一种疏水抑冰超薄磨耗层的应用

吴 松，杨聪利，常 锋，尹媛媛

（1.中交公路规划设计院有限公司，北京 100035；2.长安大学公路学院，陕西 西安 710064）

1 引言

近年来，我国极端天气频现，降雪导致路面结冰给人们的生产生活造成严重影响，由此也引发了许多交通事故。目前应用较多的道路除冰雪方法大致分为被动除冰雪方法与主动除冰雪方法[1]两类。被动除冰雪方法包括撒盐等融雪材料、人工及机械清除，此类方法虽然具备较好的除冰雪效果，但容易对环境及道路本身产生不良影响，同时清除过程会耗费大量资源。因此道路工作者一直致力于研究主动除冰雪技术。主动除冰雪方法包括盐化物融雪路面、热力融雪路面、抑制冻结铺装路面以及路面疏水涂层等。

国内外研究学者对疏水抑冰路面做了大量研究。李耘禄[2]采用饱和氯化钠溶液充分浸泡多孔复合集料后进行级配设计、沥青混合料摊铺，依靠依数性定理分析抑冰效果、抗滑性能和抗紫外老化性能。1976 年，Siegmund Wener 等总结前人研究经验，首次提出“多孔载体”概念。首先破碎多孔载体至集料大小的颗粒状，然后将破碎颗粒浸泡于含有融雪剂的溶液使融雪剂填充于载体孔隙，之后加入混合料，依靠材料破坏实现道路融雪除冰[3]。Won J P等[4]研究了一种可融雪的开放式导电加热路面系统。通过设置新型路面系统并测量混凝土保护层表面温度和导电性水泥基复合材料内部温度，以此确定路面系统热导率。California DOT[5]掺加废旧橡胶细颗粒于沥青混合料并在加州铺筑试验路，通过长期观测试验路使用状况，路面出现了裂缝和车辙等病害，但整体效果良好。李月光等[6]将ZnO超疏水表面材料涂刷于沥青路表，并进行抗凝冰技术研究，研究发现该涂层对沥青路面疏水性能有一定积极作用，对抗滑性的不利影响也满足规范要求，但耐久性存在缺陷，车轮荷载作用会磨损涂层，降低疏水性能。豆怀兵等[7]将融雪剂掺加于乳化沥青，通过测试此混合物的电导率、储存稳定性和蒸发残留物含量等指标确定融雪剂最佳掺量和搅拌时间，以此评价疏水抑冰性能。

综上所述，各类主动型除冰雪方法也均存在一定弊端，盐化物融雪路面盐分析出不规律及使用后期除雪功效下降严重；热力融雪路面因需要预埋热力管道等设备，项目前期投资大、实用性不强；橡胶颗粒沥青路面因在沥青混合料中掺加橡胶颗粒使沥青混合料本身强度损失，橡胶颗粒易从道路表面脱离，所以此方法仍值得考量；路面疏水涂层虽具备较强的疏水性能，但涂层易从路表脱落，同时会造成路面抗滑性能和表观纹理特征下降；而疏水抑冰超薄磨耗层在具备优异疏水抑冰性能的同时，具备良好的耐磨耗性、抗滑性以及路用性能，因此对疏水抑冰超薄磨耗层进行研究可以为我国其他疏水路面、融雪路面等的研究和运用提供参考。

2 试验方法

2.1 原材料

试验所需主要材料包括：A 成分异氰酸酯、B 成分胺类化合物、C 成分多元醇、D 成分乙酸乙酯，乳化剂、沥青。A成分可为异氰酸酯单体或聚合体，B成分为由端氨基树脂（端氨基聚醚）和端氨基扩链剂等组成的胺类化合物，D成分具有优异的溶解性[8，9]。乳化剂采用十八烷三甲基氯化铵（1831）乳化剂，室温下为淡黄色固状物，活性物含量为69%，游离氨含量为1.6%，pH值为6.7；沥青采用KLM-70#沥青，针入度76.3（0.1mm），10℃延度、15℃延度均大于100cm，软化点47.3℃，测试方法严格按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）[10]的相关规定；集料采用玄武岩碎石，采用《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）[11]的方法对集料的技术指标进行测试，测试结果见表1～表4。

表1 集料密度测试结果

表2 粗集料技术指标

表3 细集料技术指标

表4 矿粉技术指标

2.2 疏水抑冰超薄磨耗层混合料材料设计

2.2.1 疏水抑冰复合剂制备

疏水抑冰复合剂的制备温度为20℃室温环境，制备方法如下：

①在组分A 中加入组分D 形成混合物1，A 组分与D组分的质量比为11：1，同时使用玻璃棒搅拌约1min，使A组分充分溶解于D组分。

②然后在混合物1中加入C组分，与A组分发生聚合反应，生成一种新的混合物2，C组分与A组分的质量比为5：11。

③在混合物2 中，再加入B 组分，与剩余的A 组分发生聚合反应，生成混合物3，B组分与A组分的质量比为3：11，然后高速剪切处理约5min，得到目标产物——疏水抑冰复合剂。

各组分间的所有反应过程均在溶剂D 乙酸乙酯中进行，且最后生成的混合物进行高速剪切处理5min。

制备路面疏水抑冰复合剂的化学反应机理为：A组分与C 组分、B 组分分别发生化学反应，反应机理分别如图1、图2所示。

图1 A组分与C组分化学反应机理

图2 A组分与B组分化学反应机理

2.2.2 疏水抑冰沥青制备方法

将疏水抑冰复合剂按一定比例（用量分别为0、2%、4%、6%）加入KLM-70#沥青中，持续高速搅拌至与沥青均匀混合，沥青加热温度为150℃。

2.2.3 乳化沥青制备方法

选用十八烷三甲基氯化铵（1831）乳化剂及KLM-70#沥青和适量水按一定比例（乳化剂为1.0%，沥青为60%，水为39%）制备乳化沥青。按照相关试验测试乳化沥青的相关性质[12，13]，测试结果见表5。将制备好的乳化沥青储存，在普通沥青混合料试件表面铺筑疏水抑冰超薄磨耗层。

表5 乳化沥青常规性质测试结果

2.2.4 HA-UTWC材料组成设计

矿料级配选用超薄磨耗层矿料级配UTAC-10（细），矿料级配组成见表6。

表6 UTAC-10（细）矿料级配组成

在确定矿料级配后，分别采用4.7%、4.9%、5.1%、5.3%和5.5%的油石比进行沥青混合料拌合，然后依据马歇尔设计方法确定最佳油石比。采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）[10]中T 0702—2011的沥青混合料试件成型方法制作标准马歇尔试件，即φ101.6mm×63.5mm的圆柱体试件。最终确定的最佳油石比为5.1%，沥青混合料马歇尔体积指标见表7。

表7 沥青混合料马歇尔体积指标

将制备好的乳化沥青均匀洒布在普通沥青混合料试件上，之后将热拌的疏水抑冰沥青混合料摊铺于乳化沥青上，铺筑疏水抑冰超薄磨耗层，厚度为20mm。将疏水抑冰超薄磨耗层试件储存用于后续试验研究。

2.3 疏水抑冰沥青技术指标测试

2.3.1 常规技术指标

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）[10]测试疏水抑冰沥青针入度、软化点、15℃延度以及135℃布氏黏度等指标。

2.3.2 接触角

采用接触角测试仪所测接触角来表征疏水抑冰沥青的疏水性质[14]，如图3 所示。此方法的技术原理为，液滴滴落至固体表面相互接触时，通过高倍相机或显微镜头等设备将此刻接触状态的外形捕获为图像，之后利用数字图像处理和算法计算固-液界面接触角。接触角越大，表明疏水性越强。本试验在环境温度为15℃时进行。接触角测试的试验步骤如下：

图3 接触角测试仪

①疏水沥青试样成型：将洁净载玻片的一端插入加热温度为150℃的疏水沥青后拿出悬挂晾干，使其表面平整，沥青膜厚度约为10mm。

②使用接触角测试仪进行液滴滴落，滴落前需保持试件表面水平。

③水滴滴落后，利用接触角测试仪的图像捕获和分析功能计算接触角。

2.3.3 水滴滑落时间

水滴滑落时间是指将疏水抑冰沥青涂抹于表面光滑的玻璃板上，待其凝固并恢复至室温后，将玻璃板倾斜至一定角度（7°、10°、15°），在玻璃板顶端滴定量水，通过测试水滴滑落至玻璃板最底端的时间表征疏水抑冰沥青的疏水性质[15]，测试原理如图4所示。水滴滑落时间越快，表明疏水抑冰沥青疏水性越强。

图4 水滴滑落时间测试示意图

2.4 疏水抑冰超薄磨耗层疏水性能技术指标测试

采用水滴滑落时间对HA-UTWC 的疏水性能进行表征。由于混合料表面存在纹理特征，水滴滑落时间会受表面纹理特征影响，采用单位长度内水滴滑落时间表征HA-UTWC 的疏水性能。首先采用激光纹理扫描仪（图5）对试件表面纹理特征进行扫描，采集到试件表面各点高程后用MATLAB程序计算经过这些点的曲线长度，进而换算为每延米混合料试件纹理长度[16，17]。然后测试不同掺量疏水抑冰复合剂的HA-UTWC 试件在不同倾斜角度（15°、20°、25°、30°和45°）的水滴滑落时间，评价疏水性能。每延米水滴滑落时间越短，疏水性能越强。

图5 AMES激光纹理扫描仪

2.5 疏水抑冰超薄磨耗层抑冰性能技术指标测试

采用钢球锤击防覆冰试验表征HA-UTWC 的抑冰性能。利用425g钢球在1m高度处自由下落，待钢球锤击完成后测算冰层破损面积，测试原理如图6所示。冰层破损面积越大，HA-UTWC的抑冰性能越强。

图6 钢球锤击防覆冰试验

2.6 其他路用性能技术指标测试

HA-UTWC的疏水抑冰性能较好，但需对路用性能进行验证。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）[10]要求，对HA-UTWC 的稳定性进行验证。同时采用铺砂法、摆式摩擦仪以及步行式摩擦系数测试仪（WFT）[18]对抗滑性能进行验证，步行式摩擦系数测试仪如图7所示，测试速度选择15m/min。

图7 步行式摩擦系数测试仪

3 结果与讨论

3.1 疏水抑冰沥青常规技术指标试验结果

表8 为疏水抑冰沥青常规技术指标测试结果。由表8 可知，随疏水抑冰复合剂掺量增加，沥青针入度降低，软化点、15℃延度及135℃布氏黏度增大。原因为疏水抑冰复合剂为流动状液体，具备较好的物理力学性能，掺入沥青后，未与沥青组分发生化学反应，仅对沥青产生物理改性作用。

表8 疏水抑冰沥青常规技术指标测试结果

3.2 疏水抑冰沥青疏水性技术指标试验结果

表9为疏水抑冰沥青接触角测试结果，图8为接触角测试仪采集的图像，表10 为疏水抑冰沥青的水滴滑落时间测试结果。由图表可知，随疏水抑冰复合剂掺量增加，疏水抑冰沥青接触角增大，水滴滑落时间减少。因为疏水抑冰复合剂掺加在高温熔化的沥青中会发生熔融，且随着沥青固化逐渐上浮，在沥青涂刷层表面形成一层连续、致密且具有较低表面能的薄膜，表现出良好的疏水性。

图8 接触角测试仪采集图像

表9 疏水抑冰沥青接触角测试结果

表10 疏水抑冰沥青水滴滑落时间测试结果

3.3 疏水抑冰超薄磨耗层疏水性能技术指标试验结果

HA-UTWC 的水滴滑落时间测试结果见表11。由表11 可得，随试样倾斜角度和疏水抑冰复合剂掺量增加，HA-UTWC试样的水滴滑落时间减少。将疏水抑冰复合剂掺入沥青混合料后，在沥青混合料试件成型过程中熔融后上浮形成一层连续致密的疏水性薄膜，这层薄膜会裹覆在沥青混合料集料表面，或疏水抑冰复合剂熔融后填充于混合料空隙，使混合料具备较强的疏水性能。

表11 HA-UTWC水滴滑落时间测试结果

3.4 疏水抑冰超薄磨耗层抑冰性能技术指标试验结果

图9和图10分别为钢球锤击防覆冰试验图片及采用MATLAB 程序测算的冰层破损面积。由图8 和图9可以看出，随疏水抑冰复合剂掺量增加，冰层破损面积增大。呈现出这一规律的原因是疏水抑冰复合剂在沥青混合料拌合及HA-UTWC 冷却成型过程中熔融并上浮形成连续致密的疏水性薄膜，这层薄膜具备较低的表面能，会改善路表的疏水性能。当冷水接触至试件表面时，水滴与试件的接触角较大，接触界面会夹杂空气，接触面积减小，这样当积水结冰之后冰层与路面间的粘附性较小，受到外力作用后易于剥离。

图9 冰层破损效果

图10 冰层破损面积测算结果

3.5 疏水抑冰超薄磨耗层其他路用性能技术指标试验结果

HA-UTWC的高温、低温及水稳定性试验结果见表12，抗滑性能测试结果见表13。由表12可知，随着疏水抑冰复合剂掺量增加，HA-UTWC 的稳定性有所提升。这是因为疏水抑冰复合剂为高分子聚合物，在沥青混合料高温拌合过程中熔融后掺杂于沥青胶浆，改善其粘-弹性特性和黏度等指标，增加了沥青对集料的粘附性，进而提升沥青混合料的粘-弹性及强度等指标，因此随疏水抑冰复合剂掺量增加，沥青混合料高温、低温和水稳定性均逐渐提升。从表13 来看，随疏水抑冰复合剂掺量增加，HA-UTWC的抗滑性能出现衰减。造成这一变化的原因是疏水抑冰复合剂在沥青混合料拌合及HA-UTWC 试件成型过程中熔融并填充了部分混合料空隙，同时随温度降低，因其表面能较低向混合料表面迁移，在试件表面形成一层连续致密薄膜，损失了路表的部分纹理特征，造成抗滑性能衰减，但抗滑性能仍满足规范要求，可确保道路安全运营。

表12 HA-UTWC稳定性技术指标试验结果

表13 HA-UTWC抗滑性能技术指标试验结果

4 结语

通过对疏水抑冰沥青的技术指标以及HA-UTWC的疏水抑冰性能、路用性能进行试验研究，得出以下结论：

①相较于普通沥青，疏水抑冰沥青具有针入度小、软化点高、延度大以及布氏黏度高等优点，同时具备较强的疏水性，在工程建设中可根据实际情况进行选用。

②疏水抑冰超薄磨耗层具备较强的疏水抑冰性能，相较于普通路面，其水滴滑落时间更短、冰层破损面积更大，可以降低路表与冰层间的粘附力，更有利于冬季道路除冰。

③疏水抑冰超薄磨耗层具备较强的稳定性，60℃动稳定度、破坏最大应变量与冻融劈裂强度比均优于普通路面，能适应环境变化，具备更广泛的适用范围。

④疏水抑冰超薄磨耗层具备优异的疏水抑冰性能和稳定性，虽会造成路面抗滑性能有一定程度衰减，但抗滑性仍能满足规范要求，能够确保道路安全运行。