劉 寧，鐘海燕，藺亞敏，王歡歡

青海省公路科研勘測設(shè)計院，青海 西寧 810001

0 引言

中國大約有3/4的國土屬于冬季積雪地區(qū)，路面結(jié)冰成為交通事故頻發(fā)的首要因素，給人民財產(chǎn)及生命安全造成重大隱患[1]。冬季降雨或空氣潮濕時，較低的氣溫會使在路表及一定構(gòu)造深度內(nèi)的水分迅速結(jié)冰，再經(jīng)過車輛碾壓逐漸密實，形成強度很大的冰層。由于路面具有一定的構(gòu)造深度及較高的表面能，冰層與路表黏結(jié)緊密[2]，難以通過機械或者人工清除[3]。

瀝青路表結(jié)冰層難以清除的主要原因在于，路表積雪轉(zhuǎn)變成水后，在低溫下結(jié)冰，并形成銷釘嵌入瀝青路面表面空隙，使路表結(jié)冰層與路表之間形成較高的界面強度，難以用除冰設(shè)備將其清除[4-5]。因此，如果能降低路面結(jié)冰層與路表之間的界面強度，則可使結(jié)冰層在行車荷載或者機械除雪設(shè)備的作用下快速從瀝青路面表層脫落[6-7]，并在外力作用下進一步發(fā)生破碎，從而快速清除路表結(jié)冰層。

本文基于復(fù)合材料界面強度理論[8-9]，采用低表面能改性劑作為防覆冰組分，將其與基質(zhì)瀝青復(fù)合，制備得到防覆冰改性瀝青，通過改性瀝青的水接觸角測試和凍-黏強度測試，研究了低表面能改性劑對瀝青防覆冰性能的影響；通過測試改性瀝青的軟化點、延度、針入度和黏度，研究了低表面能改性劑對瀝青路用性能的影響。

1 試驗原料與試驗方法

1.1 試驗原料

瀝青采用卡拉瑪依90#重交瀝青，其性能指標(biāo)如表1所示；低表面能改性劑是一種無機層狀結(jié)構(gòu)納米粒子，實驗室自制，其化學(xué)成分如表2所示。

表1 卡拉瑪依90#瀝青的物理性能

1.2 低表面能改性瀝青的制備

將熔融的基質(zhì)瀝青倒入攪拌器中，保持溫度在(150±5) ℃，加入適量的低表面能改性劑(外摻法)，在4 000 r·min-1的轉(zhuǎn)速下攪拌1 h，然后將混合物置于普通攪拌器中攪拌1.5 h，溫度保持在(150±5)℃，即可制得低表面能改性瀝青。

1.3 試驗方法

(1)路用性能測試。低表面能改性瀝青與基質(zhì)瀝青的軟化點、延度(10 ℃)、針入度(25 ℃)和黏度(135 ℃)按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)所規(guī)定的方法進行測試。

表2 低表面能改性劑的化學(xué)成分

(2)水接觸角測試。本文采用深圳普賽特生產(chǎn)的水接觸角測試儀測試低表面能改性瀝青的水接觸角，首先將加熱至流動狀態(tài)的瀝青滴在鉑金片表面，待其冷卻至室溫之后，將試樣板浸入測試標(biāo)準(zhǔn)液體中，使樣板傾斜至板面一邊的液體呈水平，插入液體部分的板面與液面所成的角即為接觸角。

(3)凍-黏強度測試。本文采用臺灣Terchy公司生產(chǎn)的測試環(huán)境模擬平臺進行低表面能改性瀝青凍黏強度測試。測試過程中首先將拉拔頭、試件和測試儀的各個部件組裝完備，然后將整個裝置置于試驗箱(圖1)內(nèi)，并在0 ℃下保溫30 min，在預(yù)先已測定過構(gòu)造深度的測試區(qū)域在中心位置緩慢傾倒20 mL去離子水，使測試區(qū)域充滿去離子水，并保證絕大多部分去離子水在測試區(qū)域內(nèi)。由于測試區(qū)域的構(gòu)造深度基本相同，因此相同體積的水在測試區(qū)域形成的水膜厚度大致相同。隨后將拉拔頭緩慢地由一端向另一端與充滿水的測試區(qū)域重合，應(yīng)避免拉拔頭底部存在氣泡，設(shè)定試驗溫度和凍結(jié)時間(2 h)，使試件與拉拔頭凍黏，再通過測試裝置(圖2)進行緩慢加載并讀取數(shù)據(jù)。

圖1 低溫試驗環(huán)境箱

2 結(jié)果與討論

2.1 水接觸角

圖3顯示了低表面能改性劑對基質(zhì)瀝青水接觸角的影響規(guī)律。從圖3中可以看出，隨著低表面能改性劑摻量的增加，基質(zhì)瀝青的水接觸角不斷增大，表明低表面能改性劑可以顯著降低基質(zhì)瀝青的表面活性。基質(zhì)瀝青的水接觸角為93°，加入4%的低表面能改性劑之后，水接觸角增大至124°，增加的比例接近30%，表明低表面能改性劑可以提升瀝青材料的防覆冰性能。這主要是因為，低表面改性劑是一種層狀無機納米材料，將其與基質(zhì)瀝青共混之后，在外力剪切作用下，該材料以納米尺度分散在瀝青體系中，降低了瀝青材料的表面張力，進而提高了瀝青材料的表面憎水性能，所以水接觸角不斷增大。

2.2 凍黏強度

圖4顯示了低表面能改性劑對基質(zhì)瀝青與結(jié)冰層界面凍黏強度的影響規(guī)律。從圖4可以看出，隨著低表面能改性劑摻量的增加，基質(zhì)瀝青與結(jié)冰層界面凍黏強度不斷降低，表明低表面能改性劑可以顯著降低基質(zhì)瀝青與結(jié)冰層的界面黏結(jié)性能?；|(zhì)瀝青與結(jié)冰層的界面粘結(jié)強度為52 kN，加入6%的低表面能改性劑之后，基質(zhì)瀝青與結(jié)冰層的界面黏結(jié)強度降低至32 kN，降低幅度接近40%，表明低表面能改性劑可以提升瀝青材料的防覆冰性能。這同樣可歸因于在外力剪切作用下，低表面能改性劑在瀝青體系中以納米尺度分散，降低了瀝青材料的表面張力，進而削弱了基質(zhì)瀝青與結(jié)冰層的界面黏結(jié)性能。

圖2 凍黏強度測試設(shè)備

圖3 低表面能改性劑對水接觸角的影響

圖4 低表面能改性劑對凍黏強度的影響

2.3 路用性能

圖5～8分別顯示了低表面能改性劑對基質(zhì)瀝青軟化點、延度、黏度和針入度的影響。從圖5和圖7中可以看出，隨著低表面能改性劑摻量的增加，基質(zhì)瀝青的軟化點和黏度不斷增加，說明低表面能改性劑對基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性有一定的改善作用。這主要是因為，該低表面能改性劑具有較好的高溫穩(wěn)定性，當(dāng)其在外力剪切作用下，可均勻分散于瀝青體系中，從而增強了基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性。

從圖6和圖8可以看出，隨著低表面能改性劑摻量的增加，基質(zhì)瀝青的針入度和延度不斷降低，說明低表面能改性劑對基質(zhì)瀝青的稠度有一定的影響。這主要是因為，該低表面能改性劑在外力剪切作用下，可均勻分散于瀝青體系中，使瀝青變硬，因此隨著其摻量的增加，基質(zhì)瀝青的針入度和延度不斷降低。而當(dāng)其摻量增加到6%時，基質(zhì)瀝青的針入度又有所回升，但仍小于基質(zhì)瀝青的針入度，隨著低表面能改性劑摻量的增加，瀝青的針入度逐漸回升甚至穩(wěn)定于某一值，這說明低表面能改性劑對瀝青低溫性能的影響不會隨著其摻量的增加而不斷增強。

圖5 低表面能改性劑對軟化點的影響

圖6 低表面能改性劑對延度的影響

圖7 低表面能改性劑對粘度的影響

圖8 低表面能改性劑對針入度的影響

3 結(jié)語

本文采用低表面能改性劑作為防覆冰組分，制備得到防覆冰改性瀝青，通過測試改性瀝青的水接觸角測試和凍黏強度，研究了低表面能改性劑對瀝青防覆冰性能的影響；通過測試改性瀝青的軟化點、延度、針入度和黏度，研究了低表面能改性劑對瀝青路用性能的影響。主要研究結(jié)論如下。

(1)低表面能改性劑可以提高基質(zhì)瀝青的水接觸角，降低基質(zhì)瀝青與結(jié)冰層之間的界面黏結(jié)強度，從而提升基質(zhì)瀝青的防覆冰性能，主要是因為低表面改性劑與基質(zhì)瀝青共混之后，在外力剪切作用下，該材料以納米尺度分散在瀝青體系中，降低了瀝青材料的表面張力，進而提高了瀝青材料的表面憎水性能。

(2)低表面能改性劑在外力剪切作用下，可均勻分散于瀝青體系中，從而增強了基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性。同時，隨著低表面能改性劑摻量的增加，瀝青變硬，因此其延度和針入度有一定程度的降低；但當(dāng)其摻量增加到6%時，瀝青的針入度逐漸回升甚至穩(wěn)定于某一值，這說明低表面能改性劑對瀝青低溫性能的影響不會隨著其摻量的增加而不斷增強。