抗凝冰乳化沥青涂层的性能研究

唐士润 张兴军 马伟中 汪首元

（1 甘肃公路发展集团有限公司 甘肃省高等级公路养护工程研究中心，甘肃 兰州 730070；2 甘肃省公路路网监测重点实验室，甘肃 兰州 730070）

0 引言

道路路面积雪结冰问题已经严重影响了冬季公路交通安全[1]。各国道路交通部门多年来开展了大量的研究工作，探索出了多种道路表面积雪结冰清除技术和方法。其中，基于橡胶颗粒的自应力弹性沥青路面铺装技术、抗凝冰沥青路面铺装技术都主要应用于新建公路路面除冰雪，不能解决已通车路面的融雪难题[2-4]。而撒布融雪剂和砂石材料、人工和机械清除积雪、热力融雪等被动清除路面积雪的方法虽然可以应用于通车路面融雪，但是，这些措施效率较低[5]。为此，开发抗凝冰涂层材料对于解决路面融雪化冰难题可以提供一种途径。抗凝冰乳化沥青涂层主要结合雾封层预防性养护技术，将防止积雪结冰的融雪材料按一定比例加入乳化沥青粘结材料中，并涂洒于道路表面，从而起到路面养护和抗凝冰的作用[6]。本文采用自制融雪剂制备抗凝冰乳化沥青涂层，对涂层材料与集料的粘附性能、抗滑性能与抗凝冰性能进行分析测试，得出适用于冬季路面养护的抗凝冰材料，为冬季预防性养护措施提供借鉴。

1 原材料与实验方案

1.1 原材料

采用的乳化沥青为阳离子慢裂快凝型乳化沥青，按照《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的要求对其进行基本指标的检测，各项指标均满足规范要求。

本文使用了课题组自主研发的抗凝冰材料。首先将醋酸钾、醋酸钠、醋酸铵、氯化钠等原材料进行干燥，待其恒温质量无变化时将其碾碎、研磨至晶体或粉末状；然后按照得到的最优配比分别称取醋酸钾、醋酸钠、醋酸铵和氯化钠，将其放置于可搅拌容器中对其进行充分搅拌，务必使其混合均匀；最后将搅拌均匀的混合物再次进行干燥，待其干燥完毕后再次将其碾碎、研磨至粉末状，密封保存。

1.2 实验方案

以阳离子乳化沥青为载体，将自制固态型融雪剂按乳化沥青质量的5%、10%、15%加入乳化沥青中，高速剪切混合均匀成涂层乳液，并对其粘附性能、抗滑性能和抗凝冰性能等主要性能进行了研究。

2 抗凝冰乳化沥青涂层粘附性能

为确保抗凝冰乳化沥青涂层喷涂于路面上与集料粘结牢固，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中乳化沥青与粗集料粘附性的试验方法，对掺配不同比例自制固态型融雪剂抗凝冰乳化沥青混合液与石灰岩粗集料的粘附性进行了验证评价。以普通乳化沥青为参照组，对比分析了自制固态型融雪剂对乳化沥青粘附性和表观形貌的影响。

图1 抗凝冰乳化沥青涂层粘附性对比

如图1可知，在水煮之前，包裹在集料表面的抗凝冰乳化沥青涂层与乳化沥青本来的形态有很大不同。破乳后的乳化沥青均匀的裹覆在集料表面，且呈现出沥青自身的黑色，而掺入融雪剂后，抗凝冰乳化沥青混合液在破乳后同样可以均匀的裹覆在集料表面，但涂层的颜色变暗，较乳化沥青变得有点干枯，涂层表面出现凸起的细小白色颗粒物，且随着掺配比例的增大，颜色变化越明显，白色颗粒物也越多。经过水煮后的乳化沥青未出现剥落，与水煮前相比变化不太明显，表明其与集料的粘附性良好。抗凝冰乳化沥青混合液在水煮后同样未发生剥落现象，表明自制固态型融雪剂对乳化沥青与集料的粘附性没有产生影响。但出现了比较明显的变化是水煮后的抗凝冰乳化沥青涂层恢复了本来的黑色，其表面变得较为粗糙。产生明显不同的原因是自制固态型融雪剂在掺入乳化沥青中后溶解于水中，待其破乳后，分散在乳化沥青中的融雪剂蒸发结晶，从而出现了白色的颗粒物，在水煮后，涂层表面的融雪剂又再次被溶解，乳化沥青本来的颜色得以恢复，且出现了细小的坑槽，表面变得粗糙。

3 抗凝冰乳化沥青涂层抗滑性能

通常雾封层施工时乳化沥青洒布量控制在0.3kg/m2～0.7kg/m2，本节采用制备的普通沥青混合料的车辙试件为原始路面，选取抗凝冰乳化沥青混合液的洒布量为0.6 kg/m2，按照《公路路基路面现场测试规程》（JTG E60-2008），利用摆式摩擦仪测试了掺配不同比例的抗凝冰乳化沥青涂层的摩擦系数，对抗凝冰乳化沥青涂层的抗滑性能进行了评价。

表1 抗凝冰乳化沥青涂层的摩擦系数

从表1可以看出，在车辙试件上涂刷乳化沥青后，其摩擦系数降低了25.9%，掺配质量分数为5%、10%和15%融雪剂的抗凝冰乳化沥青涂层的摩擦系数分别降低了27.7%、33.1%，36.8%。由此可见，掺配融雪剂后乳化沥青涂层的摩擦系数有所降低，且随着掺配比例的增大，抗凝冰乳化沥青涂层的摩擦系数均不同程度的降低了。说明在测试路面摩擦系数时，喷洒的水溶解了抗凝冰乳化沥青涂层表面中的融雪剂，融雪剂溶液的存在使得测出的摩擦系数有所降低，表明抗凝冰乳化沥青涂层降低了路面的抗滑性能。

4 抗凝冰乳化沥青涂层抗凝冰性能

4.1 粘结力测试

图2 抗凝冰乳化沥青涂层与结冰海绵的粘结力

图3 抗凝冰乳化沥青图层浸泡前后外观图

通过测试抗凝冰乳化沥青涂层与结冰海绵之间粘结力用以分析抗凝冰沥青涂层的抗凝冰性能，该测试方法类似于抗凝冰沥青混合料的，不同之处是将不同掺配比例的抗凝冰乳化沥青混合液按0.6 kg/m2的洒布量均匀涂刷于直径100mm 的培养皿中，静置24h 后，再将充分吸水饱和的海绵置于载有抗凝冰乳化沥青涂层的培养皿中，然后放于-10℃的冰箱中冷冻5h，待整个海绵中的水冻结成冰后取出测试粘结力，其结果如图2所示。

如图2可知，相比于乳化沥青与结冰海绵之间的粘结力，抗凝冰乳化沥青涂层与结冰海绵之间的粘结力均有所降低，且掺配比例越大，降低幅度越明显，掺配比例为5%、10%、15%的抗凝冰乳化沥青涂层与结冰海绵的粘结力分别降低了42.6%、68.9%、90.2%。说明抗凝冰乳化沥青涂层表面的融雪剂溶解于水中，在涂层和海绵之间形成了一层融雪剂溶液，从而有效的缓解了冰结的硬度并延迟了结冰时间。表明抗凝冰乳化沥青涂层具有较明显的防止其表面结冰的作用。

4.2 电导率测试

按照前节所述的洒布量在直径100mm 的培养皿中均匀涂刷不同掺配比例的抗凝冰乳化沥青混合液，静置24h后将其置于2000mL 的烧杯中，利用电导率仪监测不同抗凝冰乳化沥青涂层浸泡液体的电导率随浸泡时间的变化情况。图3为抗凝冰乳化沥青涂层浸泡前后外观图，图4为抗凝冰乳化沥青涂层浸泡液体的电导率。

图4 抗凝冰乳化沥青涂层浸泡液体的电导率

如图3可知，未浸泡前，抗凝冰乳化沥青涂层与普通乳化沥青涂层有所不同，随着自制固态融雪剂掺配比例的增大，乳化沥青涂层圆润、亮黑色的外观逐渐变为干枯、灰色的。与前展现出不同的地方是，经过涂刷的涂层表面没有出现凸起的细小颗粒物，说明涂刷作用使乳化沥青更好地包裹住了融雪剂。浸泡后的抗凝冰乳化沥青涂层却与普通乳化沥青涂层极为相似，仅是原有光滑的表面变得粗糙，表明其表面的融雪剂在水中不断析出溶解，从而形成一定的粗糙度，并恢复了乳化沥青自身的黑色。

如图4可知，普通乳化沥青涂层浸泡液体的电导率值随着浸泡时间的持续变化不大，而抗凝冰乳化沥青涂层浸泡液体的电导率值随着浸泡时间的持续而不断升高，其规律与抗凝冰沥青混合料的相似，不同的是抗凝冰乳化沥青涂层浸泡1h 后浸泡液体的电导率值升高最明显，且随着自制固态融雪剂的掺配比例越大，其升高幅度越大，而1h 后，浸泡液体的电导率值有所升高，但幅度明显降低。其原因是抗凝冰乳化沥青涂层的表面能够被水分轻易地浸入，从而迅速溶解了分散于其中的的融雪剂，致使浸泡液体的电导率值突然升高。但抗凝冰乳化沥青涂层不同于抗凝冰沥青混合料，没有集料骨架提供的空隙，且涂层表面溶解掉的融雪剂提供的微小空隙与下部分散的融雪剂占有空间不能形成连通空隙，水分浸入其中比较困难，因此浸泡液体后续的升高幅度明显减缓。

5 结语

1）利用水煮法评价了抗凝冰乳化沥青混合液与集料的粘附性，发现固态添加型融雪剂对乳化沥青与集料的粘附性影响不大，但随着固态添加型融雪剂掺配比例的增大，抗凝冰乳化沥青涂层的外观颜色变暗，且出现了细小的白色颗粒物。

2）利用摆式摩擦仪测试了抗凝冰乳化沥青涂层的摩擦系数，发现随着固态添加型融雪剂掺配比例的增大，抗凝冰乳化沥青涂层的摩擦系数呈现不同程度的降低，但都能满足规范要求。

3）利用粘结力测试方法和电导率测试方法评价了抗凝冰乳化沥青涂层的抗凝冰性能，发现随着固态添加型融雪剂掺配比例的增大，抗凝冰乳化沥青涂层具有更好的抗凝冰性能，但随着时间的持续其缓释效果较低。