié)。由上述試驗(yàn)結(jié)果可知,AFP改性乳化瀝青具有很好的防冰凍效果,且隨著AFP摻量的增加,防冰凍效果越好。這是由于AFP本身具有熱滯后活性,在冰凍條件下可顯著降低水的冰點(diǎn),形成的冰晶體可在較低溫度下持續(xù)存在,不致被完全凍結(jié)影響行車安全。

3.4 附著力試驗(yàn)

附著力試驗(yàn)可有效驗(yàn)證AFP對(duì)層間(冰與瀝青層)粘附力的影響效果,本研究對(duì)不同AFP摻量的改性乳化瀝青進(jìn)行附著力試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 冰與瀝青層間附著力試驗(yàn)結(jié)果曲線圖

由圖4的變化趨勢(shì)可知,未摻AFP的改性乳化瀝青破乳后,冰與瀝青層的層間粘附力明顯大于已添加AFP的改性乳化瀝青,且粘附力隨AFP摻量的增加而逐步減小。主要原因是生物抗凍蛋白AFP可以改變冰晶的形態(tài),以致于改變了冰晶在低溫環(huán)境下的變化形態(tài)。正常情況下,水的凍結(jié)過程為從液態(tài)水分子逐步變成扁晶體,再進(jìn)一步變成六邊形尖錐體,而在添加了AFP后,隨著AFP摻量的增加和冰凍作用時(shí)間的延長(zhǎng),冰晶的形態(tài)逐漸趨于針狀,因此冰和瀝青間的接觸面積逐漸減小,附著力進(jìn)一步降低。

3.5 落球沖擊試驗(yàn)

落球沖擊試驗(yàn)通過Image Pro Plus模型得出沖擊后試件的損傷和開裂的面積,進(jìn)一步計(jì)算出試件冰層損傷率。不同AFP摻量的改性乳化瀝青落球沖擊損傷率見圖5。

圖5 試件表面冰層落球沖擊損傷率試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

由圖5可知,AFP含量為0時(shí)試件的落球沖擊損傷率僅為2.23%,摻量為1%、3%、5%時(shí)的損傷率相比于未摻AFP時(shí)分別增加6.32%、10.73%、28.44%,隨著AFP摻量的增加,試件的落球沖擊損傷率不斷增大。這是由于AFP的添加可改變冰的結(jié)晶狀態(tài),試件表面不同程度地出現(xiàn)氣泡和條紋,表明冰層的密度和硬度逐漸降低,冰與試件表面的附著力降低,完全凍結(jié)后更容易沖擊開裂,顯示出極佳的主動(dòng)除冰效果。

4 結(jié)語

本文通過制備不同AFP摻量的改性乳化瀝青,對(duì)其儲(chǔ)存穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試,并對(duì)其防凍性能進(jìn)行研究,得到以下主要結(jié)論:

(1)制備AFP改性乳化瀝青為物理變化過程,AFP的摻量應(yīng)≤5%,在合理摻量范圍內(nèi),其穩(wěn)定性表現(xiàn)良好,各組成顆粒分散均勻且粒度均<10μm。

(2)AFP摻量和環(huán)境溫度對(duì)AFP改性乳化瀝青的抗冰凍性能有顯著影響。在AFP摻量相同時(shí),環(huán)境溫度越低,完全凍結(jié)所需的時(shí)間越短;在相同溫度下,AFP摻量越大,完全凍結(jié)所需時(shí)間越長(zhǎng),可有效抑制水的凍結(jié)。

(3)AFP改性乳化瀝青涂層可顯著降低冰晶的附著力。隨著乳化瀝青中AFP摻量的增加,試件表面凍結(jié)后氣泡含量和條紋逐漸增多,落球沖擊損傷率也隨之增加。