改性乳化沥青除冰雪性能试验研究

2021-02-14赵方冉周生亮霍海峰

中国民航大学学报 2021年6期

赵方冉，周生亮，霍海峰

（中国民航大学机场学院，天津 300300）

冬季道路积雪结冰导致路面附着系数减小，抗滑性能大幅度降低，从而造成通行车辆行驶速度降低和燃油消耗增加，甚至引发交通事故[1]。国内冬季路面除冰雪仍在使用一些传统方法，如撒布融冰雪材料、机械除冰雪、导电混凝土除冰雪等。其存在以下弊端：①融冰雪材料会严重腐蚀道路和桥梁，并污染地表水和地下水及周围土壤[2]；②机械除冰雪具有路面保护能力差、作业速度慢、整机利用率低、成本高等缺点[3]；③导电混凝土的电阻率会随着时间而变化[4]，导致其电阻不稳定，从而对融冰雪效果有一定影响。

Onda 等[5]率先在较为粗糙的表面喷涂疏水材料，构造了超疏水表面，开拓了防覆冰涂层研制的新思路。Laforte 等[6]在实验研究中发现超疏水界面能够降低冰层与基体的粘附力。Arabzadeh 等[7]对沥青混凝土表面的接触角、抗滑性能等方面进行了研究，发现超疏水材料能使混凝土实现防水和自清洁。赵恩强等[8]从减少水渗入量的角度研制出一种新型防水涂料，发现其能降低混合料的吸水率，并可提高水稳定性。丁小军等[9]研制出一种环保型路面融冰雪涂层材料及其制备和使用方法，并对其除冰雪性能进行了验证。高英力等[10]通过构建微纳米路表面，并与超疏水材料涂覆技术相结合，制备了超疏水仿生水泥混凝土路面模型试件。李福健[11]制备出能够在道路上使用的疏水涂料，且该涂料能显著改善沥青路面的防覆冰性能。由上述文献分析可看出，目前沥青路面主动除冰雪技术仍有许多不足，主要表现为以下两方面：①将疏水材料或融冰雪材料直接做成混合溶液喷涂于路面，但其与路面粘附性差，耐久性能和缓释性能有待提高；②疏水材料成本较高，工程应用性较低，不具备市场推广使用条件。

本研究将疏水模型和降低冰点除冰雪技术相结合，研制出一种改性乳化沥青涂层材料。该材料使用乳化沥青作为基质材料，可增加其与路面的粘附性；以沸石粉吸附的形式加入融冰雪材料，使涂层具有缓释性能，并可提高其耐久性；疏水材料可提高路面与水的接触角，降低路面冰层的粘结力。该材料具有易于施工、成本低、工程应用性高等优点，可应用于机场跑道除冰雪工作。

1 试验材料

1.1 改性乳化沥青材料

改性乳化沥青材料由基质材料、疏水材料、融冰雪材料组成，其中融冰雪材料由融雪剂和缓释材料制备而成，如表1所示，其中1 cst=1 mm2/s 所示。

表1 改性乳化沥青组成Tab.1 Composition of hydrophobic ice suppression materials

1.2 路面试件

根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40—2019）制备沥青混凝土，其尺寸是16 cm×14 cm×5 cm，油石比为4.7%，密度为2.27 g/cm3；通过混凝土钻心机制取试验用空白沥青试件，如图1所示，然后将配制好的改性乳化沥青均匀涂刷于空白沥青试件表面，从而得到具有疏水抑冰性能的试件。

图1 钻芯制件与沥青试件Fig.1 Drill core parts and asphalt test pieces

2 试验方案

2.1 疏水材料配比试验

2.1.1 疏水涂层接触角试验

将乳化沥青分别与3 种疏水材料按比例混合，匀速搅拌10 min，再静置15 min，将其均匀涂刷于空白沥青试件表面，涂刷量为500 g/m2，固化后得到疏水试件。采用静滴法测量接触角，将10 μL 水用针筒滴在待测试件上，然后拍照上传至配套软件，由软件拟合并计算出接触角。

2.1.2 疏水涂层摩擦系数试验

施加疏水材料可能对路面摩擦性能产生影响，故需测试其摩擦系数。将制备好的涂刷疏水剂a（甲基硅酸钠）的试件和涂刷疏水剂b（甲基硅树脂）的试件及涂刷疏水剂c（聚氨酯）的试件进行摩擦系数测试。采用BM-III 型摆式摩擦系数测定仪，测定3 种试件的摩擦系数值，每种试件测5 次，取平均值。

2.2 融冰雪材料制备试验

融冰雪材料的制备过程主要包括：配制不同质量分数的融雪剂溶液、缓释材料的吸附、过滤、烘干和粉碎。试验共3 组，首先，配制质量分数分别为20%、40%和60%的融雪剂溶液；其次，分别给3 种质量分数的融雪剂溶液中添加100 g 缓释材料，将其浸没到中溶液并搅拌均匀，待缓释材料和融雪剂溶液充分接触一定时间。最后，对3 种溶液进行过滤、烘干和粉碎，测量缓释材料吸附融雪剂后的质量。

缓释材料吸附能力越强，其融雪剂的吸附量也越大且释放能力也越强，融冰雪材料的抑冰效果越持久。因此，制备融冰雪材料的关键是测出缓释材料吸附融雪剂的吸附曲线，从而确定最佳的吸附量。

2.3 融冰雪材料配比试验

将不同质量的融冰雪材料加入乳化沥青中，配制成不同质量比的改性乳化沥青；将改性乳化沥青涂刷于空白沥青试件表面，固化后用胶带环绕做密封处理，置于冰柜中，设定试验温度为-20 ℃，并冷冻10 h，然后将试件取出，立即使用测力计测量剪切力，如图2所示。

图2 密封试件及冷冻试件Fig.2 Sealed and frozen specimens

2.4 改性乳化沥青性能检测试验

2.4.1 沥青路面与冰层粘附性能检测

沥青路面冰层脱离时的剪切力是衡量抑冰性能的关键参数。轮胎作用于冰层时，可分解为垂直向下的压应力和水平剪切力；冰层与试件表面的脱离，主要由水平剪切力起作用。为有效揭示改性乳化沥青的除冰雪能力，分别在空白沥青试件表面涂刷含有缓释材料的改性乳化沥青和不含缓释材料的改性乳化沥青，得到沥青试件A 和沥青试件B，并分别与空白沥青试件进行剪切力对比试验，检测改性乳化沥青对沥青路面与冰层粘附性能的影响。

2.4.2 沥青路面抗滑性能检测

沥青路面涂刷改性乳化沥青后，会不可避免地对路面摩擦系数产生影响。为保证行车安全，需对涂刷改性乳化沥青的沥青路面进行摩擦系数试验。分别将沥青试件A 和B 与空白沥青试件进行摩擦系数测试。采用BM-III 型摆式摩擦系数测定仪，测定3 种沥青试件的摩擦系数值，每种试件测5 次，取平均值。

2.4.3 沥青路面融冰雪性能检测

改性乳化沥青涂层中的融冰雪材料具有阻碍冰层附着、融雪化冰的能力。为研究涂刷改性乳化沥青试件的融冰雪能力，设计了融冰雪试验。在结合沥青试件面积与雪密度的基础上，计算出大雪状态时试件表面冰雪的质量为10 g，因此在沥青试件A 与空白沥青试件表面分别均匀放置10 g 碎冰，试验温度设置为-5 ℃，3 h 后观察融冰效果，循环融冰雪试验共进行6 次。

3 试验结果与讨论

3.1 疏水材料配比试验结果

3.1.1 疏水涂层接触角试验结果分析

疏水性对沥青试件的除冰雪效果极为关键，疏水涂层能有效减少水渗透到沥青试件内部且能降低试件表面与冰层的粘结力，从而使冰层更易清除。涂层疏水性能可用接触角θ 的大小来评价，通常认为θ ≤90°为亲水状态或部分亲水状态，θ>90°为疏水状态，且接触角θ 越大疏水性能越好。接触角测试结果如图3所示。

图3 接触角测试结果Fig.3 Contact angle test results

从图3中可知，随着疏水材料与乳化沥青质量比的不断增大，疏水涂层的接触角也在增大；甲基硅树脂和聚氨酯的增幅最大，在质量比达到12%时，接触角已达92°，而甲基硅酸钠的接触角最大，已达95.6°；当质量比大于12%时，3 种疏水剂接触角的增长幅度已不明显，因此可将12%作为疏水材料与乳化沥青的质量比。

3.1.2 疏水涂层摩擦系数试验结果

疏水涂层摩擦系数试验结果如表2所示。

表2 疏水涂层摩擦系数测试结果Tab.2 Test results of the hydrophobic coating of friction factor

由表2可知，无疏水剂涂层试件表面的摩擦系数平均值为0.81，而涂刷疏水剂c 后的试件表面摩擦系数值为0.63，摩擦系数降低幅度较大；与无疏水剂涂层试件相比，涂刷疏水剂a 和疏水剂b 的试件表面摩擦系降幅较小，其中涂刷疏水剂a 的试件摩擦系数降幅最小。由接触角试验和摩擦系数试验推知，当疏水剂加入乳化沥青后，改变了乳化沥青的化学组分，使其具有更大的接触角，而接触角正是沥青路面疏水性能和表面能的重要指标。疏水剂涂刷到沥青路面，会使其形成疏水涂层，改变了液滴在路面的接触状态，使沥青路面表现出较好的疏水性能。因此，可选择甲基硅酸钠作为改性乳化沥青的疏水剂，其最佳质量比为12%。

3.2 融冰雪材料制备试验结果

3 种质量分数融雪剂溶液的融冰雪材料制备试验结果如图4所示。

图4 3 种质量分数融雪剂溶液的融冰雪材料制备试验结果Fig.4 Adsorption test results of three ice-melting agent sustained release material

从图4中可知，随着时间增长，缓释材料吸附量不断增加，20 h 后趋于稳定，将融雪剂溶液进行过滤、烘干、粉碎和称重对比；随着融雪剂溶液质量分数的增大，缓释材料的吸附量也在增大，溶液质量分数在60%时，吸附量最大，20 h 后每100 g 缓释材料能吸附50 g 融冰雪材料，吸附率较高，已达到50%。因此，可按照60%质量分数的融雪剂溶液添加缓释材料，制备融冰雪材料。

3.3 融冰雪材料配比试验

融冰雪材料配比结果如图5所示。

图5 不同质量比的融冰雪材料剪切力测试结果Fig.5 Test results of shearing force of snow melting material with different mass ratio

从图5中可知，不同质量比的融冰雪材料均能降低沥青路面与冰层的剪切力。当融雪冰材料与乳化沥青质量比为10%时，剪切力的降低幅度已达36.6%；当二者质量比大于10%时，随着融冰雪材料质量比的增加，沥青路面与冰层的剪切力降幅已很小，说明融冰雪材料的增加对剪切力的降低作用已不明显。所以，融冰雪材料的最优质量比为10%。

综上所述，基质材料、疏水材料、融冰雪材料的质量比为100∶12∶10。

3.4 改性乳化沥青性能检测试验结果

3.4.1 沥青路面与冰层粘附性能检测

沥青路面与冰层粘附性能检测结果如图6所示。

图6 剪切力测试结果Fig.6 Test results of shear force

从图6可看出，沥青试件A 在剪切力达到106 N时，冰层从试件表面脱离，且断面平整，无冰须存在；而空白沥青试件在剪切力达到231 N 时，冰层从根部断裂，断面呈不规则形状，且试件表面有大量冰须；与空白沥青试件比较，沥青试件A 剪切力下降54.1%，说明改性乳化沥青中的疏水剂可有效降低沥青路面与冰的粘结力，具有明显的抑冰效果；与沥青试件B 比较，沥青试件A 剪切力则下降13.8%，这与缓释材料增加了沥青试件A 的整体粗糙度有关。

影响路面冰粘结力减小的因素相对复杂，为更好分析其弱化机理，绘制疏水涂层除冰雪效果示意图，如图7所示。

图7 疏水涂层除冰雪效果示意图Fig.7 Schematic diagram of the deicing and snow removal effect of hydrophobic coating

从图7中可知，当空白沥青试件涂刷改性乳化沥青后，疏水涂层提高了路面接触角，使路面呈疏水状态，改变了冰层与路面凹槽的咬合状态，从而降低冰层与路面的咬合力；而在疏水表面加入微米级缓释材料，会增加路面粗糙度，因此在二者耦合作用下，会极大减小沥青路面与冰层的粘结力。

3.4.2 沥青路面抗滑性能检测

沥青路面抗滑性能检测结果如表3所示。

表3 沥青路面摩擦系数测试结果Tab.3 Test results of asphait pavement friction factor

由表3中可知，沥青试件A 的摩擦系数相对空白沥青试件有所降低，平均摩擦系数值仅降低了0.03；与沥青试件B 相比，沥青试件A 的平均摩擦系数要高些，这与缓释材料增加了路面粗糙度有关；但测试结果均满足沥青路面设计规范要求（摩擦系数值>0.42），说明改性乳化沥青对沥青路面抗滑性能影响不大。

3.4.3 融冰雪试验

融冰雪试验效果如8所示。

从图8中可知，第1 次融冰雪试验后，沥青试件A表面的冰雪已融化，而空白沥青试件表面冰雪则没有变化。这是由于改性乳化沥青中的融冰雪材料降低了水的冰点，使冰层在较低温度下融化，而改性乳化沥青具有较大疏水性，融化后的冰水不会入渗，将顺表面自行流走，起到抑制结冰的效果。第4 次融冰雪试验后，涂刷改性乳化沥青的试件仍有较好的融冰雪效果，证明缓释材料具有保存和缓释融冰雪材料的良好作用。第5 次融冰雪试验后，融冰雪材料基本消耗殆尽，融冰雪效果大大下降。