沥青路面用抗凝冰疏水涂层的性能评价

蔡广楠 赵 佩 王铁水 魏唐中

（南京兴佑交通科技有限公司）

0 引言

恶劣气象条件引发的复杂路况会影响正常的道路交通，使车辆发生制动效果减弱等情况，还会让驾驶人员对实际路况的判断出现失误从而引发交通事故[1-2]。在南方高海拔、高寒湿地区所形成的冻雨、黑冰[3-4]甚至比北方地区的冰雪更严重、更危险、更难清除。路面黑冰是出现在路面上的一层很薄的冰，本身是透明的，路面颜色可以透过薄冰显现出来，在沥青等较暗的路面上呈现为黑色，因此被叫做黑冰。往往出现在道路的构造深度中，和沥青路面之间的粘结强度很大[5]，导致薄冰难以被清除且使路面抗滑能力大幅下降，对道路行车安全造成严重威胁。因此，降低黑冰和沥青路面的粘结力成为抑制路面结冰的关键问题。本研究通过在路表涂布抗凝冰疏水涂料来降低沥青路面的表面能。涂料中添加适量的抗凝冰成分，使路面呈现疏水状态的同时具备一定的融冰能力，使沥青路面上的水分沿着横坡被迅速排出从而避免结冰[6-7]，同时减小薄冰对路表的粘附强度，使路面的薄冰更容易被清除。基于此形成一套针对黑冰的解决方案，为冬季冰雪问题提供新的解决思路。

1 抗凝冰疏水涂料组成设计

1.1 原材料选择

抗凝冰疏水涂料的原材料包括：有机硅橡胶乳液，醋酸钾，碱性硅溶胶，正硅酸乙酯，甲基硅油，促进剂，乳化沥青，自来水。其中有机硅橡胶乳液的固含量为52%，碱性硅溶胶的固含量为25%。

1.2 抗凝冰疏水涂料组成设计

我国现行规范[8]要求有机硅橡胶乳液制备的抗凝冰涂料的运动粘度（25℃）≤5，涂料的固含量为25%～30%。基于此，本研究抗凝冰疏水涂料的组成设计如表1所示。

表1 抗凝冰疏水涂料组成

按照表中的比例分别将A、B 组分中的材料混合搅拌均匀存放，在使用前按照比例将A、B 组分混合，以400r/min 的速度搅拌15min 后使用，两组分混合后的涂料混合后要在30min 内使用完。

2 抗凝冰疏水涂层性能评价

2.1 疏水性能

降低薄冰和沥青路面之间的粘结力是抗凝冰疏水涂层除冰的关键，因此抗凝冰疏水涂料在路表形成薄膜后的疏水性能很重要。抗凝冰疏水涂料的疏水性能可采用接触角θ 的大小进行评价，通常认为θ＞90°时为疏水材料，θ＜90°时为亲水材料，接触角θ 越大说明材料的疏水性能越好。

选择AC-13 级配制备马歇尔试块，以现行规范[8]推荐用量0.4kg/m2为中心，在准备好的马歇尔试块上分别 以0.2kg/m2、0.3kg/m2、0.4kg/m2、0.5kg/m2、0.6kg/m2涂布等量的涂料，等待其固化完全后即可进行疏水性能测试。将制备好的试块按照涂布量从小到大的顺序分别命名为Spr-1、Spr-2、Spr-3、Spr-4、Spr-5。

用液滴图像分析法[9]拟合测定接触角θ，结果如表2 所示。

表2 接触角试验结果

从表2 中可看出，对比空白组，涂料固化后形成的涂层接触角均大于90°，疏水性能良好，随着涂料洒布量的增加，接触角逐渐增大，当洒布量达到0.5kg/m2及以上时，接触角不再随着洒布量的变化而变化，接触角增大了126%。分析认为，洒布量小时不能完全覆盖马歇尔试块表面，裸露的部分亲水性能仍然较强，导致接触角不够大；随着洒布量的增加，马歇尔试块表面被完全覆盖，接触角不断变大，疏水性能不断提升。但是涂层的疏水性能和材料本身相关，当马歇尔试块表面被完全覆盖后，接触角不再随着洒布量的增加而增加。

2.2 抗滑性能

沥青路面的设计中，抗滑指数是一个很重要的指标，关系到行车安全。本研究依据现行规范[10]测试评价抗凝冰疏水涂层的路面抗滑性能。试验主要仪器有摆式摩擦系数测定仪、标准尺和喷水壶等。在以AC-13 级配为上面层的沥青路面上选定5 处先测其摆值（BPN），然后涂刷抗凝冰疏水涂料，仍然以0.2kg/m2、0.3kg/m2、0.4kg/m2、0.5kg/m2、0.6kg/m2的洒布量涂刷，待固化后，再测其摆值，并与原路面摆值比较，分别测三次取平均值。试验结果如表3 所示。

表3 抗滑性能测试结果

从表3 中可知，涂层路面较原始路面抗滑性能均有所下降，随着洒布量的增加，抗滑性能进一步的下降。洒布量超过0.5kg/m2时，摆值下降率超过10%，不满足规范要求。分析认为，涂层路面上的疏水薄膜和原始路面比能将水膜聚集起来，所以涂层路面的抗滑值会有一定程度的降低，但是降低值的大小受洒布量的影响，洒布量过大，疏水薄膜太厚就会导致抗滑性能大幅下降，对行车安全造成威胁。

2.3 抗凝冰性能

本研究从抗凝冰疏水涂层的冰点和表面冰层黏附力两个方面进行抗凝冰性能的评价，依据现行规范[10]测定Spr-1、Spr-2、Spr-3、Spr-4、Spr-5 的冰点和冰层与试块的粘结强度，粘结强度用表面冰层黏附力表示。试验结果如表4、表5 所示。

表4 冰点测试结果

表5 表面冰层黏附力测试结果

从表4、表5 中可知，随着洒布量的增大，涂层的冰点和表面冰层黏附力都在逐渐降低，这与随着洒布量增大，相同面积涂层中包含的抗凝冰成分增多有关系。对比没有涂层的马歇尔试块，有涂层的马歇尔试块上表面冰层黏附力明显降低，导致有涂层的路面上的冰层更容易被清除。

综上所述，抗凝冰疏水涂层的洒布量过少，沥青路面覆盖不完全，疏水性能会较差；洒布量过多，抗滑性能下降过多，不满足规范要求，会存在行车隐患。具体使用时，需要根据施工路面情况简单进行抗滑性能试验，得到最佳洒布量后再进行施工。

3 工程实例

2021 年12 月22 日兴佑交科协同江苏通用路桥在溧阳104 国道K1246+442 南河大桥进行了抗凝冰疏水涂层试验段的施工，撒布前对路面进行简单清扫，吹去浮尘和杂物，涂料洒布量为0.6kg/m2，乳白色的涂料固化后与路面颜色接近一致，无明显差别。洒布前后进行了抗滑性能测试，如表6 所示。

表6 抗滑系数以及渗水检测

12 月27 日在施工路段进行了疏水性能和抗凝冰性能测试。疏水性能测试是将等量水直接洒在有涂层路面和无涂层路面上，发现有涂层的路面上，水分扩散的面积较小且不渗透进沥青路面中，在气流作用下流动痕迹很长；无涂层路面上，水分快速渗透进路面，扩散面积较大，在气流作用下无流动性。

抗凝冰性能是在同样温度下，将同样浸湿的A4 纸分别贴在有涂层路面和无涂层路面上，观察结冰时间和结冰后揭下来的难易程度。发现有涂层路面上开始结冰的温度较低，结冰速度较慢且结冰后A4 纸可以完整揭下来，无涂层路面结冰温度较高，结冰速度较快且A4 纸在路面上粘结牢固，无法完整揭下。

可以得出结论，在保证抗滑性能下降值满足现行规范[10]要求的前提下，对比普通沥青路面，有涂层的路面疏水性良好且具备良好的抗凝冰性能。

4 结论

本研究针对冬季高海拔、高湿寒地区容易出现黑冰，引发交通事故的问题，设计了抗凝冰疏水涂层材料，以洒布量差异化为基础，对其疏水性能、抗滑性能和抗凝冰性能进行研究，初步结论如下：

⑴随着洒布量的增加，抗凝冰疏水涂层的疏水性能逐渐增强，达到0.5kg/m2后疏水性能不再随着洒布量的增加而变化，接触角增大了126%；

⑵随着洒布量的增加，抗凝冰疏水涂层的抗滑性能不断下降，达到0.5kg/m2后抗滑性能下降值超过10%，不再满足现行规范要求；

⑶随着洒布量的增加，抗凝冰疏水涂层的抗凝冰性能逐渐增强。满足抗滑性能要求的最大洒布量为0.4kg/m2，此时冰点为-5.4℃，表面冰层黏结力为92.6N。