超疏水仿生水泥路面防覆冰设计及模型试验

高英力，李学坤，黄 亮，袁 江，余先明

(长沙理工大学，桥梁工程安全控制省部共建教育部重点实验室，长沙 410004)



超疏水仿生水泥路面防覆冰设计及模型试验

高英力，李学坤，黄 亮，袁 江，余先明

(长沙理工大学，桥梁工程安全控制省部共建教育部重点实验室，长沙 410004)

借鉴荷叶表面微构造特征，基于超疏水仿生理念，通过微纳米路表构建与超疏水涂层设计相结合，对传统水泥路面表层进行防覆冰、易除冰复合设计；分析超疏水材料的作用机理以及在路面应用的可行性，制备由主体结构混凝土层和超疏水-防覆冰层组成的路面板结构模型。对比超疏水路面和普通水泥路面表层的水滴接触角大小，分析其路面疏水性能；利用自主设计的“摆锤式附着强度”测试装置以及劈裂实验法测试试件“冰-路”附着强度。结果表明：对比普通水泥路面，超疏水-防覆冰路面表现出优良的超疏水性能，冰与路面的附着力大大降低，试验中残留附着冰的质量以及冰与路面的劈裂强度分别是普通水泥路面的36.80%和27.36%。

超疏水； 防覆冰； 水泥混凝土路面； 设计； 试验

1 引 言

水泥混凝土路面是公路路面结构的重要组成部分，我国地域辽阔，气候差异大，道路交通受气候影响显著，冬季低温条件下“冰-路”附着力大且冰渣嵌入路表间隙，导致常用的除冰技术效率较低，特别是在极端雨雪冰冻条件下，路表水尚未排走就已结冰，导致路面结冰不易处理，降低交通运营能力，引发安全性问题，甚至导致公路全线瘫痪，这种现象在我国中南地区尤为严重。目前，国内外应用的除冰技术主要分为主动抑制路面结冰技术和被动抑制路面结冰技术[1]。主动抑制路面结冰技术是通过在道路工程建设中预先采用某些技术或材料使路面具备特有功能，达到融雪除冰目的，如发热电缆融雪化冰技术[2]、道路微波除冰技术[3]、太阳能集热融雪化冰技术[4]、相变储能控温路面融雪化冰技术[5]等；被动抑制路面结冰技术是在路面结冰之后采取的一系列方法，主要有撒融雪剂法、人工清除法、机械清除法等。上述方法在一定程度上可起到防冰效果，但总体来看效率不高，甚至有些方法(例如撒融雪剂法等)对路面造成一定损害，且对土壤、水体和大气等造成污染，破坏生态环境。因此，进一步寻找环保、高效且对路面损害小的除冰技术十分必要。

超疏水材料是一种新型的表面功能处理材料，具有较好的疏水、疏冰效果，已被广泛应用于电力、国防、农业和房建等领域[6,7]，但在公路交通领域还未见系统报道。因此，本研究在分析和介绍超疏水材料应用原理基础上，将其引入水泥混凝土路面，通过微纳米路表构建与超疏水涂层设计相结合，对普通水泥混凝土(Ordinary Portland Cement Concrete简称OPC)路面表层进行多元协同复合阶层防覆冰设计和制备，开发出超疏水-防覆冰水泥混凝土(Super-hydrophobic Anti-icing Cement Concrete简称SAC)路面结构；在此基础上，进一步开展路面疏水性能及“冰-路”附着强度试验研究，预期成果的获得，可在一定程度上改善水泥路面在冬季极端雨雪条件下的防冻抗滑性能，保证行车安全，并为其在实际工程中的推广应用提供一定的理论和实践基础。

2 试 验

2.1 超疏水材料及SAC路面可行性分析

荷叶表面微观结构产生自清洁性的发现引起了人们的关注，被称为“荷叶效应”。江雷[8]认为这种自清洁的特征是由粗糙表面上微米结构的乳突、表面疏水的蜡状物质以及纳米结构的存在引起的，水在这种超疏水表面上具有较大的接触角及较小的滚动角，如图1、图2所示。Onda[9]通过在粗糙表面上涂刷低表面能物质制备超疏水涂层，开拓了物质表面防覆冰研究的新思路。Sunil M.Rao[10]首次将超疏水材料应用到路面上，其研究表明，超疏水材料的使用，降低了路面水结冰温度、延长了结冰时间，充分证明SAC路面设计与应用是完全可行的。

图1 荷叶表面微观结构Fig.1 Micro structure of lotus leaf surface

图2 水滴在荷叶表面的微观状态Fig.2 The micro state of water-drop on lotus leaf

2.2 超疏水材料的作用机理

根据超疏水原理可知，超疏水固体界面主要从促进液滴滚落、延缓水的结晶以及降低冰的附着强度三个方面[11-13]表现出较好的防覆冰性能。

(1)促进液滴滚落

超疏水界面由于微纳米粗糙结构的存在，基质表面的凹槽被空气占据，水珠与基质的接触面积只有总接触面积的10%左右，其表面还具有极低的滚动角。因此，水滴与基质附着力大大降低，特别是在路面横坡、风力的作用下，使液滴很容易从路面滚落。

(2)延缓水的结晶

液滴在基质表面由液态转变为稳定的固态需要克服吉布斯自由能差，特定液滴成核所需的吉布斯自由能主要与液滴的静态接触角正相关，增大接触角可以增大能量势垒，延缓晶核形成时间，防覆冰涂层通过抑制冰的成核来延缓水的结晶，从而使水在结冰之前脱离路面，达到延缓结晶的目的。

另外，各基层党组织入党积极分子平均培养周期差距较大。其中，平均培养周期最短的为2.6年，最长的达到6.2年。

(3)降低冰的附着强度

影响冰对物体表面的附着力的因素非常复杂，有许多机理尚不明确，目前学术界定性的认为冰的附着强度与接触角成负线性相关，一般情况下，对于水和冰而言，二者与其接触基质的相互作用是相似的，满足公式(1)。SAC路面通过合理构建微纳米粗糙界面，阻止水分进入粗糙界面的凹槽而结冰，进而减小冰与基质表面的接触面积，降低冰与基质的附着力。

wa=γLV(1+cosθ)

(1)

2.4 SAC路面设计及原理

根据对SAC路面理论基础的研究，将超疏水材料引入到水泥混凝土路面设计中，通过微纳米路表构建与超疏水涂层设计相结合，对OPC路面表层进行防覆冰设计，结构模型如图3所示。

图3 路面板结构Fig.3 Structure of pavement slab

图4 路面细部结构示意图Fig.4 The diagram of pavement detail structure

由图3可知，SAC路面由两层构成，由下至上依次为主体结构混凝土层和超疏水-防覆冰层(又称表面功能层)，其中主体结构混凝土层的厚度占整个路面板结构的80%～90%(根据现场实际情况而定)，其性能与普通道路混凝土相似；超疏水-防覆冰层通过掺入一定量聚乙烯醇纤维和钢渣，使其强度和耐磨性得以大幅提高，同时在其表面涂刷经复配得到的超疏水复合功能材料，从而制备出SAC路面。

在混凝土表面构建微纳米二级结构，其核心技术在于降低界面自由能，经过前期试验优选，最终确定利用经复配的硅烷类材料对其表面进行低表面能修饰。为了进一步构建表面微纳米二级结构，在超疏水-防覆冰层的制备过程中掺入了微米直径高模量纤维使二者有机融合，再利用低表面能物质对其表面进行超疏水改性，使其获得持久稳定的超疏水性能。修饰后的水泥混凝土路面细部结构示意图如图4所示。

3 SAC制备

3.1 原材料

水泥：长沙坪塘水泥有限公司生产的P·O 42.5水泥；细骨料：湘江河砂，含泥量1%，细度模量2.5；粗骨料：5～20 mm连续级配碎石，含泥量1.5%，压碎指标6.2%；粉煤灰：湖南湘潭电厂Ⅰ级粉煤灰，比表面积450 m2/kg；纤维：采用高强度聚乙烯醇纤维(PVA)，长径比为428～1071，杨氏模量不小于40 GPa，抗拉强度不小于1.6 GPa；纳米SiO2由市场购得；疏水材料：由硅烷类材料经复配而得。

3.2 混凝土组成及性能

超疏水-防覆冰路面其材料组成、要求、性能等指标如表1所示。

从表1可以看出，主体水泥混凝土结构层和表面功能层材料的力学性能均满足规范要求。其中，超疏水-防覆冰层混凝土掺入高耐磨材料钢渣粉和高抗裂材料聚乙烯醇纤维，不仅有效改善表面耐磨与抗裂性能，且由于粗糙度的提高从而降低了表面自由能，同时整体水泥混凝土的力学性能也得到大幅提升，其28 d整体抗压强度达到58.2 MPa，抗折强度达到6.31 MPa。

表1 路面混凝土组成及性能Tab.1 Composition and performance of pavement concrete

3.3 模型制备

按照上述结构设计原则和材料要求进行SAC路面模型制备。试验模具尺寸为450 mm×350 mm×80 mm，如图5a所示。主体结构混凝土层严格按照《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(JTG/TF30-2014)进行浇筑，其厚度约为65 mm，为保证两层之间的粘结性，两层连续浇筑，由下至上一次成型，无需等待。超疏水-防覆冰层浇筑时应严格控制各材料的用量，为达到更好的疏水防冰效果，将其搅拌均匀，制作完毕后在标准养护条件下养护24 h。待其硬化后，对表面进行粗糙处理，清洗并干燥，之后在其表面涂刷超疏水复合功能材料得到超疏水-防覆冰层。为达到良好的疏水、耐久性能，在表面处理后用塑料薄膜进行覆盖，直至表面充分干燥，如图5b、c所示。

图5 路面模型制备过程(a)试验模具;(b)试件制备;(c)塑料薄膜覆盖养护Fig.5 Preparation process of pavement model

4 SAC路面性能试验

4.1 疏水性能试验

分别取SAC试件和OPC试件，进行疏水性能定性分析，结果如图6、图7所示。

图6 SAC试件上的水滴Fig.6 Water-drop on SAC specimen

图7 OPC试件上的水滴Fig.7 Water-drop on OPC specimen

由图6和图7可以看出水滴在OPC表面可自由铺展开，铺展高度H远远小于铺展半径R，而SAC表面水滴更加圆润，液滴呈现出圆球状。显然，SAC表面已经具备优良的超疏水性能。

4.2 “冰-路”附着强度试验

4.2.1 摆锤式附着强度表征法

目前，国内外尚缺乏简单、易行的“冰-路”附着强度测试技术和评价方法，因此，本研究通过自主设计，开发了“摆锤式附着强度”测试装置来测定冰的残留率(如图8所示)，并通过冰的残留率来间接反映“冰-路”附着强度。其工作原理为：将试件固定在可调节固定夹座上，通过落锤自由下摆产生的竖向冲击力和水平剪切力破冰，测定冰的残留率。摆锤的冲击力度可通过落摆的角度和摆头上砝码的数量调节。

图8 “冰-路”附着强度测试装置示意图 1.基座2.固定夹座3.刻度盘4.T型摆头5.伸缩杆6.控制手柄7.砝码Fig.8 The diagram of Ice-Road adhesion strength test device

具体试验方法：①取试件放入相对湿度60%、-(10±2) ℃的冷冻室 ，在试件表面人工喷洒适量的水(喷洒过程中水全部留在试件表面，无溢出、流失等)，冷冻2 h；②在冷冻室内称量此时试件的质量为m1(精确到0.1 g)，并记录；③将试件固定在基座台的夹座上，调节夹座两端的螺栓固定试件，通过调节收缩杆，使竖直放置的摆头和试件的上表面在同一高度，之后在摆头上串加一定量的砝码；④下压控制柄，将摆头上调到适当位置，然后释放控制柄，任摆头自由下摆并破冰；⑤摆头破冰完毕后去除螺栓，将试件取出，用刷子去除试件表面的破碎冰，之后称量试件的质量m2；⑥清除试件表面所有剩余的残留冰，称量试件质量为m3，计算试件两次的质量差即可得到冰的总质量m1-m3、残留冰的质量m2-m3；⑦通过公式(2)测得冰的残留率。

(2)

分别取6组SAC试件、OPC试件，按上述方法进行试验，试验过程如图9，图10所示，实验结果如表2所示。

图9 OPC试件表面结冰现象Fig.9 Icing phenomenon of OPC specimen surface

图10 SAC试件表面结冰现象Fig.10 Icing phenomenon of SAC specimen surface

表2 试件表面冰的残留率Tab.2 Residual rate of ice on the specimen

图11 SAC和OPC试件表面冰的残留率对比图Fig.11 Contrast diagram about the residual rate of ice on SAC and OPC specimen

图11进一步直观对比SAC试件和OPC试件表面冰的残余情况，从图中可以看出，SAC试件表面冰的残留率仅为30.5%，而OPC试件表面冰的残留率高达82.7%，间接反映出SAC路面冰的附着力远远小于OPC路面，使得路面上的结冰更容易清除。这是因为：①随着接触角θ的增大，“冰-路”之间的附着力随之减小，由“4.1节”可定性得出SAC试件表面水滴的接触角远远大于OPC试件；②OPC表面是亲水性的，水滴在表面铺展后，可迅速渗进孔隙中，结冰后表面的冰与孔隙中的冰形成稳定的物理连接，从而增强OPC表面与冰的附着力；③对于SAC路面，由于表面的微纳米粗糙结构，水滴与表面之间存在大量空气，水分不能渗入孔隙内部，只能在表面结冰，混凝土与冰无内部力学联系，疏冰性较强，因此SAC路面冰的附着强度远远小于OPC路面。

4.2.2 劈裂试验法

在“摆锤式附着强度表征法”的基础上，进一步设计了劈裂实验法来研究“冰-路”附着强度。具体试验步骤：①分别将提前制备好的100 mm×100 mm×100 mm的SAC试件、OPC试件放入400 mm×100 mm×100 mm的钢模中，两试件中间用塑料膜隔开，两端各留出100 mm的距离，如图12(a)所示；②在两端空槽中加满水(和水接触的试件侧面为试验面)，放进(-10±2) ℃的冷冻室，4 h后取出，此时试件和水已经凝结成两个200 mm×100 mm×100 mm的长方体结冰混凝土试件，如图12(b)所示；③拆模，将结冰的混凝土试件放在压力机上，在试件和冰的界面两端放两根圆弧形垫条并加压直至劈裂，实验过程如图13所示；④记录并分析，结果如表3所示。

图12 试件成型过程Fig.12 Specimen molding process

图13 劈裂试验示意图Fig.13 Split test diagram

表3 劈裂强度值Tab.3 Splitting strength value

由表3数据可知，SAC试件的劈裂强度值为1.10 MPa，OPC试件的劈裂强度值为4.02 MPa，其大小是SAC试件的3.6倍。由此可见，SAC路面大大降低了“冰-路”之间的相互作用力，反映了路面结冰在SAC路面上的附着强度低于OPC路面，有效降低了路面除冰的难度。

5 结 论

(1)分析了超疏水材料的理论基础，并通过探讨超疏水固体界面促进液滴滚落、延缓水的结晶以及降低冰的附着强度三个方面的作用机理，论证了超疏水复合材料在路面应用的可行性；

(2)借鉴荷叶表面微构造特征，基于超疏水仿生理念，通过微纳米路表构建与超疏水涂层设计相结合，对传统水泥路面表层进行了防覆冰复合设计，并开展了模型制备及实验；

(3)对比普通水泥路面，水滴在超疏水-防覆冰层上表现出良好的疏水效果；“冰-路”附着强度大大降低，路面残留附着冰质量以及“冰-路”劈裂强度仅为普通水泥路面试件的36.80%和27.36%，有效降低了路面除冰难度。在后续研究中，将进一步开展实际公路路面工程的应用研究，并在实际工程中进行检测和评价。

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Anti-icing Design and Model Test of Super Hydrophobic and Bionic Cement Pavement

GAOYing-li,LIXue-kun，HUANGLiang，YUANJiang，YUXian-ming

(Key Laboratory of Bridge Engineering Safety Control by Hunan Province,Department of Education,Changsha University of Science & Technology,Changsha 410004,China)

Using the micro structure characteristics of lotus leaf surface for reference,based on the concept of super hydrophobic bionic,combining Micro-Nano pavement building with super hydrophobic coating design,traditional cement pavement was designed to prevent ice by multi-layer methods.The mechanism of super hydrophobic materials and the feasibility of its application to the pavement were analyzed,the pavement structure model of the main structure concrete layer and the super hydrophobic-anti icing layer was made.Compared to the contact angle of super hydrophobic surface and ordinary cement pavement,the surface hydrophobic properties were analyzed.Using the independent design test device of pendulum adhesion strength and split test method,the Ice-Road System adhesion strength of specimen was tested.Results indicate that super hydrophobic-anti icing pavement has a good hydrophobic effect and the surface adhesion of Ice-Road System is reduced greatly contrasting with ordinary cement pavement.The quality of the residual ice and the splitting strength of Ice-Road System in the test are 36.80% and 27.76% of the common cement pavement,respectively.

super hydrophobic;anti-icing;cement concrete pavement;design;test

湖南省交通厅科技计划项目(201313)；长沙理工大学桥梁工程安全控制省部共建教育部重点实验室开放基金项目联合资助

高英力(1977-)，男，教授，硕导.主要从事新型道路建筑材料方面的研究.

U416

A

1001-1625(2016)10-3288-07