超疏水涂层在沥青路面上的抗凝冰性能分析

鲁浈浈，葛倩倩，陈健，梁杨，魏鹏

超疏水涂层在沥青路面上的抗凝冰性能分析

鲁浈浈1a,1b，葛倩倩1a，陈健1a，梁杨2，魏鹏2

（1.重庆交通大学 a.土木工程学院 b.交通土建工程材料国家地方联合工程实验室，重庆 400074；2.重庆市政设施管理局，重庆 400014）

分析超疏水涂层在沥青路面应用时的抗凝冰性能，解决中国北方和高海拔地区路面结冰易引发交通事故的问题。以疏水纳米SiO2粉末和聚氨酯改性聚硅氧烷为主要材料，制备出超疏水SiO2/聚硅氧烷复合溶液，使用浸涂法在沥青马歇尔试件表面形成超疏水涂层。分析涂层的耐磨性、透光性、化学稳定性、疏水性等，同时模拟雨滴结冰试验、落锤除冰试验、低温抗冻试验，评价超疏水涂层的耐磨性、透明性、耐酸碱腐蚀性、抗凝冰性、易除冰性和低温抗冻性，并通过扫描电子显微镜对涂层表面形貌进行分析。当制备的超疏水复合溶液中纳米SiO2的质量分数为7.5%时，涂层的透光率为76.3%，水滴的接触角能达到160.9°±0.7°，即使试件表面被雨水冲刷5 h，依旧可以维持一定的疏水性能。在低温箱中，将完整的试件与表面磨损的试件同时放置在−20～0 ℃环境下1 h，完整试件的接触角仍大于150°，表面磨损的试件也能保持一定的疏水性能；在−5 ℃的低温箱中，将水滴匀速喷洒在完整的超疏水沥青混凝土试件和磨损试件表面，以模拟结冰，发现完整试件表面未出现结冰现象，磨损试件表面有少量结冰；即使超疏水沥青混凝土试件表面结冰，通过“落锤”试验模拟行车荷载对试件表面冰层进行冲击，冰层也可轻易除去。除此之外，使用Abaqus软件模拟超疏水沥青路面的除冰机理，对模型仅施加车辆荷载，计算得到冰层内部的最大拉应变为3.25×10−4，最大剪切应变为4.25×10−4，均大于冰层的极限破坏拉应变（2.2×10−4）和极限破坏剪切应变（2.4×10−4）。纳米SiO2粒子在涂层表面团聚形成了微纳粗糙结构，使涂层具有超疏水性。涂层的超疏水性可以降低水与路面之间的黏结力，使水滴落在超疏水沥青混凝土涂层表面时即刻滚落，有效减小了路面的结冰量，提高了沥青路面的抑冰、除冰性能。

超疏水涂层；沥青混凝土；SiO2；改性聚硅氧烷；复合结构；抗凝冰；软件模拟

固体表面的润湿性通常采用水滴的接触角来表征。当水滴在固体表面的接触角大于150°且滚动角小于10°时，固体表面被称为超疏水表面[1]。20世纪70年代，德国植物学家威廉·巴特洛特发现水滴无法在荷叶表面停留，证明荷叶是一种天然的超疏水表面[2]。从此，由“荷叶效应”引起的有关超疏水表面的研究受到国内外专家学者的广泛关注。目前，超疏水表面在自清洁、防水、防雾、抗黏附、抗凝冰、防腐蚀等领域的研究取得了一定进展[3-9]。陈钰等[10]通过对荷叶表面微纳粗糙结构的研究，成功制备了人工超疏水表面。人工超疏水表面一般具有低表面能物质和微纳粗糙表面结构的特点，因此，人工超疏水表面一般是利用低表面能物质修饰粗糙表面[11]或在表面构造粗糙微纳结构[12]形成的。超疏水表面的制备方法有溶胶–凝胶法、电化学沉积法、热处理法等，受制备工艺的限制，上述制备方法还停留在实验室阶段，很难实现超疏水表面的大规模工业应用，因此研究一种简单、易操作、可批量生产的制备方法对超疏水表面的实际应用有重要意义。

我国北方地区冬季天气寒冷，雨雪频繁且持续时间长，路面极易结冰。路面结冰会减小路面的摩擦力，从而使汽车的轮胎与路面之间的附着力下降，降低路面的抗滑性或影响道路其他使用性能，从而引发交通事故。同时，也会使路面发生冻融破坏，影响道路的使用寿命。传统的预防道路冻害的主要思路分为除冰和防冰，目前国内外主要采用主动防冰、被动除冰等技术，例如人工清除法、化学融化法、热力融化法等。无论是主动除冰技术还是被动除冰技术均存在除净率差、效率低、成本高、在作业中易对道路的相关设施造成腐蚀和破坏等问题，不适用于道路的大面积、长期性除冰[13]。经研究发现[14]，水在路面发生渗透是促使道路结冰的主要原因，因此若要预防路面结冰，可在路表构建超疏水表面，从根源上防止水在路面的停留。

据交通部的数据显示，截止2020年底，全国公路总里程达到519.81万km，其中高速公路里程达到15.29万km，居于世界首位[15]。在我国，沥青混凝土是高速公路建设中常用的路面材料，因此研究超疏水涂层在沥青路面应用中的抗凝冰性能在我国沥青路面中的应用具有重要意义。为此，我国的专家学者们在超疏水涂层应用于沥青路面抗凝冰方向的研究工作已取得了较大突破。邓爱军[16]通过把沥青乳液与超疏水涂料共混，制备出超疏水涂层，并应用于沥青混凝土路面，使路面表现出良好的抗凝冰性能。Han等[17]通过把憎水剂（聚四氟乙烯粉）加入乳化沥青中制备出超疏水的乳化沥青路面，该路面的水滴接触角达到152°。彭超等[18]在有机硅橡胶表面构造粗糙微纳结构，将制备的超疏水涂层用于沥青路面，可延迟冻结时间25 min。文中利用聚硅氧烷的黏结作用及疏水纳米SiO2的低表面能特性，制备出一种超疏水复合涂层，以沥青混凝土试件为基材，采用浸涂法在沥青混凝土表面构筑多孔网络微纳米粗糙结构，制备出稳定性良好的超疏水沥青混凝土。在低温状态下，水滴落在超疏水沥青混凝土上也不易结冰，即使出现结冰的情况，除冰也比普通混凝土路面简便快捷。该制备方法操作简单、制备成本低、制备过程安全环保，便于大规模推广和应用于沥青混凝土路面的抗凝冰方面。

1 实验

1.1 材料及仪器

主要材料：聚硅氧烷，广州市犀力化工有限公司；疏水纳米SiO2（R972），比表面积为（110±20）m2/g，堆积密度约为50 g/L，平均原生粒径为16 nm，德国Evonic Degussa公司；无水乙醇，AR，重庆川东化工集团有限公司；载玻片，长沙市裕丰化玻器械有限公司；去离子水，自制。

主要仪器：JM–B3002型电子天平，诸暨市超泽衡器设备有限公司；CJJ78–1型磁力加热搅拌器，上海梅香仪器有限公司；DY–10–400DT型超声波清洗槽，重庆东悦仪器有限公司；JC2000C1型接触角测量仪，上海中晨数字技术设备有限公司；IR–960型傅里叶变换红外光谱仪，天津瑞岸科技有限公司；N4型紫外–可见分光光度计，上海仪电分析仪器有限公司；SU8010型场发射扫描电子显微镜，日本Hitachi公司；低温试验箱，东莞市卓亚仪器有限公司。

1.2 制备方法及性能分析

1.2.1 涂层的制备

文中所述的超疏水涂层由2种不同溶液复合改性而成。将疏水纳米SiO2加入无水乙醇中，在室温下用400 r/min的高速磁力搅拌器搅拌20 min，然后使用功率为400 W的超声分散仪处理20 min，得到复合溶液1；将聚氨酯改性聚硅氧烷溶于无水乙醇中，在室温下磁力搅拌20 min，转速设定为400 r/min，再对其超声分散20 min，得到复合溶液2；将洗净并烘干的基材缓慢浸入复合溶液2中，并静置1 min后取出，此为涂层底层；待底层中的聚硅氧烷固化后，将上述基材缓慢浸入复合溶液1中，并静置1 min后取出，待表面乙醇挥发后，再次将该基材浸入复合溶液1中静置1 min，作为该涂层面层，常温下固化12 h，便制备出超疏水涂层。

1.2.2 红外光谱分析

聚氨酯改性聚硅氧烷、纳米SiO2的红外光谱分析如图1所示。在纳米SiO2的谱线中，在1 095 cm−1处强而宽的吸收带是Si—O—Si反对称伸缩振动峰；在798 cm−1和466 cm−1处为Si—O键对称伸缩振动峰；在3 428 cm−1处的宽峰为结构水—OH反对称伸缩振动峰；在1 638 cm−1附近的峰是水的H—O—H弯曲振动峰。在聚硅氧烷谱线图中，在2 963 cm−1和2 905 cm−1处的峰为—CH3伸缩振动峰；在1 261 cm−1附近的峰是—CH3的变形振动峰；在1 093 cm−1和 1 022 cm−1处的峰为Si—O对称伸缩振动峰；在 865 cm−1和801 cm−1处的吸收峰是因超疏水涂层中含有的Si—(CH3)伸缩振动引起的[19]。

图1 SiO2和聚硅氧烷的红外光谱图

1.2.3 涂层的耐磨性

机械耐磨性差一直是制约超疏水涂层大范围推广和应用的一个关键因素。要将超疏水涂层应用于沥青路面且保持长久的疏水特性，需要对超疏水涂层的耐久性进行测试和分析。如图2所示，将超疏水涂层的载玻片（SiO2的质量分数为7.5%）样品置于600、1 000、1 500目的砂纸上，使用200 g的砝码对其分别施加压力，移动速度为4～5 mm/s，以20 cm为1个磨损周期，测量其水滴接触角，以表征超疏水涂层磨损后的疏水性。如图3所示，该涂层使用600目砂纸重复磨损10个周期后，接触角仍保持在150°以上；使用1 000目砂纸摩擦300 cm后，涂层的接触角从初始接触角降低至150.3°±0.5°；使用1 500目砂纸磨擦500 cm后，涂层的接触角依旧可以维持在150°左右。这证明该聚硅氧烷/ SiO2复合超疏水涂层在反复机械磨损下仍能保持良好的超疏水性，该涂层优良的耐机械磨损性得益于其表面粗糙的微纳米结构，聚硅氧烷作为良好的超疏水黏结剂，可以把纳米SiO2颗粒及其团聚物牢牢地嵌在涂层表面。即使涂层顶部被磨损，涂层底层也具备超疏水性，使涂层的耐磨损性能显著提高。

图2 机械耐磨试验示意图

1.3 超疏水沥青混凝土试件的制备

参考JTG F40–2004《公路沥青路面施工技术规范》制备沥青马歇尔试件。马歇尔试件中所用矿料的具体组成（用质量分数表示）：10～15 mm碎石为26%； 5～10 mm碎石为23%；3～5 mm碎石为21%；0～3 mm碎石为8%；砂为16%；矿粉6%。沥青采用70号基质沥青，沥青与矿料的质量比值为0.05。将成型后的马歇尔试件放在室温下养护24 h，然后使用切割机将其切成厚度约为1 cm的圆形切片。为了模拟沥青混凝土道路表面的粗糙构造，选取马歇尔试件中带有粗糙面的顶端和底端的切片作为试件样品。试件样品制备完成后，使用超声波清洗槽将不含涂层的空白马歇尔试件表面的灰尘清洗干净，放入烘箱烘干后利用浸涂法将马歇尔试件依次完全浸没在上述制备的超疏水涂层的复合溶液中30 min，取出后，在室温下固化12 h，得到超疏水涂层沥青混凝土表面试件。

图3 超疏水涂层在600目(a)、1 000目(b)、1 500目(c)砂纸上机械磨损后的接触角变化

2 结果与讨论

2.1 超疏水沥青混凝土涂层的表面形貌

文中配制的超疏水复合溶液中纳米SiO2的质量分数分别为0、2.5%、5.0%、7.5%、10%，聚硅氧烷的质量分数均为25%。根据人工构造超疏水表面的特点，表面越是呈现出多尺度粗糙结构，尤其是微纳粗糙结构，越有利于超疏水涂层的构建。使用扫描电子显微镜观察了添加不同含量纳米SiO2的涂层的表面形貌，如图4a所示。未添加纳米SiO2的聚硅氧烷涂层表面较为平滑，仅零散、随机地分布着几个聚硅氧烷，团聚形成了大尺寸突起，但突起之间没有形成粗糙的多孔网络结构。添加疏水纳米SiO2后，涂层表面会呈现出粗糙的连续多孔网络结构[20]，这种以聚硅氧烷为骨架，周围分散着纳米SiO2聚集形成的粗糙微纳结构，使涂层表面具备超疏水性。如图4b所示，当涂层中纳米SiO2含量较低时，凹陷孔隙的分布稀疏，纳米SiO2形成的突起也分布得不均匀。继续增加纳米SiO2，涂层表面会形成更多的微纳结构，且分布得更加均匀（图4c和图4d）。如图4e所示，继续向复合溶液中添加纳米SiO2颗粒，使大量疏水纳米SiO2颗粒团聚，涂层表面的突起结构变大，孔隙减少，表面粗糙结构分布不均匀，且表面中部区域已经变得平整。

纳米SiO2的含量对超疏水涂层的表面形貌起着重要作用，添加适量的纳米SiO2可以使涂层表面微纳结构分布得更均匀，改善了粗糙网络的连续性和完整性，从而提高了涂层的疏水性。当超疏水涂层中纳米SiO2的含量过高或不足时，涂层表面的微纳结构会分布不均，三维网络的连续性和整体性降低，从而降低表面的疏水性[21]。由此，制备超疏水沥青混凝土路面时要综合考虑确定纳米SiO2的最佳掺入量。

2.2 超疏水沥青混凝土涂层的透明性

涂层的透明性会对基材本身外观特征的判断产生影响，尤其是将涂层喷涂在沥青路面后，涂层的透明性会影响驾驶员对路面标识线的辨认，驾驶员在夜间或雨天行车时，若涂层造成沥青路面反光“致盲”，会增加交通事故发生的风险，因此需要对涂层的透明性进行控制。

图4 不同含量纳米SiO2涂层的SEM图像

研究表明，涂层的透明度与疏水性是相互制约的[22-23]，涂层表面越粗糙，其疏水性越好，但会降低涂层的透明度。图5反应了不同纳米SiO2质量分数涂层透光率的变化情况。随着涂层中纳米SiO2含量的增加，其透明度逐渐降低。在380～760 nm可见光范围内，添加质量分数为0～7.5%的纳米SiO2，超疏水涂层的平均透光率在75%以上，聚硅氧烷涂层的平均透光率为89.2%，接近载玻片的平均透光率，而添加质量分数为10%的纳米SiO2的涂层的平均透光率仅为32.9%。经综合考虑超疏水涂层的透明度和疏水性，确定溶液中纳米SiO2的最佳质量分数为7.5%，此时涂层的平均透光率为76.3%。

图5 不同含量纳米SiO2涂层的透光率

2.3 超疏水沥青混凝土涂层的化学稳定性

将体积约为3 μL的水滴滴在超疏水沥青混凝土涂层表面，测量超疏水涂层混凝土表面的接触角和滚动角。由图3可知，超疏水沥青混凝土涂层在摩擦前表面粗糙结构完整未破损，水滴在涂层表面近似球形，静态水滴接触角达到160.9°±0.7°，滚动角约为6°±1.9°，这表明该超疏水沥青混凝土涂层表面是超疏水的[24]。

沥青混凝土路面长期在户外自然条件下使用，容易遭到各种腐蚀性液体的侵蚀。为了验证超疏水涂层的化学稳定性，模拟强酸、强碱、盐等3种腐蚀性液体对沥青混凝土表面超疏水涂层的破坏。配制了pH=3的硝酸溶液、pH=12的NaOH溶液、质量分数为3%的NaCl水溶液及去离子水。为了便于观察，将硝酸溶液和NaOH溶液使用甲基橙指示剂染色，NaCl溶液用甲基蓝指示剂染色。利用注射器将3种腐蚀性溶液及去离子水各自滴到4块超疏水沥青马歇尔试块的表面，以破坏试块表面的涂层，每间隔5 h测量滴定位置的接触角，分析超疏水沥青混凝土涂层的耐化学腐蚀性能（如图6所示）。

如图6a所示，在NaOH溶液中，涂层的接触角从160.9°±0.7°开始下降，浸蚀24 h后，涂层接触角下降幅度较大，浸蚀48 h后涂层的接触角降低至150°以下，超疏水性丧失，这表明该超疏水沥青混凝土涂层的耐碱性较差。涂层中的部分纳米SiO2不能在强碱环境中稳定存在，使涂层表面的低表面能物质损耗、微纳结构破坏，从而降低了涂层的疏水性，因此在实际应用中应特别注意碱性液体对超疏水沥青混凝土路面的破坏。从图6b～d中可以发现，该涂层在酸性、中性液体、去离子水中浸蚀60 h，仍能保持良好的超疏水性，并且在浸蚀过程中涂层的接触角基本没有发生变化，酸性、中性溶液对涂层的疏水性基本没有影响。由于涂层由化学稳定性良好的SiO2及聚硅氧烷组成，在涂层固化后会生成大量无机结构，使该涂层在各溶液中能保持化学稳定性。此外，涂层自身的超疏水特性也能阻止水分子及腐蚀性离子等侵入内部，保护了涂层的微纳结构。

图6 涂层接触角随不同溶剂NaOH（a）、HNO3(b)、NaCl (c)、去离子水(d)浸蚀时间的变化规律

2.4 超疏水涂层对沥青路面抗凝冰性能的影响

为了验证超疏水涂层对沥青路面抗凝冰性能的影响，将超疏水沥青混凝土试件与普通沥青混凝土试件进行结冰、除冰和低温抗冻的模拟对比实验，并通过Abaqus软件模拟行车荷载对路面冰层产生的拉应力和剪应力，验证超疏水沥青混凝土的抗凝冰机理。

2.4.1 抗冲击性及凝冰性

我国地处亚欧大陆的东北部，气候类型多种多样。由超疏水表面的概念可知，水滴落在超疏水表面会立即弹走或流走，因此雨水在超疏水沥青混凝土试件表面的滞留时间可以作为评价其防凝冰性能的指标之一。随着雨水不断撞击路面，产生的冲击力可能会破坏超疏水沥青路表的涂层，缩短涂层的使用寿命，因此在实际应用中超疏水沥青混凝土路面应具有一定的抗雨水冲击性能。在一次中雨（雨量约为0.83 mm/h）的天气下，将超疏水沥青混凝土试件放置于室外，观察雨水冲击对所制备的超疏水沥青混凝土涂层的影响，每30 min记录涂层接触角的变化数据。

如图7a所示，雨滴不断落向超疏水沥青混凝土试件表面，对超疏水沥青混凝土涂层的结构进行破坏。如图7b所示，雨水冲刷的前2 h内涂层从初始接触角160.9°±0.7°开始大幅度降低，雨水冲刷的第3个小时中，接触角降低的趋势平缓，从雨水冲刷的第4个小时开始，超疏水沥青混凝土涂层的接触角慢慢趋于稳定，直到雨水冲刷5 h后，涂层的水滴接触角依旧能保持在132°±1.7°左右。这是因为随着雨水的冲刷，涂层表面微纳结构被破坏，表层的SiO2被冲刷并随雨水流走，涂层中新暴露出的SiO2距离底层的聚硅氧烷越来越近，与聚硅氧烷黏结得越紧密，因此越难被雨水冲刷。另一方面，沥青路面经过车辆荷载破坏或暴雨冲击后，超疏水沥青混凝土涂层的功能性会降低或丧失。由于该超疏水沥青混凝土涂层的制备方法简便、成本低廉，可反复喷涂在沥青路面上，因此这里制备的超疏水沥青混凝土涂层可作为在暴雨、暴雪预警时沥青道路主动防寒抗凝冰的一种防护方法进行推广使用。

图7 超疏水沥青混凝土试件室外雨水冲击试验

为了进一步模拟寒冷地区沥青路面的结冰情况，制备了如图8a—d所示的滴水装置来观测混凝土试件表面的结冰情况。图8a、图8b中左侧装置测试普通沥青混凝土试件的结冰情况，右边装置测试采用上述浸涂法制备成的超疏水沥青混凝土试件的结冰情况。图8c—d中左侧装置测试完整的超疏水沥青混凝土试件的结冰情况，右侧装置测试表面被砂纸磨损破坏后试件的结冰情况。在水温为0 ℃、环境温度为−5 ℃的低温箱里，每隔1 h观测1组试件表面的结冰量。从图8e—l可以清楚地发现，普通混凝土样品表面的冰量随时间的增加而增加，超疏水沥青混凝土样品表面基本没有结冰，只能看到水滴从表面流走的水迹，而磨损破坏后的超疏水沥青混凝土试件表面出现了少量结冰，这说明超疏水沥青混凝土具有良好的低温抗冻性能。超疏水沥青混凝土表面的滚动角减小，能够减小水滴与路面之间的附着力，当表面以一定的角度倾斜时，水滴会在结冰前迅速流出路面。由于超疏水表面存在微纳米粗糙结构，当水滴落在沥青混凝土表面时，大量的空气被困在粗糙表面的凹槽中，形成了“气垫”，固液界面的实际接触面积仅占总接触面积的10%左右。相关文献指出[25]，超疏水材料的接触角越大，液滴冻结时克服的吉布斯自由能就越大。即：

式中：Δ为冰水密度的差值，一般取200 kg/m3；为重力加速度，通常取9.8 m/s2；sv是固–气界面的表面能，N/m；1v为液–气界面的表面张力，N/m。

通过式（1）可以得出，若超疏水沥青混凝土路面的水滴接触角越大，水滴结冰所需的吉布斯自由能就越大，这意味着超疏水沥青混凝土路面中的水滴需要克服更多能量做功来延迟路面结冰。

图8 普通沥青路面、超疏水沥青路面与表面磨损的超疏水沥青路面的模拟结冰试验的结冰量对比

2.4.2 易除冰性

为了进一步验证超疏水沥青混凝土的疏水、防冰性能，设计了如图9所示的试验方案，利用200 g砝码从高处（10～40 cm）自由落体产生的动能冲击冰层，模拟实际道路中车辆载荷对冰层的作用力。通过观察冰层的破碎情况表征冰层与路面之间黏附力的变化。实验将普通沥青混凝土与超疏水沥青混凝土表面的易除冰性进行了对比，在−20℃的低温箱中，在2组试件表面各滴5 mL水，冰冻2 h，制成样品。从图9a—b可以看出，200 g砝码从10～40 cm高处自由落体对普通混凝土冰层产生冲击时，冰层出现了少量裂纹，但并未出现放射状裂纹，冰层也无明显剥落，表面仅出现钢球下落时冲击荷载造成的坑槽。图9c—e为超疏水沥青混凝土在200 g砝码从10～30 cm高度自由落体后的除冰情况。冰层在重物冲击载荷作用下产生了径向裂纹，断裂面积明显大于重物底部直径，且有局部剥离现象。随着高度的增加，裂缝逐渐增多，相互交织，逐渐剥落。当砝码高度上升到40 cm时，冰层完全破裂剥落，证明超疏水沥青混凝土具有良好的除冰性能。当水滴滴在普通沥青混凝土试件表面时，水滴不仅不会收缩和聚积，还会继续在表面扩散。普通沥青混凝土路面在结冰前，冰水已经渗入沥青路面的内部，在沥青路面结构的孔隙中形成了“冰须”，牢牢“钉”在路面上，这增加了道路除冰的难度。在超疏水沥青混凝土试件表面，水滴会出现明显的收缩积聚，其表面的粗糙微纳米结构凹槽中充满了大量空气，阻止水滴渗入试件内部，提高了超疏水沥青混凝土路面的防冰性能。

2.4.3 低温抗冻性

为了探究超疏水沥青混凝土路面在室外低温环境下的工作性能，将制备完成的超疏水沥青混凝土试件A与在砂纸摩损后的超疏水沥青混凝土试件B分别在−20、−15、−10、−5、0 ℃下的低温箱中及常温（20 ℃）下放置1 h后，测量试件的接触角，其表面的疏水情况如图10a所示，接触角测试结果如图10b所示。随着温度的降低，试件A、试件B表面的接触角均呈现下降的趋势，但未磨损的超疏水沥青混凝土试件A的接触角在低温环境中一直都保持在150°以上，这证明超疏水沥青混凝土试件在未磨损时即使在室外低温环境下仍能保持良好的超疏水性。虽然砂纸磨损对超疏水沥青混凝土试件表面有所破坏，使超疏水混凝土试件B的水滴接触角从初始接触角160.9°±0.7°降低至153.8°±0.3°，但该磨损后的试件B在低温及20 ℃的常温下依旧具备一定的疏水性。这是因为超疏水沥青混凝土试件表面有粗糙的微纳结构，且试件表面三维网络的连续性和整体性并没有在低温下被破坏，使得该混凝土试件具有良好的低温工作性能。

图9 普通沥青路面、超疏水沥青路面防覆冰模拟试验

图10 超疏水沥青混凝土试件的低温抗冻模拟试验

2.4.4 基于Abaqus模拟下的超疏水沥青路面的除冰机理

冬季，当冰雪覆盖路面时，路面纹理中会逐渐形成微小冰晶。随着晶体逐渐增多，冰晶会“嵌咬”在路面的纹理中，提高冰雪与路面之间的黏结力，增加路面冰雪的清除难度，甚至降低路面抗滑性能，威胁行车安全[26]。为了解决冰雪界面与路面之间的“嵌咬”问题成为道路防冻除冰的关键。文中对沥青路面喷涂超疏水材料进行了路面抑冰、除冰处理，该疏水性材料会渗入沥青路面裂缝，并渗入石料中包裹路面，在路面上形成超疏水膜层，显著降低了沥青路面的自由能，降低了沥青与路面之间的附着力，使冰层处于一种“脱空”状态。如图11所示，在0 ℃下对路面进行模拟，冰层厚度为5 mm，沥青混凝土路面层中粗集料设定为10 mm×10 mm强度较大的花岗岩，出露高度为1 mm，模型整体尺寸为200 mm×50 mm。

在行车载荷的作用下，冰层主要承受车辆重力和摩擦引起的剪应力载荷。使用Abaqus中的tie模拟路面未涂抹超疏水涂层的情况，发现冰层会嵌入沥青表面中，使冰层与路面之间形成接近完全连续状态的接触。使用Abaqus中的Frictionless模拟路面喷涂疏水涂层的情况，发现路面与冰层分开，呈现出一种“掏空状态”。如图12—13所示，在施加荷载后，模型中冰层的最大拉应变为3.25×10−4，最大剪应变为4.25×10−4，均大于冰层的极限破坏拉应变（2.2×10−4）和极限破坏剪切应变（2.4×10−4）。在行车过程中，路面上的冰层刚刚形成就会在车辆荷载的作用下被破坏，由此可见超疏水沥青路面具有优越的除冰、抑冰功能。

图11 Abaqus模拟的超疏水沥青路面结冰模型

图12 Abaqus软件模拟的超疏水沥青路面冰层内拉应变图

图13 Abaqus软件模拟的超疏水沥青路面冰层内剪切应变图

3 结论

采用浸涂法成功制备出了高耐磨的SiO2/聚硅氧烷超疏水透明涂层。聚硅氧烷作为黏结剂与SiO2共同构成了涂层表面的粗糙微纳结构。随着涂层中SiO2含量的增加，表面粗糙结构的平均直径增加，涂层的透明性降低。粗糙微纳结构越明显，疏水性能越强。当SiO2的质量分数达到7.5%时，接触角为160.9°±0.7°，透光性为76.3%，继续增加SiO2发现涂层疏水性和透光性都呈下降趋势，因此确定涂层中SiO2的最佳质量分数为7.5%。

采用浸涂法在沥青马歇尔试件表面构筑超疏水涂层，同时对超疏水沥青混凝土试件、普通混凝土试件及砂纸摩损后的超疏水沥青混凝土试件进行雨水冲刷试验、低温结冰模拟试验和“落锤”除冰试验。通过试验发现，雨水冲击超疏水沥青混凝土试件5 h后，涂层仍具有一定的疏水性能；在同等低温条件下模拟路面结冰，在5 h内普通组试件的表面形成了明显的柱状冰晶，磨损破坏的超疏水试件会出现少量冰晶，超疏水试件只能看到水滴从表面流走的痕迹；通过“落锤”试验，超疏水组试件200 g砝码自由落体下能完全除冰，而普通试件只能观察到冰块表面有不太明显的砝码落下时的坑印。这证明制备的超疏水沥青混凝土具有良好的超疏水性、雨水抗冲击性、抗凝冰性、易除冰性。

通过Abaqus软件模拟超水沥青混凝土路面涂层的主动抗凝冰性能，发现路面处于薄冰状态下仅在行车荷载作用下就能自动除冰。同时，SiO2/聚硅氧烷超疏水涂层制备方法简单、施工操作方便，克服了传统除冰效率低、成本高等缺点，对北方冬季及高纬度、高海拔地区道路的抗凝冰工作有着重要指导意义，具有广阔的市场应用前景。

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Analysis of Anticoagulant Ice Performance of Superhydrophobic Coating Asphalt Concrete Surface

1a,1b,1a,1a,2,2

(1. a. School of Civil Engineering b. National and Local Joint Engineering Laboratory of Traffic Civil Engineering Materials, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 2. Chongqing Municipal Facilities Administration, Chongqing 400014, China)

This study aims to understand the anti-icing performance of superhydrophobic coating applied to asphalt pavements and solve the problem of traffic accidents caused by road icing in northern China and high-altitude areas. With the hydrophobic nano-SiO2powder and polyurethane modified polysiloxane as the main materials, transparent superhydrophobic SiO2/polysiloxane composite coating was prepared on the asphalt marshall specimen surface by the dip coating method. Then, this study made the analysis of the wear resistance, light transmittance, chemical stability and superhydrophobicity of the coating. Meanwhile, it simulated tests such as icing test, "drop weight" test, and anti-freezing test, which were used to evaluate the abrasion resistance, transparency, acid and alkali corrosion resistance, anti-icing performance, easy deicing performance and low-temperature frost resistance of the superhydrophobic coating and the surface morphology of the coating was analyzed by scanning electron microscope and optical microscope. The results showed that the SiO2mass fraction is 7.5% and the light transmittance of the coating is 76.3%, the water contact angle of the composite coating could reach 160.9°±0.7°; even if the surface of the test piece was washed by rain for 5 hours, it could still maintain a certain degree of hydrophobicity; meanwhile, the complete superhydrophobic coating and the superhydrophobic coating with abrasion were applied to asphalt concrete pavement, the contact angle of the complete superhydrophobic coating was still greater than 150° after freezing for 1 h at low temperature (−20-0 ℃), and the coating with abrasion on the surface can also maintain a certain degree of hydrophobicity. In a −5 ℃ cryogenic tank, water drops were dropped at a constant rate on the surface of the tilted complete superhydrophobic asphalt concrete and the superhydrophobic asphalt concrete with abrasion. The surface of the complete superhydrophobic asphalt concrete was free of water droplets, and there was a small amount of icing on the surface of the superhydrophobic asphalt concrete with abrasion. The “drop weight” test was used to simulate the impact of the driving load on the ice layer on the surface of the test piece, and it was found that the ice layer on superhydrophobic asphalt pavement could be completely removed. In the Abaqus software simulation, the internal maximum tensile strain of the ice sheet under the action of vehicle load is 3.25×10−4and the maximum shear strain is 4.25×10−4, both of which are larger than the ultimate tensile strain of the ice sheet (2.2×10−4) and the ultimate destructive shear strain (2.4×10−4). Nano SiO2particles clump together on the surface of the coating to form a micronano rough structure, which makes the coating superhydrophobic. The superhydrophobicity of the coating can reduce the adhesion between water and the pavement to make water droplets roll off instantly when they land on the surface of superhydrophobic asphalt concrete coating, which can effectively reduce the amount of icing on the pavement and improve the ice suppression and deicing performance of the asphalt pavement.

superhydrophobic; asphalt concrete; SiO2;modified polysiloxane; composite structure; ice removal and suppression; software simulation

U416

A

1001-3660(2022)07-0324-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.07.032

2021–08–14；

2021–11–17

2021-08-14；

2021-11-17

重庆市科技术创新与应用发展资助项目（cstc2019jscx–msxmX0290）；重庆市研究生科研创新项目（CYS22395）

Technical Innovation and Application Development Special General Project of Chongqing (cstc2019jscx-msxmX0290); The Scientific and Technological Research Program of Chongqing Municipal Education Commission (CYS22395)

鲁浈浈（1985—），女，博士，教授，主要研究方向为新型超疏水材料的开发与制备。

LU Zhen-zhen (1985-), Female, Doctor, Professor, Research focus: preparation of superhydrophobic surface.

鲁浈浈, 葛倩倩, 陈健,等.疏水涂层在沥青路面上的抗凝冰性能分析[J]. 表面技术, 2022, 51(7): 324-333.

LU Zhen-zhen, GE Qian-qian, CHEN Jian, et al. Analysis of Anticoagulant Ice Performance of Superhydrophobic Coating Asphalt Concrete Surface[J]. Surface Technology, 2022, 51(7): 324-333.

责任编辑：彭颋