憎水雾封层的制备及其防冰性能

盛燕萍，张 镇，李亮亮，马庆伟，吴永畅，刘清强，郭弋钰

(1.长安大学 交通铺面材料教育部工程研究中心，陕西 西安 710064； 2.西安公路研究院，陕西 西安 710065； 3.潍坊市潍城区公路局，山东 潍坊 261021)

0 引 言

沥青路面冬季低温时遭受冰冻降雨和积雪融雪，冰水渗入路表缝隙结冰后难以去除，会降低路面的抗滑性能 , 从而严重影响道路交通安全[1-3]。目前，国内外已开发了很多除冰雪技术，包括主动除冰雪技术，如蓄盐路面技术、道路微波除冰技术和发热电缆融雪化冰技术等，被动除冰雪技术如撒融雪盐、人工和机械除冰技术等。这些除冰雪方式在一定程度上能缓解路面结冰的影响，但总体除冰效率较低，甚至对路面和周围环境会产生一定的损害(蓄盐路面、撒融雪盐)[4-5]。

近年来，超疏水材料广泛应用在各类防冰领域，大量研究已经证实疏水表面具有优良的自防冰性能。Ali Arabzadeh等[6]先后在沥青路面上喷涂环氧树脂和聚四氟乙烯，使路面接触角最大能达到161°，有效减小路面与水滴之间的黏附功。彭超等[7]采用有机硅橡胶与微米/纳米粉末制备了接触角达到160°的超疏水涂层，在-5 ℃能使冰与沥青路面的黏结力减小84%，并使结冰时间延缓25 min。Pan等[8]在金属基材表面喷涂疏水二氧化硅和聚甲基丙烯酸酯构筑超疏水涂层，接触角达到158°，防冰性能良好，同时具备一定的防腐性。超疏水涂层虽然具有优秀的疏水防冰性能，但是其耐久性欠佳，容易在行车碾压等外界耦合作用下从路面脱落，原材料和施工成本较高，所以路面防冰超疏水涂层一直没有大范围推广[9]。乳化沥青雾封层作为一种路面预防养护材料，具有方便施工、经济有效的优点[10]，将雾封层和疏水涂层相结合，研究和开发一种行之有效、性价比高的防冰技术，是解决沥青路面易结冰、难除冰问题的新途径。本文利用硅橡胶对乳化沥青进行改性，制备一种憎水乳化沥青雾封层，并研究该雾封层的防冰性能及其对路面抗滑和封水性能的影响。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

本文采用SK-90#基质沥青，具体指标见表1。改性剂为岳阳巴陵石化公司生产的YH-791H线性SBS，SBS改性沥青指标如表2所示。乳化剂为江苏金阳新材料科技有限公司生产的JY-R6M型阳离子慢裂快凝沥青乳化剂，稳定剂为无水氯化钙，水是西安市城市自来水，使用盐酸作为pH调节剂，硅橡胶是指主链由硅和氧原子交替构成且硅原子上通常连有2个有机基团的橡胶，本文所用硅橡胶是透明的流体，具体指标如表3所示。

本文采用AC-5和AC-13两种混合料矿料级配，级配曲线如图1所示，马歇尔试验后最佳油石比分别为5.8%和4.8%。

表1 SK-90#基质沥青的各项性能指标

表2 SBS改性沥青技术指标

表3 硅橡胶技术指标

图1 AC-5和AC-13沥青混合料级配曲线

1.2 试验方案

本文首先制备了憎水改性乳化沥青，并根据接触角试验和储存稳定性试验确定了硅橡胶最佳掺量；然后制备了2种级配的马歇尔和车辙板试件，分别进行落锤和冻黏强度试验，最后对路表摩擦系数、构造深度和渗水系数进行测试分析。

1.2.1 憎水乳化沥青的制备

本文采用先改性后乳化的方法制备憎水乳化沥青，油水比为3∶2，乳化剂和稳定剂用量分别为沥青和皂液总质量的1.2%和2‰，采取5个不同硅橡胶用量(沥青质量的0%、2%、4%、6%、8%)。在制备好SBS改性乳化沥青后紧接着将硅橡胶加入到胶体磨中剪切3～5 min，乳化沥青裹挟着硅橡胶进入胶体磨内部；与此同时，硅橡胶遇热固化，在外力剪切作用下均匀分散在乳化沥青体系中。

1.2.2 落锤冲击试验

图2 落锤冲击装置示意

为了模拟沥青路面除冰难易程度，本文自行研制落锤冲击试验装置，其原理为：利用铁球自由落体运动产生的动能对冰层进行冲击，从而模拟实际道路上的车辆荷载对冰层的作用力。图2为自行研制的落锤冲击试验示意图，铁球重2 000 g，下落高度为900 mm，下落后对冰层的冲击力约为41 N，假设铁球和冰的接触面积为0.5 cm2，则对落点冰的压强为0.82 MPa，与汽车轴载100 kN时轮胎接地压力相当[11]。试验方法如下：首先制备AC-5和AC-13马歇尔试件各3组，第一组为未洒布乳化沥青组，第二组按0.4 kg·m-2的洒布量涂覆SBS改性乳化沥青；第三组按同样的洒布量涂覆憎水改性乳化沥青；然后在室温下静置24 h待其破乳，在每组试件周围包裹一层塑料薄膜，注水80 g后在试件表面形成1 cm左右厚度的水层，在确认水不会流出后，将每组试件放入-4 ℃的低温环境箱冷冻5 h；试件表面的水彻底冻结(图3)；最后对每组试件进行落锤冲击试验，采用破冰率p评价雾封层的防冰性能。

图3 落锤冲击试验试件

式中：p为破冰率；Si为试件表面残冰面积；S为试件底面面积。破冰率越大，说明试件表面冰层越易被去除，防冰性能越好。

图4 黏结强度测试仪示意及实物

1.2.3 冻黏强度试验

根据已有文献[12]，本文采用冰-路面冻黏强度来定量评价雾封层的防冰性能，对不同路面表面的冻黏强度进行测试，表面分别为未洒布乳化沥青、洒布SBS改性乳化沥青和洒布憎水乳化沥青。为保证测试温度的稳定性，采用大型环境箱精确控制温度，测试温度范围为-70 ℃～150 ℃，精度为±0.2 ℃。图4是冻黏强度测试装置示意图(a)和实物图(b)。如图5所示，每一块车辙板可以分为4个测点，为使锭子和车辙板之间完全浸润，每个测点大约滴加13 g水，然后放入环境箱中分别在-2 ℃、-4 ℃、-6 ℃、-8 ℃、-10 ℃温度下冰冻2 h，采用冻黏强度测试装置测试各组试件的冻黏强度。

图5 冻黏强度试验用车辙板

2 结果与讨论

2.1 硅橡胶掺量的确定

表面张力仪能通过吊片法测定沥青的前进角、后退角及滚动角，根据文献[13]，洁净表面的前进接触角能更好地表征表面憎水性，故本文采用前进角θA表征，图6是硅橡胶掺量对接触角的影响。硅橡胶的加入除了提高乳化沥青的疏水性还对其储存稳定性有较大影响，故采用储存稳定性作为确定硅橡胶掺量的指标。图7为硅橡胶掺量和乳化沥青储存稳定性的关系曲线。

图6 硅橡胶掺量和沥青接触角的关系曲线

图7 硅橡胶掺量和乳化沥青储存稳定性的关系曲线

液体在固体材料表面上的接触角, 是衡量该液体对材料表面润湿性能的重要参数。若接触角小于90°，则固体表面是亲水性的，即液体较易润湿固体，接触角越小，润湿性越好；若接触角大于90°，则固体表面是疏水性的，即液体不容易润湿固体，容易在表面上移动。从图6可以看出，掺加了硅橡胶后的改性乳化沥青接触角均大于90°，并且随着硅橡胶掺量的增大，改性乳化沥青的接触角呈整体增大的趋势，说明硅橡胶的掺入能够明显地提高乳化沥青的疏水性。掺入硅橡胶提高乳化沥青接触角产生的影响主要有两方面。一方面硅橡胶因表面具有二元微纳米乳突状结构而呈疏水性，根据Wenzel[14]模型，疏水性材料的疏水性随表面粗糙程度的提高而增大，硅橡胶在胶体磨的剪切作用下增加了表面粗糙度而使疏水性增大。另一方面，在憎水乳化沥青制备的过程中，硅橡胶是在改性乳化沥青制备完成后再加入的，此时乳化沥青体系已经形成稳定的水包油结构，硅橡胶分子大部分游离在水中，破乳后直接覆盖到沥青表面使其疏水性提高，只有少部分硅橡胶分子由于机械作用进入到水包油结构中，吸附在沥青微粒表面，虽然这部分硅橡胶分子在沥青破乳后依旧能提高疏水性，但会影响水包油结构的稳定；当硅橡胶的掺量大于5%时，乳化沥青的接触角逐渐降低，说明硅橡胶掺量过多导致了游离在水溶液中的硅橡胶分子团聚，破乳后沥青表面硅橡胶分子分散不均，此时接触角的相对提高主要是因为吸附在沥青微粒表面的硅橡胶分子和下层硅橡胶分子的憎水迁移性引起的。

从图7可以看出，憎水乳化沥青的1 d和5 d储存稳定性均随着硅橡胶掺量的增加而下降。当硅橡胶掺量小于6%时，乳化沥青的1 d存储稳定性满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG 40—2004)中小于1%的要求；当硅橡胶掺量小于4%时，乳化沥青的5 d存储稳定性满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG 40—2004)中小于5%的要求。从沥青存储稳定性的试验结果可以看出，所制备的憎水乳化沥青不宜长期储存。乳化沥青5 d储存稳定性在硅橡胶掺量为0～4%时下降比较平稳，4%～6%时迅速下降，后又趋于平缓。这可能是因为：过量的硅橡胶分子团聚会破坏乳化沥青结构，导致其储存稳定性下降。综合以上分析可以得出，硅橡胶的最佳掺量为沥青质量的4%。表4为硅橡胶掺量为4%的乳化沥青和SBS改性乳化沥青的各项性能指标。

表4 憎水乳化沥青和SBS改性乳化沥青的各项指标

2.2 落锤冲击试验结果分析

落锤冲击试验结果如图8、9所示 ，图10是2种级配的试件在不洒布乳化沥青、洒布SBS改性乳化沥青和洒布憎水乳化沥青时的破冰率柱状图。从图10可以看出，试件表面洒布乳化沥青后，AC-5和AC-13试件的落锤试验破冰率明显提高，而洒布憎水乳化沥青组破冰率达到100%，落锤试验后试件表面基本无冰残留。对比2种级配洒布SBS乳化沥青组，AC-13试件破冰率较AC-5稍高，说明就级配而言AC-5沥青混合料的防冰性能优于AC-13。这是因为，AC-13混合料表面构造深度较大，而且含有较大的凹槽，不仅使冰与路面的接触面积增大，而且水进入凹槽结冰后形成销钉结构，提高了冰与路面的黏附力。AC-5和AC-13试件洒布SBS乳化沥青雾封层和憎水雾封层后，破冰率分别从75%、66%上升到100%，说明对于构造深度较大的路面结构，采用疏水性的憎水雾封层对其防冰性能的提高更明显。

图8 AC-5马歇尔试件落锤法破冰

图9 AC-13马歇尔试件落锤法破冰

图10 两种雾封层对破冰率的影响

图11 冻黏强度测试结果

2.3 冻黏强度测试结果分析

3种沥青路面冻黏强度随温度的变化如图11所示，路面冻黏强度随着温度的下降而上升，但其上升速率在逐渐减小。采用对数函数拟合出3种路面冻黏强度fb、fp、fz与温度T的关系曲线，分别为：不洒布乳化沥青组fb=223.5+248ln(-T) ，洒布SBS乳化沥青组fp=79.9+149.8ln(-T)，洒布憎水乳化沥青组fz=70.7+108.5ln(-T)，其中R2分别为0.993 9、0.959 8和0.937 6，说明拟合结果具有良好的相关性。

图12 洒布不同化沥青冻黏强度的降低百分率

对不同温度下洒布2种乳化沥青后试件的冻黏强度相比未洒布乳化沥青时的下降率进行计算，如图12所示。可以看出，洒布SBS乳化沥青和憎水乳化沥青后，路面冻黏强度在不同温度均呈下降趋势，分别平均下降了48.9%和60.8%。其原因是，乳化沥青减小了路面构造深度，使冰与路面的接触面积减小，同时封闭路表孔隙，阻止水分进入到路面内部，使路面与冰的黏附转化为沥青与冰的黏附。而洒布憎水乳化沥青比洒布SBS改性乳化沥青冻黏强度下降约12%，是因为硅橡胶的疏水性导致冰层与试件表面黏附力大幅度降低，说明本试验制备的憎水雾封层可以有效地削弱路面的冰覆性。

2.4 乳化沥青雾封层对路面性能的影响

2.4.1 构造深度

洒布雾封层前后构造深度变化如表5所示，2种雾封层都使路面构造深度有一定程度的降低，憎水乳化沥青相比SBS改性乳化沥青降低约5%，说明硅橡胶的掺入对路面构造深度影响不大，同时两者的构造深度均满足《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)不小于0.55的要求。

表5 构造深度试验结果

2.4.2 摩擦系数

洒布雾封层前后摩擦系数变化如表6所示，雾封层降低了路表构造深度，使路面摩擦系数显著降低，且憎水雾封层由于疏水表面的减阻效果对路面摩擦系数影响更大[15]，但仍满足《公路沥青路面养护技术规范》(JTJ 073.2—2001)的要求。

2.4.3 渗水系数

洒布雾封层前后路面渗水系数变化如表7所示，可以看到，乳化沥青雾封层能有效提高路面渗水系数，且憎水乳化沥青对渗水性的提高更为明显。

表6 路面摩擦系数试验结果

表7 路面渗水系数试验结果

其原因是，硅橡胶能显著降低沥青表面能，防止水分从沥青破乳后留下的微小气孔进入路面内部。

3 结 语

(1)本文提出一种憎水雾封层，采用硅橡胶对乳化沥青进行改性，提高其接触角，从而使雾封层具有良好的防冰性能。通过接触角和储存稳定性试验，确定硅橡胶的最佳掺量为4%。

(2)落锤冲击冰层之后，洒布憎水乳化沥青雾封层试件的破冰率达到100%，AC-5沥青路面的防冰性能优于AC-13沥青路面。

(3)洒布SBS乳化沥青和憎水乳化沥青后使路面冻黏强度分别平均下降了48.8%和60.8%，有效减小了路面与冰之间的黏附力。

(4)憎水乳化沥青雾封层能降低路面构造深度，显著提高防渗性能，虽然硅橡胶的加入会降低路面的摩擦系数，但仍满足规范要求。