一種疏水抑冰超薄磨耗層的應用

吳 松，楊聰利，常 鋒，尹媛媛

（1.中交公路規劃設計院有限公司，北京 100035；2.長安大學公路學院，陜西 西安 710064）

1 引言

近年來，我國極端天氣頻現，降雪導致路面結冰給人們的生產生活造成嚴重影響，由此也引發了許多交通事故。目前應用較多的道路除冰雪方法大致分為被動除冰雪方法與主動除冰雪方法[1]兩類。被動除冰雪方法包括撒鹽等融雪材料、人工及機械清除，此類方法雖然具備較好的除冰雪效果，但容易對環境及道路本身產生不良影響，同時清除過程會耗費大量資源。因此道路工作者一直致力于研究主動除冰雪技術。主動除冰雪方法包括鹽化物融雪路面、熱力融雪路面、抑制凍結鋪裝路面以及路面疏水涂層等。

國內外研究學者對疏水抑冰路面做了大量研究。李耘祿[2]采用飽和氯化鈉溶液充分浸泡多孔復合集料后進行級配設計、瀝青混合料攤鋪，依靠依數性定理分析抑冰效果、抗滑性能和抗紫外老化性能。1976 年，Siegmund Wener 等總結前人研究經驗，首次提出“多孔載體”概念。首先破碎多孔載體至集料大小的顆粒狀，然后將破碎顆粒浸泡于含有融雪劑的溶液使融雪劑填充于載體孔隙，之后加入混合料，依靠材料破壞實現道路融雪除冰[3]。Won J P等[4]研究了一種可融雪的開放式導電加熱路面系統。通過設置新型路面系統并測量混凝土保護層表面溫度和導電性水泥基復合材料內部溫度，以此確定路面系統熱導率。California DOT[5]摻加廢舊橡膠細顆粒于瀝青混合料并在加州鋪筑試驗路，通過長期觀測試驗路使用狀況，路面出現了裂縫和車轍等病害，但整體效果良好。李月光等[6]將ZnO超疏水表面材料涂刷于瀝青路表，并進行抗凝冰技術研究，研究發現該涂層對瀝青路面疏水性能有一定積極作用，對抗滑性的不利影響也滿足規范要求，但耐久性存在缺陷，車輪荷載作用會磨損涂層，降低疏水性能。豆懷兵等[7]將融雪劑摻加于乳化瀝青，通過測試此混合物的電導率、儲存穩定性和蒸發殘留物含量等指標確定融雪劑最佳摻量和攪拌時間，以此評價疏水抑冰性能。

綜上所述，各類主動型除冰雪方法也均存在一定弊端，鹽化物融雪路面鹽分析出不規律及使用后期除雪功效下降嚴重；熱力融雪路面因需要預埋熱力管道等設備，項目前期投資大、實用性不強；橡膠顆粒瀝青路面因在瀝青混合料中摻加橡膠顆粒使瀝青混合料本身強度損失，橡膠顆粒易從道路表面脫離，所以此方法仍值得考量；路面疏水涂層雖具備較強的疏水性能，但涂層易從路表脫落，同時會造成路面抗滑性能和表觀紋理特征下降；而疏水抑冰超薄磨耗層在具備優異疏水抑冰性能的同時，具備良好的耐磨耗性、抗滑性以及路用性能，因此對疏水抑冰超薄磨耗層進行研究可以為我國其他疏水路面、融雪路面等的研究和運用提供參考。

2 試驗方法

2.1 原材料

試驗所需主要材料包括：A 成分異氰酸酯、B 成分胺類化合物、C 成分多元醇、D 成分乙酸乙酯，乳化劑、瀝青。A成分可為異氰酸酯單體或聚合體，B成分為由端氨基樹脂（端氨基聚醚）和端氨基擴鏈劑等組成的胺類化合物，D成分具有優異的溶解性[8，9]。乳化劑采用十八烷三甲基氯化銨（1831）乳化劑，室溫下為淡黃色固狀物，活性物含量為69%，游離氨含量為1.6%，pH值為6.7；瀝青采用KLM-70#瀝青，針入度76.3（0.1mm），10℃延度、15℃延度均大于100cm，軟化點47.3℃，測試方法嚴格按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）[10]的相關規定；集料采用玄武巖碎石，采用《公路工程集料試驗規程》（JTG E42—2005）[11]的方法對集料的技術指標進行測試，測試結果見表1～表4。

表1 集料密度測試結果

表2 粗集料技術指標

表3 細集料技術指標

表4 礦粉技術指標

2.2 疏水抑冰超薄磨耗層混合料材料設計

2.2.1 疏水抑冰復合劑制備

疏水抑冰復合劑的制備溫度為20℃室溫環境，制備方法如下：

①在組分A 中加入組分D 形成混合物1，A 組分與D組分的質量比為11：1，同時使用玻璃棒攪拌約1min，使A組分充分溶解于D組分。

②然后在混合物1中加入C組分，與A組分發生聚合反應，生成一種新的混合物2，C組分與A組分的質量比為5：11。

③在混合物2 中，再加入B 組分，與剩余的A 組分發生聚合反應，生成混合物3，B組分與A組分的質量比為3：11，然后高速剪切處理約5min，得到目標產物——疏水抑冰復合劑。

各組分間的所有反應過程均在溶劑D 乙酸乙酯中進行，且最后生成的混合物進行高速剪切處理5min。

制備路面疏水抑冰復合劑的化學反應機理為：A組分與C 組分、B 組分分別發生化學反應，反應機理分別如圖1、圖2所示。

圖1 A組分與C組分化學反應機理

圖2 A組分與B組分化學反應機理

2.2.2 疏水抑冰瀝青制備方法

將疏水抑冰復合劑按一定比例（用量分別為0、2%、4%、6%）加入KLM-70#瀝青中，持續高速攪拌至與瀝青均勻混合，瀝青加熱溫度為150℃。

2.2.3 乳化瀝青制備方法

選用十八烷三甲基氯化銨（1831）乳化劑及KLM-70#瀝青和適量水按一定比例（乳化劑為1.0%，瀝青為60%，水為39%）制備乳化瀝青。按照相關試驗測試乳化瀝青的相關性質[12，13]，測試結果見表5。將制備好的乳化瀝青儲存，在普通瀝青混合料試件表面鋪筑疏水抑冰超薄磨耗層。

表5 乳化瀝青常規性質測試結果

2.2.4 HA-UTWC材料組成設計

礦料級配選用超薄磨耗層礦料級配UTAC-10（細），礦料級配組成見表6。

表6 UTAC-10（細）礦料級配組成

在確定礦料級配后，分別采用4.7%、4.9%、5.1%、5.3%和5.5%的油石比進行瀝青混合料拌合，然后依據馬歇爾設計方法確定最佳油石比。采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）[10]中T 0702—2011的瀝青混合料試件成型方法制作標準馬歇爾試件，即φ101.6mm×63.5mm的圓柱體試件。最終確定的最佳油石比為5.1%，瀝青混合料馬歇爾體積指標見表7。

表7 瀝青混合料馬歇爾體積指標

將制備好的乳化瀝青均勻灑布在普通瀝青混合料試件上，之后將熱拌的疏水抑冰瀝青混合料攤鋪于乳化瀝青上，鋪筑疏水抑冰超薄磨耗層，厚度為20mm。將疏水抑冰超薄磨耗層試件儲存用于后續試驗研究。

2.3 疏水抑冰瀝青技術指標測試

2.3.1 常規技術指標

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）[10]測試疏水抑冰瀝青針入度、軟化點、15℃延度以及135℃布氏黏度等指標。

2.3.2 接觸角

采用接觸角測試儀所測接觸角來表征疏水抑冰瀝青的疏水性質[14]，如圖3 所示。此方法的技術原理為，液滴滴落至固體表面相互接觸時，通過高倍相機或顯微鏡頭等設備將此刻接觸狀態的外形捕獲為圖像，之后利用數字圖像處理和算法計算固-液界面接觸角。接觸角越大，表明疏水性越強。本試驗在環境溫度為15℃時進行。接觸角測試的試驗步驟如下：

圖3 接觸角測試儀

①疏水瀝青試樣成型：將潔凈載玻片的一端插入加熱溫度為150℃的疏水瀝青后拿出懸掛晾干，使其表面平整，瀝青膜厚度約為10mm。

②使用接觸角測試儀進行液滴滴落，滴落前需保持試件表面水平。

③水滴滴落后，利用接觸角測試儀的圖像捕獲和分析功能計算接觸角。

2.3.3 水滴滑落時間

水滴滑落時間是指將疏水抑冰瀝青涂抹于表面光滑的玻璃板上，待其凝固并恢復至室溫后，將玻璃板傾斜至一定角度（7°、10°、15°），在玻璃板頂端滴定量水，通過測試水滴滑落至玻璃板最底端的時間表征疏水抑冰瀝青的疏水性質[15]，測試原理如圖4所示。水滴滑落時間越快，表明疏水抑冰瀝青疏水性越強。

圖4 水滴滑落時間測試示意圖

2.4 疏水抑冰超薄磨耗層疏水性能技術指標測試

采用水滴滑落時間對HA-UTWC 的疏水性能進行表征。由于混合料表面存在紋理特征，水滴滑落時間會受表面紋理特征影響，采用單位長度內水滴滑落時間表征HA-UTWC 的疏水性能。首先采用激光紋理掃描儀（圖5）對試件表面紋理特征進行掃描，采集到試件表面各點高程后用MATLAB程序計算經過這些點的曲線長度，進而換算為每延米混合料試件紋理長度[16，17]。然后測試不同摻量疏水抑冰復合劑的HA-UTWC 試件在不同傾斜角度（15°、20°、25°、30°和45°）的水滴滑落時間，評價疏水性能。每延米水滴滑落時間越短，疏水性能越強。

圖5 AMES激光紋理掃描儀

2.5 疏水抑冰超薄磨耗層抑冰性能技術指標測試

采用鋼球錘擊防覆冰試驗表征HA-UTWC 的抑冰性能。利用425g鋼球在1m高度處自由下落，待鋼球錘擊完成后測算冰層破損面積，測試原理如圖6所示。冰層破損面積越大，HA-UTWC的抑冰性能越強。

圖6 鋼球錘擊防覆冰試驗

2.6 其他路用性能技術指標測試

HA-UTWC的疏水抑冰性能較好，但需對路用性能進行驗證。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）[10]要求，對HA-UTWC 的穩定性進行驗證。同時采用鋪砂法、擺式摩擦儀以及步行式摩擦系數測試儀（WFT）[18]對抗滑性能進行驗證，步行式摩擦系數測試儀如圖7所示，測試速度選擇15m/min。

圖7 步行式摩擦系數測試儀

3 結果與討論

3.1 疏水抑冰瀝青常規技術指標試驗結果

表8 為疏水抑冰瀝青常規技術指標測試結果。由表8 可知，隨疏水抑冰復合劑摻量增加，瀝青針入度降低，軟化點、15℃延度及135℃布氏黏度增大。原因為疏水抑冰復合劑為流動狀液體，具備較好的物理力學性能，摻入瀝青后，未與瀝青組分發生化學反應，僅對瀝青產生物理改性作用。

表8 疏水抑冰瀝青常規技術指標測試結果

3.2 疏水抑冰瀝青疏水性技術指標試驗結果

表9為疏水抑冰瀝青接觸角測試結果，圖8為接觸角測試儀采集的圖像，表10 為疏水抑冰瀝青的水滴滑落時間測試結果。由圖表可知，隨疏水抑冰復合劑摻量增加，疏水抑冰瀝青接觸角增大，水滴滑落時間減少。因為疏水抑冰復合劑摻加在高溫熔化的瀝青中會發生熔融，且隨著瀝青固化逐漸上浮，在瀝青涂刷層表面形成一層連續、致密且具有較低表面能的薄膜，表現出良好的疏水性。

圖8 接觸角測試儀采集圖像

表9 疏水抑冰瀝青接觸角測試結果

表10 疏水抑冰瀝青水滴滑落時間測試結果

3.3 疏水抑冰超薄磨耗層疏水性能技術指標試驗結果

HA-UTWC 的水滴滑落時間測試結果見表11。由表11 可得，隨試樣傾斜角度和疏水抑冰復合劑摻量增加，HA-UTWC試樣的水滴滑落時間減少。將疏水抑冰復合劑摻入瀝青混合料后，在瀝青混合料試件成型過程中熔融后上浮形成一層連續致密的疏水性薄膜，這層薄膜會裹覆在瀝青混合料集料表面，或疏水抑冰復合劑熔融后填充于混合料空隙，使混合料具備較強的疏水性能。

表11 HA-UTWC水滴滑落時間測試結果

3.4 疏水抑冰超薄磨耗層抑冰性能技術指標試驗結果

圖9和圖10分別為鋼球錘擊防覆冰試驗圖片及采用MATLAB 程序測算的冰層破損面積。由圖8 和圖9可以看出，隨疏水抑冰復合劑摻量增加，冰層破損面積增大。呈現出這一規律的原因是疏水抑冰復合劑在瀝青混合料拌合及HA-UTWC 冷卻成型過程中熔融并上浮形成連續致密的疏水性薄膜，這層薄膜具備較低的表面能，會改善路表的疏水性能。當冷水接觸至試件表面時，水滴與試件的接觸角較大，接觸界面會夾雜空氣，接觸面積減小，這樣當積水結冰之后冰層與路面間的粘附性較小，受到外力作用后易于剝離。

圖9 冰層破損效果

圖10 冰層破損面積測算結果

3.5 疏水抑冰超薄磨耗層其他路用性能技術指標試驗結果

HA-UTWC的高溫、低溫及水穩定性試驗結果見表12，抗滑性能測試結果見表13。由表12可知，隨著疏水抑冰復合劑摻量增加，HA-UTWC 的穩定性有所提升。這是因為疏水抑冰復合劑為高分子聚合物，在瀝青混合料高溫拌合過程中熔融后摻雜于瀝青膠漿，改善其粘-彈性特性和黏度等指標，增加了瀝青對集料的粘附性，進而提升瀝青混合料的粘-彈性及強度等指標，因此隨疏水抑冰復合劑摻量增加，瀝青混合料高溫、低溫和水穩定性均逐漸提升。從表13 來看，隨疏水抑冰復合劑摻量增加，HA-UTWC的抗滑性能出現衰減。造成這一變化的原因是疏水抑冰復合劑在瀝青混合料拌合及HA-UTWC 試件成型過程中熔融并填充了部分混合料空隙，同時隨溫度降低，因其表面能較低向混合料表面遷移，在試件表面形成一層連續致密薄膜，損失了路表的部分紋理特征，造成抗滑性能衰減，但抗滑性能仍滿足規范要求，可確保道路安全運營。

表12 HA-UTWC穩定性技術指標試驗結果

表13 HA-UTWC抗滑性能技術指標試驗結果

4 結語

通過對疏水抑冰瀝青的技術指標以及HA-UTWC的疏水抑冰性能、路用性能進行試驗研究，得出以下結論：

①相較于普通瀝青，疏水抑冰瀝青具有針入度小、軟化點高、延度大以及布氏黏度高等優點，同時具備較強的疏水性，在工程建設中可根據實際情況進行選用。

②疏水抑冰超薄磨耗層具備較強的疏水抑冰性能，相較于普通路面，其水滴滑落時間更短、冰層破損面積更大，可以降低路表與冰層間的粘附力，更有利于冬季道路除冰。

③疏水抑冰超薄磨耗層具備較強的穩定性，60℃動穩定度、破壞最大應變量與凍融劈裂強度比均優于普通路面，能適應環境變化，具備更廣泛的適用范圍。

④疏水抑冰超薄磨耗層具備優異的疏水抑冰性能和穩定性，雖會造成路面抗滑性能有一定程度衰減，但抗滑性仍能滿足規范要求，能夠確保道路安全運行。