憎水性改性乳化沥青主动除冰路面表层及性能评价

侯云强

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

我国超过70%的国土在冬季会受到冰雪天气的影响。对于道路来说，结冰不仅影响人们的出行，也会对出行安全产生不利影响，因此国内外学者对道路工程中的除冰雪技术做了大量的研究，其主要分为主动与被动除冰技术两种。被动除冰技术主要是对结冰的道路进行机械清除、撒融冰盐等[1-2]，这种方式不仅消耗人力物力、除冰效率低，而且对环境产生污染。而主动除冰技术可避免被动除冰的缺点，在传统道路结构的基础上，为其增加除冰的功能，主要有太阳能除冰技术、微波除冰技术、憎水路面、地冰点路面、发热电缆除冰技术等[3-4]。其中憎水性除冰技术主要来源于“荷叶效应”，通过增加路面的疏水性，降低冰与路面的黏附性，进而达到道路除冰的目的。现有研究大多是在传统的沥青路面上涂刷或喷洒疏水涂层，但这种方法使路面的抗滑性及耐磨性较差，成本较高。因此，采用憎水性改性乳化沥青制备除冰表层，保证沥青路面的除冰效果，同时增强其抗滑性。

1 试验

1.1 原材料

憎水性改性乳化沥青路面表层主要由骨料和憎水性改性乳化沥青组成，其中憎水性改性乳化沥青是由沥青、硅橡胶、SBS改性剂、乳化剂、稳定剂、水等原材料制备而成。骨料采用玄武岩，其技术性能和级配如表1、表2所示；基质沥青选用SK-90号沥青，其各项指标如表3所示；憎水剂采用硅橡胶，技术性能如表4所示；改性剂采用YH-791H型SBS，技术性能如表5所示；乳化剂可降低体系表面能，进而使沥青与水形成稳定的分散系[5]，选用阳离子慢裂快凝型乳化剂；稳定剂选用无水氯化钙[6]；pH值调节剂选用盐酸；水选用自来水。

表1 骨料的技术性能

表2 骨料级配

表3 SK-90号沥青技术性能

表4 硅橡胶技术性能

表5 SBS改性剂技术性能

1.2 憎水性改性乳化沥青制备方法

憎水性改性乳化沥青是在SBS改性乳化沥青的基础上，增加了硅橡胶憎水剂，在剪切作用下，硅橡胶颗粒分散在SBS乳化沥青中[7]，其具体的流程如图1所示。

图1 憎水性改性乳化沥青

1.3 试验方法

主要采用室内试验，采用制备的憎水乳化沥青混合料制备标准的马歇尔试件及车辙板。采用静态接触角测量仪、拉拔仪、摆式磨擦仪分别检测不同掺量硅橡胶改性乳化沥青混合料的性能。憎水性改性乳化沥青除冰路面表层可在原路面的沥青面层上进行施工，如图2所示。

图2 憎水性改性乳化沥青除冰路面结构示意图

1.3.1 静态接触角试验

接触角的大小可以直接影响憎水性改性乳化沥青的防冰效果，硅橡胶掺量不同，接触角也不同。为了获得最佳的硅橡胶掺量，采用JY-82c接触角测量仪，测定不同试样的接触角大小，制备不同硅橡胶掺量的30 cm×30 cm×5 cm车辙板，并进行切片得到不同掺量硅橡胶1 cm×1 cm×1 cm的试件，进行静态接触角测试试验。

1.3.2 拉拔试验

评价除冰效果的方法有直接法和间接法，直接法主要是通过落锤击冰，最后得到除冰的面积直接获得除冰效率，这种方法对于除冰面积的计算比较困难；而本文采用间接法评价除冰效果，即HC-6000C一体式拉拔强度测试仪，进而反映除冰的效果。除冰效果试验为非常规试验，其主要是在标准的马歇尔试件上钻孔，固定膨胀螺栓，然后在车辙板上喷洒一定的水，放入冰箱冷冻，最终连接膨胀螺栓与试验仪器的拉头，进行黏附力的测量，可见图3。将憎水性改性乳化沥青与骨料制备成混合料，按照规范规定制备30 cm×30 cm×5 cm的车辙板以及标准马歇尔试件进行除冰效果试验。

图3 除冰效果试验示意图

1.3.3 路用性能试验

憎水性改性乳化沥青表层主要用于降低冰与路面的黏附性，但还应满足抗滑性能，因此采用摆式摩擦仪对车辙板试件进行摩擦系数测定。由于该层在冰雪天气受到水的影响，所以还需评价其水稳性，通过测试马歇尔试件的残留稳定度指标，考察体系的抗水损害性。

2 试验结果分析

2.1 静态接触角测量结果

对掺量0%、2%、4%、6%、8%的硅橡胶改性乳化沥青制备的混合料切片进行了接触角测试，接触角大于90°时，体系为疏水性，同时随着接触角越大，理论上防冰效果越好。测试结果如图4所示。

图4 不同掺量硅橡胶接触角结果

如图4所示，随着掺量的增加，测得的接触角整体呈先增加后减少趋势，在掺量为6%的时候接触角最大为115°，理论除冰效果最好。这是由于硅橡胶表面的微纳米凸状结构增加了沥青的疏水性，随着掺量的增加，疏水性相对表面积越大，憎水性越强。但随着掺量的继续增加，水溶液的硅橡胶发生聚团作用，使得硅橡胶分散不均匀，导致接触角减小。

2.2 除冰效果结果

利用拉拔试验，测试冰与表层之间的拉拔力，间接评价憎水性改性乳化沥青的除冰效果。同时，不同冻结温度下，冻黏力也不同，因此本文测试了在硅橡胶掺量为0%、2%、4%、6%、8%的改性乳化沥青分别在-2℃、-4℃、-6℃、-8℃下的黏附力。测试结果如图5所示。

图5 不同掺量硅橡胶改性乳化沥青在不同温度下拉拔强度测试结果

如图5所示，在硅橡胶掺量为0～4%时，随着掺量的增加，试件与冰之间的拉拔强度降低，这是由于随着硅橡胶增加，试件表面接触角增加，导致试件表面憎水性增强，相应掺量改性乳化沥青表层与冰的黏附性降低。硅橡胶掺量为4%～8%时，拉拔强度变化不明显，这一结果的原因为：硅橡胶在此掺量区间的改性乳化沥青的接触角变化不大；同时在制成车辙板后，增加了骨料、矿粉等材料，降低了不同掺量硅橡胶对憎水性的影响，因此冰的黏附性相差不大。就温度而言，在-6℃～-2℃温度区间，随着结冰温度的降低，试件与冰之间的拉拔强度增加，这是由于温度降低导致冰与试件表面的黏附力增加，但在-8℃～-6℃之间，拉拔强度变化不明显，试件表面几乎无冰的残留，这是由于，在-6℃～-2℃温度区间，拉拔应力主要破坏了试件与冰的界面黏附力，而在-8℃时，试件表面有大量的冰屑残留，在此温度下，主要破坏的是冰自身的内聚力，因此，在-8℃～-6℃温度之间，拉拔强度变化不大。

2.3 路用性能结果

对不同掺量硅橡胶改性乳化沥青混合料所制备的车辙板进行了摆式摩擦试验，测得的BPN结果如图6所示。

图6 不同掺量硅橡胶摆式摩擦试验

如图6所示，由于硅橡胶改性乳化沥青混合料所制备的车辙板的BPN值均大于45，满足规范的抗滑性要求。随着掺量的增加，可以看出BPN值也在缓慢增加，但增加幅度不大。这是由于随着掺量的增加，硅橡胶颗粒虽然没有增加宏观纹理，但增加了路表面的微观纹理。且硅橡胶掺量越大，游离抱团的硅橡胶颗粒越多。

为了评价水稳性能，对不同掺量硅橡胶改性乳化沥青混合料所制备的马歇尔试件进行浸水马歇尔试验，测其残留稳定度，结果如图7所示。

图7 不同掺量硅橡胶浸水马歇尔试验结果

如图7所示，5种硅橡胶掺量的改性乳化沥青马歇尔试件的残留稳定度值都大于85，满足规范的要求，但同时，随着硅橡胶掺量的增加，残留稳定度也有些许降低，这表明硅橡胶的加入降低了水稳性能，但水稳性能依旧可以满足规范要求。

结合静态接触角试验、除冰效果试验、摆式摩擦试验及浸水马歇尔试验结果，可以看出硅橡胶掺量为4%的改性乳化沥青可以同时满足要求。

3 结论

通过在改性乳化沥青中增加憎水剂，增加了传统改性乳化沥青的疏水效果。同时使用该憎水性改性乳化沥青与玄武岩制备了憎水性改性乳化沥青主动除冰路面表层，该功能层不仅可用于新建道路，还可以应用于旧路养护。通过试验对其除冰效果、抗滑性能、水稳性能进行考察，随着硅橡胶掺量的增加，得到了以下结论。

a）憎水性改性乳化沥青的静态接触角呈先增加后减小的趋势，在掺量为6%时，疏水性最强。

b）憎水性改性乳化沥青表层的抗滑性与水稳性变化趋势不大，且都满足规范要求。

c）除冰试验表明，拉拔力呈现先降低，在掺量为4%后平稳变化的趋势，证明憎水性改性乳化沥青可以降低冰与路面的黏附力。同时，随着温度的降低，拉拔力也呈先增加后平稳的趋势，表明在-6℃时，冰与路面的黏附力小于冰本身的内聚力。

结合以上结论，最终选择硅橡胶掺量4%为憎水性改性乳化沥青的最佳掺量。