路面抗凝冰技术专用乳化剂的应用

2021-03-01胡富平申铁军李毓麒

山东交通科技 2021年6期

关键词：微表乳化剂封层

胡富平，申铁军，高鹏，李毓麒

（1.山西路桥集团晋南项目管理有限公司，山西太原 030006；2.山西路桥建设集团有限公司，山西太原 030006；3.长治市武理工工程技术研究院，山西长治 046000；4.东北大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳 110000）

引言

与抗凝冰超薄罩面、抗凝冰雾封层相比，抗凝冰微表处的优点是抗凝冰剂混入5～10 mm厚的微表处中，性价比高，使用寿命相对较长。

1 抗凝冰技术推广的必要性

（1）路面结冰严重影响高效、快捷、安全的运行；传统路面除冰雪技术效率低、效果差，且对路面和基础设施带来损害。（2）路面是被动状态，路表空隙引起冰雪与路面黏结紧密，经过工业CT计算机层析扫描，发现距表面20 mm内空隙大且连通，抗冻融能力差，冰雪与路表黏结紧密。

2 主动型抗凝冰技术的弊端

2.1 工程造价高

采用固-液相变材料每平方米额外增加材料成本40～50元；采用缓释盐化物材料每平方米额外增加材料成本约60～100元。

2.2 应用时机受限

因盐化物材料与乳化沥青的相容性较差，只能依托新建工程或罩面类养护工程进行施工，无法与雾封层、微表处等预防性养护技术相结合。

2.3 小规模施工困难

对于凝冰严重的拐弯处、匝道、隧道出入口等特殊路段，因工程量过小，施工组织困难。

综上所述，现有主动型抗凝冰技术面临淘汰，难以大规模推广应用。

3 主动抗凝冰技术的优缺点

3.1 抗凝冰超薄罩面

（1）优点：技术应用时间较长，成熟度高。（2）缺点：工程造价高，应用时机受限，小规模施工困难，效果达不到预期。

3.2 抗凝冰雾封层

（1）优点：抗凝冰剂混入到1～2 mm厚的含砂雾封层中，工程造价低，抗凝冰剂利用率高。（2）缺点：雾封层耐久性下降，使用寿命短。

4 新型抗冰凝技术主要研究内容

抗凝冰微表处技术将抗凝冰剂混入5～10 mm厚的微表处中，性价比高，使用寿命相对较长。

4.1 微表处专用抗凝冰剂的研制

通过筛选适合于微表处体系（即不影响微表处破乳成型速度）的疏水材料，并尝试不同的添加量以形成不同厚度的疏水缓释膜，进而获得具有不同融冰盐缓释速率的抗凝冰剂，并调节抗凝冰剂的粒径大小，从中筛选出适用于微表处体系专用抗凝冰剂配方，见图1、图2。

图1 疏水材料抗凝原理

图2 不同载体的凝冰盐缓释特征

4.2 抗凝冰微表处专用乳化剂的研制

在传统微表处乳化剂基础上，通过复配其它表面活性剂，保证抗凝冰微表处体系获得合适的拌和时间和破乳成型速度[1]。在形成适用于抗凝冰微表处体系的专用乳化剂的同时，还可以进一步调节微表处乳化沥青体系的pH值和乳化剂掺量，优化微表处乳化沥青的破乳速度[2]。主要由乳化剂、改性剂、沥青为原料制得，各原料按组份按重量百分比[3]。改性剂3.1%～5.1%；沥青29%～79%；乳化剂0.2%～0.5%，该组合物含有复合添加剂、基质沥青、聚合物改性剂、阳离子型乳化剂[4]，乳化剂A、B、C、D种类型见图3。A型复合添加剂含烷基苯酚、松香酸，C型阳离子型乳化剂含咪唑啉型乳化剂。

图3 乳化剂类型分子结构

4.2.1 A型按重量份组成

（1）阳离子型乳化剂沥青重量的0.2%～0.5%；（2）沥青30～80份；（3）35～82 ℃热水32～50份；（4）浓盐酸，调节pH=1.7～6.0；（5）无机盐稳定剂，微量[5]。

4.2.2 B型按重量份组成

（1）沥青31～79份；（2）阳离子型乳化剂沥青重量0.2%～0.5%；（3）无机盐稳定剂,微量；（4）浓盐，调节pH＝1.5～7.0；（5）35～82 ℃热水32～50份[6]。

4.2.3 C型按重量份组成

（1）聚乙丁烯6～8份；（2）沥青50～60份；（3）助乳化剂9～11份；（4）基础乳化剂11～13份；（5）水30～40份；（6）稳定剂0.2～2份[7]。

4.2.4 D型阳离子型按重量份组成

（1）乳化剂1.5～5份；（2）添加剂0.1～5份；（3）改性剂2～10份。

生产乳化沥青所用阳离子沥青乳化剂，通过对其进行聚合物接枝改性，以咪唑啉结构为基体，调节集料表面和亲水基团的吸附作用[8],控制乳化沥青破乳速率。以有机酸、有机多胺制备咪唑啉为中间体,再把咪唑啉中间体与有机醛、有机酮经曼尼希反应后进行改性，调节亲水端空间位阻、电荷强度，改善乳化性能、慢裂性能，使其制备的乳化沥青具有优越的慢裂快凝效果，满足微表处快速开放交通的目的[9]。

4.3 抗凝冰微表处的路用性能与抗凝冰功能研究

研究抗凝冰微表处混合料的配合比设计、早期强度、力学性能，并建立一套抗凝冰功能评价方法，重点评价抗凝冰微表处可降低冰点的程度，并寻求方法评价或预测在不同环境条件下抗凝冰功能的有效作用时间。

5 创新点及技术路线

5.1 创新点

（1）形成一种适用于微表处体系的专用抗凝冰剂，实现抗凝冰剂与微表处材料之间的良好相容性；（2）形成一种适用于抗凝冰微表处体系的专用沥青乳化剂，实现在掺入抗凝冰剂的条件下仍能保持较快的破乳成型速度；（3）形成一种兼具主动抗凝冰功能和预防性养护功能的抗凝冰微表处技术，不仅可以实现抗凝冰技术的低成本化和快速施工，而且可以获得相对较长时间（3～4 a）的预期使用寿命。

5.2 技术路线

（1）调研不同抗凝冰剂产品的结构特征和性能特点；（2）调研改进型微表处技术的性能特征和发展现状；（3）微表处专用抗凝冰剂的研制；（4）筛选适用于微表处体系的疏水材料，并考察不同添加量对抗凝冰剂的影响规律；（5）研究不同级配抗凝冰剂对微表处破乳成型速度的影响规律；（6）研制抗凝冰微表处专用乳化剂；（7）根据抗凝冰剂对微表处乳化沥青破乳速度的具体影响，复配调整乳化剂配方；（8）研究pH值、乳化剂掺量对微表处乳化沥青破乳速度的影响；（9）抗凝冰微表处的路用性能与抗凝冰功能评价；（10）研究抗凝冰微表处的配合比设计；（11）评价抗凝冰微表处的早期强度；（12）评价抗凝冰微表处的力学性能；（13）评价抗凝冰微表处的抗凝冰功效；（14）施工工艺研究及技术工程化验证；（15）研究抗凝冰微表处施工工艺；（16）铺筑抗凝冰微表处试验路，实施工程化验证[10]。