寒区环境下新型桥面抗凝冰沥青混合料制备方法与性能

2023-07-29邹卓辰杨庭树

化学与粘合 2023年4期

邹卓辰，谢晖，杨庭树，奚南

（1.福建农林大学金山学院, 福建福州 350002；2.中机中联工程有限公司，重庆 400039）

0 引言

我国的公路运输是经济社会发展的重要保障，而寒区环境下的路面冬季结冰对交通安全造成了严重的威胁，重则导致路口封闭、交通暂停，已经成为了道路交通事故发生的一大诱因[1]。如何快速消融沥青路面的冰雪成为了国内外学者的研究热点。实践中应用较广的沥青路面除冰技术包括2 种，一是被动除冰，如人工除冰、机械除冰、融雪剂除冰，前两者具有速度慢、成本高、效果差等不足，后者具有腐蚀强的问题；二是主动除冰，从路面内部组成出发，在沥青中掺加化学剂、铺设加热装置等，以避免积雪结冰[2-4]。

瑞士首先在沥青中掺加抗凝冰剂V-260，通过路面车辆的碾压控制有效融雪成分析出，在路表形成盐溶液，进而降低冰点融化路面积雪[5]。这一技术称为消融冰雪的蓄盐沥青路面技术，为路面冰雪消融研究提供了新思路。但在实践中发现，蓄盐沥青路面中的抗凝冰剂会受到环境的影响，导致融雪有效成分容易流失，路面抗凝冰年限较短[6]。为克服这一难题，金爽等将化肥包膜技术应用到抗凝冰剂包膜中来，将抗凝冰使用年限延长到6 年[7]；王鹏研究制备出的具有温敏性能的抗凝冰剂，能减少有效成分的流失，抗凝冰使用年限延长有限[8]。

微胶囊是指由聚合物壁壳包裹活性成分的微型颗粒，具有保护敏感成分，控制芯材释放，隔离组分等功能[9]。因而微胶囊技术自20 世纪30 年代问世以来，迅速拓展应用到医药、食品、建材等领域。为解决蓄盐沥青路面非冬季有效成分流失问题，本次研究采用微胶囊技术，将抗融冰剂包裹在改性明胶中，以实现抗凝冰剂的缓释和保护，进而提高其使用效果，延长其使用年限。为此，开展了明胶改性研究、微胶囊包膜条件研究以及融雪抑冰性能研究，研究成果可为寒区环境下的抗凝冰沥青路面设计提供一定的参考。

1 试验方案设计

1.1 明胶改性试验方案

本次研究所用明胶为河北某公司生产的工业明胶。但明胶成膜表面微裂缝发育，使其存在韧性不强的缺点，以明胶作为抗融冰微胶囊壁壳容易发生断裂。明胶分子链上的活性官能团如羧基、氨基等分别可以与乙二醇中的羟基发生羟氨基化反应、酯化反应，形成明胶衍生物，进而塑性增强。因此改性剂选用了乙二醇，纯度为分析纯。为确定最佳改性剂掺量、最佳的改性水浴温度及时间，设计了多组试验，详见表1、表2、表3。将明胶溶胀，掺加改性剂后水浴加热并搅拌，待明胶完全溶解后，平铺于玻璃板上干燥成膜，分别测试明胶膜的抗拉强度和断裂长度，以此确定最佳改性方案。

表1 明胶改性剂掺量方案Table 1 The dosage scheme of gelatin modifier

表2 明胶改性水浴温度Table 2 The water bath temperature for gelatin modification

表3 明胶改性水浴时间Table 3 The Water bath time for gelatin modification

1.2 微胶囊包膜试验方案

本次研究将融雪材料置换沥青路面混合料中的矿粉，为最大程度上降低融雪剂对沥青路面性能的影响，确保复合融雪材料与矿粉性质相近，选择了硅藻土为载体吸附融雪剂制备成复合融雪材料。融雪剂参考了苏志俊等的研究，选择了复合氯盐型融雪剂，组分为80%NaCl 与20%CaCl2·2H2O，缓蚀剂采用硅酸钠、磷酸二氢锌、三聚磷酸钠和柠檬酸钠，每千克融雪剂中各添加0.67 g。首先按照明胶改性研究中确定的改性方案制备改性明胶（12%掺量乙二醇，55 ℃下水浴搅拌20 min），并配制0.2 g/mL 的硫酸钠溶液与0.2 g/mL 的改性明胶溶液，然后将复合融雪材料按0.1 g/L 的浓度添加到改性明胶溶液中，搅拌均匀后加入硫酸钠溶液继续搅拌，出现凝聚后进行冰浴沉淀，最后将沉淀物烘干碾磨制成融雪微胶囊，并通过SEM 扫描电子显微镜对其进行观察。

1.3 抗凝冰沥青性能试验方案

为对比分析融雪胶囊的融雪性能及路用性能，用融雪微胶囊与V-260 分别置换沥青混合料中的部分矿粉，制备成沥青试块。沥青选用SBS 改性沥青，级配组成采用悬浮密实结构，混合料采用AC-13 结构，配合比组成详见表4。为确定融雪材料的最佳置换比例，设计了多组置换方案，详见表5。通过一系列试验，分析融雪沥青路面材料的融雪性能与路用性能。

表4 沥青混合料配合比设计Table 4 The mixing ratio design of asphalt mixture

表5 融雪材料掺量方案Table 5 The dosage scheme of snow melting materials

2 试验成果分析

2.1 明胶改性试验成果

2.1.1 改性剂浓度对明胶膜性能的影响

明胶改性剂掺量对其性能影响试验结果见图1。可以看出，随着改性剂掺量的增加，明胶膜的抗拉强度逐渐降低，断裂伸长率逐渐增加，M0~M4 的抗拉强度分别为18.24、10.00、4.38、3.41、2.84 MPa，断裂伸长率分别为30%、53%、99%、122%、122%。分析原因为，未改性的明胶分子之间的连接以范德华力为主，明胶膜性能表现为强度较大但韧性不足；掺加乙二醇对明胶进行改性后，亲水性的乙二醇与明胶中的蛋白质逐渐反应形成分子内氢键，但同时削弱了分子间的范德华力，导致改性明胶膜的抗拉强度不断降低，断裂伸长率不断增加。且随着乙二醇改性剂掺量的增加，抗拉强度的降幅与断裂伸长率的增幅均逐渐减小，与M0 相比，M1~M4 的抗拉强度分别降低了45%、76%、81%、84%，断裂伸长率分别增加了77%、228%、302%、302%，说明乙二醇改性剂掺量超过12%后，断裂伸长率达到最大；分析原因为，乙二醇掺量12%时氢键达到饱和，继续增加乙二醇掺量对明胶胶体内的氢键、范德华力影响较小，因此乙二醇的掺量确定为12%。

图1 改性剂掺量对明胶性能的影响Fig. 1 The effect of modifier content on the gelatin properties

2.1.2 改性水浴温度对明胶性能的影响

明胶改性水浴温度对其性能的影响试验结果见图2。可以看出，随着改性水浴温度的升高，明胶膜的抗拉强度逐渐降低，断裂伸长率逐渐增加，T0~T4 的抗拉强度分别为5.16、4.18、3.86、3.41、3.40 MPa，断裂伸长率分别为114%、116%、119%、122%、122%；分析原因为，明胶分子与乙二醇之间的氢键解离能随水浴温度的升高而增大，打乱了明胶胶体内的微观分子结构，进而导致其强度减弱、韧性增强。水浴温度超过55 ℃后，明胶膜的断裂伸长率达到最大，因此水浴温度确定为55 ℃。

图2 改性水浴温度对明胶性能的影响Fig. 2 The effect of water bath temperature for modification on the gelatin properties

2.1.3 改性搅拌时间对明胶性能的影响

明胶改性搅拌时间对其性能的影响试验结果见图3。可以看出，随着搅拌时间的增加，明胶膜的抗拉强度逐渐降低，断裂伸长率逐渐增加，S0~S4 的抗拉强度分别为4.77、4.48、3.83、3.41、3.41 MPa，断裂伸长率分别为106%、109%、110%、121%、121%；分析原因为，明胶胶体随着搅拌时间的增加而愈发均匀，说明搅拌时间超过20 min 后，胶体已充分混匀，明胶性能不再随搅拌时间发生变化，因此搅拌时间确定为20 min。

图3 改性搅拌时间对明胶性能的影响Fig. 3 The effect of stirring time for modification on the gelatin properties

2.2 微胶囊包膜试验结果

制备所得融雪微胶囊的SEM 电镜照片见图4。可以看出，融雪微胶囊的微观结构呈现为胶囊的形状，仅有极少量未包裹的融雪材料散落在微胶囊周围，说明微胶囊制备成功，但未包裹的融雪材料会导致前期析出的融雪材料较多。

图4 融雪微胶囊微观形貌Fig. 4 The microscopic morphology of snow melting microcapsules

2.3 融雪沥青融雪性能试验成果

2.3.1 融冰速率试验

将不同掺量融雪材料的沥青混合料制备成直径101.6 mm 高63.5 mm 的圆柱体马歇尔试块，置于-10 ℃条件下，在试块上分别放置厚1 cm 的圆盘形冰块，记录冰块完全融化的时间，试验结果见图5。可以看出，相同掺量下，掺加融雪微胶囊的试块上部冰块融化时间较掺加V-260 短，说明本次研究制备的融雪微胶囊整体融冰效果良好。随着融雪材料掺量的增加，冰块的融化时间逐渐缩短，未添加融雪材料的试块上的冰块一直未融化，试件W1~W3的融冰时间分别为874、695、603 min，试件V1~V3的融冰时间分别为936、798、664 min，说明沥青马歇尔试块的融冰能力逐渐增强。结合抗凝冰沥青路用性能测试结果，后续试验的融雪材料掺量确定为4%。

图5 融冰速率曲线Fig. 5 The ice melting rate curve

2.3.2 融雪盐溶解试验

将马歇尔试块放置在容器中开展盐溶解试验，盐溶液温度控制为-10、10℃，采用溶液的电导率评价马歇尔试块中融雪盐析出量，试验结果见图6。可以看出，融雪微胶囊在-10℃下的电导率较10℃的大，V-260 在两个温度下的电导率接近，说明融雪微胶囊能有效控制融雪盐在低温下的析出、减少融雪盐在高温下的流失，而V-260 存在融雪盐在高温下流失的问题，说明融雪微胶囊较V-260 的有效期更长；分析原因为，-10℃下明胶胶囊壳变为了凝胶，有助于融雪盐的释放，10℃下明胶胶囊壳转变为溶胶，融雪盐不容易被析出。随着浸泡时间的增加，电导率逐渐上升，且融雪微胶囊的电导率上升速率较V-260 低，说明融雪微胶囊的融雪盐释放更慢，使用年限更久。

图6 融雪盐析出量曲线Fig. 6 The precipitation curve of snow melting salt

2.4 融雪沥青路用性能试验成果

2.4.1 高温稳定性

将不同掺量融雪材料的沥青混合料制备成30 cm×30 cm×5 cm 的试块，通过车辙实验评定沥青混合料的高温稳定性。将试件置于60 ℃高温下，测定试件在0.7 MPa 轮压反复碾压下，每增加1 mm变形需要的碾压次数，作为沥青混合料的高温动稳定度评价指标，以次/mm 表示，试验结果见图7。可以看出，沥青的动稳定度随着融雪微胶囊替代矿粉的比例的增加而逐渐下降。分析原因为，憎水的矿粉与沥青的胶结较强，亲水的明胶与沥青胶结较弱，导致动稳定度随着融雪微胶囊的掺量增加而下降。规范要求炎热地区改性沥青混合料动稳定度不低于2 800 次/mm[10]，由此确定融雪微胶囊的最大掺量为4%。

2.4.2 低温抗裂性

根据现行规范，测试融雪微胶囊掺量4%的沥青混合料的低温抗裂性，用破坏应变指标评价沥青混合料的低温抗裂性能，试验结果见图8。可以看出，原沥青试件的破坏应变值为3 870，融雪微胶囊试件的破坏应变值为3 409，V-260 试件的破坏应变值为3 456，说明掺加融雪材料后沥青的低温抗裂性均有所下降。现行规范要求冬严寒区的沥青最大破坏应变应≥2 800，因此4%掺量的融雪微胶囊沥青路面符合规范要求。

图8 低温最大破坏应变Fig. 8 The maximum failure strain at low temperature

2.4.3 水稳定性

通过浸水马歇尔试验测试融雪微胶囊掺量4%的沥青混凝土的水稳定性，根据规范开展试验，用残留稳定度评价其水稳定性，试验结果见图9。可以看出，原沥青试件的残留稳定度为89%，融雪微胶囊试件的残留稳定度为84%，V-260 试件的残留稳定度为87%，说明掺加融雪材料后沥青的水稳定性略有下降。现行规范要求沥青残留稳定度≥80%，因此4%掺量的融雪微胶囊沥青路面符合规范要求。