趙方冉，周生亮，霍海峰

（中國(guó)民航大學(xué)機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津 300300）

冬季道路積雪結(jié)冰導(dǎo)致路面附著系數(shù)減小，抗滑性能大幅度降低，從而造成通行車(chē)輛行駛速度降低和燃油消耗增加，甚至引發(fā)交通事故[1]。國(guó)內(nèi)冬季路面除冰雪仍在使用一些傳統(tǒng)方法，如撒布融冰雪材料、機(jī)械除冰雪、導(dǎo)電混凝土除冰雪等。其存在以下弊端：①融冰雪材料會(huì)嚴(yán)重腐蝕道路和橋梁，并污染地表水和地下水及周?chē)寥繹2]；②機(jī)械除冰雪具有路面保護(hù)能力差、作業(yè)速度慢、整機(jī)利用率低、成本高等缺點(diǎn)[3]；③導(dǎo)電混凝土的電阻率會(huì)隨著時(shí)間而變化[4]，導(dǎo)致其電阻不穩(wěn)定，從而對(duì)融冰雪效果有一定影響。

Onda 等[5]率先在較為粗糙的表面噴涂疏水材料，構(gòu)造了超疏水表面，開(kāi)拓了防覆冰涂層研制的新思路。Laforte 等[6]在實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)超疏水界面能夠降低冰層與基體的粘附力。Arabzadeh 等[7]對(duì)瀝青混凝土表面的接觸角、抗滑性能等方面進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)超疏水材料能使混凝土實(shí)現(xiàn)防水和自清潔。趙恩強(qiáng)等[8]從減少水滲入量的角度研制出一種新型防水涂料，發(fā)現(xiàn)其能降低混合料的吸水率，并可提高水穩(wěn)定性。丁小軍等[9]研制出一種環(huán)保型路面融冰雪涂層材料及其制備和使用方法，并對(duì)其除冰雪性能進(jìn)行了驗(yàn)證。高英力等[10]通過(guò)構(gòu)建微納米路表面，并與超疏水材料涂覆技術(shù)相結(jié)合，制備了超疏水仿生水泥混凝土路面模型試件。李福健[11]制備出能夠在道路上使用的疏水涂料，且該涂料能顯著改善瀝青路面的防覆冰性能。由上述文獻(xiàn)分析可看出，目前瀝青路面主動(dòng)除冰雪技術(shù)仍有許多不足，主要表現(xiàn)為以下兩方面：①將疏水材料或融冰雪材料直接做成混合溶液噴涂于路面，但其與路面粘附性差，耐久性能和緩釋性能有待提高；②疏水材料成本較高，工程應(yīng)用性較低，不具備市場(chǎng)推廣使用條件。

本研究將疏水模型和降低冰點(diǎn)除冰雪技術(shù)相結(jié)合，研制出一種改性乳化瀝青涂層材料。該材料使用乳化瀝青作為基質(zhì)材料，可增加其與路面的粘附性；以沸石粉吸附的形式加入融冰雪材料，使涂層具有緩釋性能，并可提高其耐久性；疏水材料可提高路面與水的接觸角，降低路面冰層的粘結(jié)力。該材料具有易于施工、成本低、工程應(yīng)用性高等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)跑道除冰雪工作。

1 試驗(yàn)材料

1.1 改性乳化瀝青材料

改性乳化瀝青材料由基質(zhì)材料、疏水材料、融冰雪材料組成，其中融冰雪材料由融雪劑和緩釋材料制備而成，如表1所示，其中1 cst=1 mm2/s 所示。

表1 改性乳化瀝青組成Tab.1 Composition of hydrophobic ice suppression materials

1.2 路面試件

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40—2019）制備瀝青混凝土，其尺寸是16 cm×14 cm×5 cm，油石比為4.7%，密度為2.27 g/cm3；通過(guò)混凝土鉆心機(jī)制取試驗(yàn)用空白瀝青試件，如圖1所示，然后將配制好的改性乳化瀝青均勻涂刷于空白瀝青試件表面，從而得到具有疏水抑冰性能的試件。

圖1 鉆芯制件與瀝青試件Fig.1 Drill core parts and asphalt test pieces

2 試驗(yàn)方案

2.1 疏水材料配比試驗(yàn)

2.1.1 疏水涂層接觸角試驗(yàn)

將乳化瀝青分別與3 種疏水材料按比例混合，勻速攪拌10 min，再靜置15 min，將其均勻涂刷于空白瀝青試件表面，涂刷量為500 g/m2，固化后得到疏水試件。采用靜滴法測(cè)量接觸角，將10 μL 水用針筒滴在待測(cè)試件上，然后拍照上傳至配套軟件，由軟件擬合并計(jì)算出接觸角。

2.1.2 疏水涂層摩擦系數(shù)試驗(yàn)

施加疏水材料可能對(duì)路面摩擦性能產(chǎn)生影響，故需測(cè)試其摩擦系數(shù)。將制備好的涂刷疏水劑a（甲基硅酸鈉）的試件和涂刷疏水劑b（甲基硅樹(shù)脂）的試件及涂刷疏水劑c（聚氨酯）的試件進(jìn)行摩擦系數(shù)測(cè)試。采用BM-III 型擺式摩擦系數(shù)測(cè)定儀，測(cè)定3 種試件的摩擦系數(shù)值，每種試件測(cè)5 次，取平均值。

2.2 融冰雪材料制備試驗(yàn)

融冰雪材料的制備過(guò)程主要包括：配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的融雪劑溶液、緩釋材料的吸附、過(guò)濾、烘干和粉碎。試驗(yàn)共3 組，首先，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%、40%和60%的融雪劑溶液；其次，分別給3 種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的融雪劑溶液中添加100 g 緩釋材料，將其浸沒(méi)到中溶液并攪拌均勻，待緩釋材料和融雪劑溶液充分接觸一定時(shí)間。最后，對(duì)3 種溶液進(jìn)行過(guò)濾、烘干和粉碎，測(cè)量緩釋材料吸附融雪劑后的質(zhì)量。

緩釋材料吸附能力越強(qiáng)，其融雪劑的吸附量也越大且釋放能力也越強(qiáng)，融冰雪材料的抑冰效果越持久。因此，制備融冰雪材料的關(guān)鍵是測(cè)出緩釋材料吸附融雪劑的吸附曲線(xiàn)，從而確定最佳的吸附量。

2.3 融冰雪材料配比試驗(yàn)

將不同質(zhì)量的融冰雪材料加入乳化瀝青中，配制成不同質(zhì)量比的改性乳化瀝青；將改性乳化瀝青涂刷于空白瀝青試件表面，固化后用膠帶環(huán)繞做密封處理，置于冰柜中，設(shè)定試驗(yàn)溫度為-20 ℃，并冷凍10 h，然后將試件取出，立即使用測(cè)力計(jì)測(cè)量剪切力，如圖2所示。

圖2 密封試件及冷凍試件Fig.2 Sealed and frozen specimens

2.4 改性乳化瀝青性能檢測(cè)試驗(yàn)

2.4.1 瀝青路面與冰層粘附性能檢測(cè)

瀝青路面冰層脫離時(shí)的剪切力是衡量抑冰性能的關(guān)鍵參數(shù)。輪胎作用于冰層時(shí)，可分解為垂直向下的壓應(yīng)力和水平剪切力；冰層與試件表面的脫離，主要由水平剪切力起作用。為有效揭示改性乳化瀝青的除冰雪能力，分別在空白瀝青試件表面涂刷含有緩釋材料的改性乳化瀝青和不含緩釋材料的改性乳化瀝青，得到瀝青試件A 和瀝青試件B，并分別與空白瀝青試件進(jìn)行剪切力對(duì)比試驗(yàn)，檢測(cè)改性乳化瀝青對(duì)瀝青路面與冰層粘附性能的影響。

2.4.2 瀝青路面抗滑性能檢測(cè)

瀝青路面涂刷改性乳化瀝青后，會(huì)不可避免地對(duì)路面摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響。為保證行車(chē)安全，需對(duì)涂刷改性乳化瀝青的瀝青路面進(jìn)行摩擦系數(shù)試驗(yàn)。分別將瀝青試件A 和B 與空白瀝青試件進(jìn)行摩擦系數(shù)測(cè)試。采用BM-III 型擺式摩擦系數(shù)測(cè)定儀，測(cè)定3 種瀝青試件的摩擦系數(shù)值，每種試件測(cè)5 次，取平均值。

2.4.3 瀝青路面融冰雪性能檢測(cè)

改性乳化瀝青涂層中的融冰雪材料具有阻礙冰層附著、融雪化冰的能力。為研究涂刷改性乳化瀝青試件的融冰雪能力，設(shè)計(jì)了融冰雪試驗(yàn)。在結(jié)合瀝青試件面積與雪密度的基礎(chǔ)上，計(jì)算出大雪狀態(tài)時(shí)試件表面冰雪的質(zhì)量為10 g，因此在瀝青試件A 與空白瀝青試件表面分別均勻放置10 g 碎冰，試驗(yàn)溫度設(shè)置為-5 ℃，3 h 后觀察融冰效果，循環(huán)融冰雪試驗(yàn)共進(jìn)行6 次。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 疏水材料配比試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 疏水涂層接觸角試驗(yàn)結(jié)果分析

疏水性對(duì)瀝青試件的除冰雪效果極為關(guān)鍵，疏水涂層能有效減少水滲透到瀝青試件內(nèi)部且能降低試件表面與冰層的粘結(jié)力，從而使冰層更易清除。涂層疏水性能可用接觸角θ 的大小來(lái)評(píng)價(jià)，通常認(rèn)為θ ≤90°為親水狀態(tài)或部分親水狀態(tài)，θ>90°為疏水狀態(tài)，且接觸角θ 越大疏水性能越好。接觸角測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 接觸角測(cè)試結(jié)果Fig.3 Contact angle test results

從圖3中可知，隨著疏水材料與乳化瀝青質(zhì)量比的不斷增大，疏水涂層的接觸角也在增大；甲基硅樹(shù)脂和聚氨酯的增幅最大，在質(zhì)量比達(dá)到12%時(shí)，接觸角已達(dá)92°，而甲基硅酸鈉的接觸角最大，已達(dá)95.6°；當(dāng)質(zhì)量比大于12%時(shí)，3 種疏水劑接觸角的增長(zhǎng)幅度已不明顯，因此可將12%作為疏水材料與乳化瀝青的質(zhì)量比。

3.1.2 疏水涂層摩擦系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

疏水涂層摩擦系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 疏水涂層摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of the hydrophobic coating of friction factor

由表2可知，無(wú)疏水劑涂層試件表面的摩擦系數(shù)平均值為0.81，而涂刷疏水劑c 后的試件表面摩擦系數(shù)值為0.63，摩擦系數(shù)降低幅度較大；與無(wú)疏水劑涂層試件相比，涂刷疏水劑a 和疏水劑b 的試件表面摩擦系降幅較小，其中涂刷疏水劑a 的試件摩擦系數(shù)降幅最小。由接觸角試驗(yàn)和摩擦系數(shù)試驗(yàn)推知，當(dāng)疏水劑加入乳化瀝青后，改變了乳化瀝青的化學(xué)組分，使其具有更大的接觸角，而接觸角正是瀝青路面疏水性能和表面能的重要指標(biāo)。疏水劑涂刷到瀝青路面，會(huì)使其形成疏水涂層，改變了液滴在路面的接觸狀態(tài)，使瀝青路面表現(xiàn)出較好的疏水性能。因此，可選擇甲基硅酸鈉作為改性乳化瀝青的疏水劑，其最佳質(zhì)量比為12%。

3.2 融冰雪材料制備試驗(yàn)結(jié)果

3 種質(zhì)量分?jǐn)?shù)融雪劑溶液的融冰雪材料制備試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 3 種質(zhì)量分?jǐn)?shù)融雪劑溶液的融冰雪材料制備試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Adsorption test results of three ice-melting agent sustained release material

從圖4中可知，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，緩釋材料吸附量不斷增加，20 h 后趨于穩(wěn)定，將融雪劑溶液進(jìn)行過(guò)濾、烘干、粉碎和稱(chēng)重對(duì)比；隨著融雪劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，緩釋材料的吸附量也在增大，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在60%時(shí)，吸附量最大，20 h 后每100 g 緩釋材料能吸附50 g 融冰雪材料，吸附率較高，已達(dá)到50%。因此，可按照60%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的融雪劑溶液添加緩釋材料，制備融冰雪材料。

3.3 融冰雪材料配比試驗(yàn)

融冰雪材料配比結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同質(zhì)量比的融冰雪材料剪切力測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test results of shearing force of snow melting material with different mass ratio

從圖5中可知，不同質(zhì)量比的融冰雪材料均能降低瀝青路面與冰層的剪切力。當(dāng)融雪冰材料與乳化瀝青質(zhì)量比為10%時(shí)，剪切力的降低幅度已達(dá)36.6%；當(dāng)二者質(zhì)量比大于10%時(shí)，隨著融冰雪材料質(zhì)量比的增加，瀝青路面與冰層的剪切力降幅已很小，說(shuō)明融冰雪材料的增加對(duì)剪切力的降低作用已不明顯。所以，融冰雪材料的最優(yōu)質(zhì)量比為10%。

綜上所述，基質(zhì)材料、疏水材料、融冰雪材料的質(zhì)量比為100∶12∶10。

3.4 改性乳化瀝青性能檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

3.4.1 瀝青路面與冰層粘附性能檢測(cè)

瀝青路面與冰層粘附性能檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 剪切力測(cè)試結(jié)果Fig.6 Test results of shear force

從圖6可看出，瀝青試件A 在剪切力達(dá)到106 N時(shí)，冰層從試件表面脫離，且斷面平整，無(wú)冰須存在；而空白瀝青試件在剪切力達(dá)到231 N 時(shí)，冰層從根部斷裂，斷面呈不規(guī)則形狀，且試件表面有大量冰須；與空白瀝青試件比較，瀝青試件A 剪切力下降54.1%，說(shuō)明改性乳化瀝青中的疏水劑可有效降低瀝青路面與冰的粘結(jié)力，具有明顯的抑冰效果；與瀝青試件B 比較，瀝青試件A 剪切力則下降13.8%，這與緩釋材料增加了瀝青試件A 的整體粗糙度有關(guān)。

影響路面冰粘結(jié)力減小的因素相對(duì)復(fù)雜，為更好分析其弱化機(jī)理，繪制疏水涂層除冰雪效果示意圖，如圖7所示。

圖7 疏水涂層除冰雪效果示意圖Fig.7 Schematic diagram of the deicing and snow removal effect of hydrophobic coating

從圖7中可知，當(dāng)空白瀝青試件涂刷改性乳化瀝青后，疏水涂層提高了路面接觸角，使路面呈疏水狀態(tài)，改變了冰層與路面凹槽的咬合狀態(tài)，從而降低冰層與路面的咬合力；而在疏水表面加入微米級(jí)緩釋材料，會(huì)增加路面粗糙度，因此在二者耦合作用下，會(huì)極大減小瀝青路面與冰層的粘結(jié)力。

3.4.2 瀝青路面抗滑性能檢測(cè)

瀝青路面抗滑性能檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 瀝青路面摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果Tab.3 Test results of asphait pavement friction factor

由表3中可知，瀝青試件A 的摩擦系數(shù)相對(duì)空白瀝青試件有所降低，平均摩擦系數(shù)值僅降低了0.03；與瀝青試件B 相比，瀝青試件A 的平均摩擦系數(shù)要高些，這與緩釋材料增加了路面粗糙度有關(guān)；但測(cè)試結(jié)果均滿(mǎn)足瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范要求（摩擦系數(shù)值>0.42），說(shuō)明改性乳化瀝青對(duì)瀝青路面抗滑性能影響不大。

3.4.3 融冰雪試驗(yàn)

融冰雪試驗(yàn)效果如8所示。

從圖8中可知，第1 次融冰雪試驗(yàn)后，瀝青試件A表面的冰雪已融化，而空白瀝青試件表面冰雪則沒(méi)有變化。這是由于改性乳化瀝青中的融冰雪材料降低了水的冰點(diǎn)，使冰層在較低溫度下融化，而改性乳化瀝青具有較大疏水性，融化后的冰水不會(huì)入滲，將順表面自行流走，起到抑制結(jié)冰的效果。第4 次融冰雪試驗(yàn)后，涂刷改性乳化瀝青的試件仍有較好的融冰雪效果，證明緩釋材料具有保存和緩釋融冰雪材料的良好作用。第5 次融冰雪試驗(yàn)后，融冰雪材料基本消耗殆盡，融冰雪效果大大下降。

圖8 融冰雪效果圖Fig.8 The effect of ice-melting

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)改性乳化瀝青的材料組成和疏水抑冰性能的試驗(yàn)研究，現(xiàn)得出如下結(jié)論。

（1）改性乳化瀝青由乳化瀝青、疏水材料、融冰雪材料制備而成，其中疏水劑a 與乳化瀝青質(zhì)量比為12%，融冰雪材料與乳化瀝青質(zhì)量比為10%。

（2）涂刷含有緩釋材料的改性乳化瀝青試件具有優(yōu)良的疏水性能，顯著降低路面與冰層粘結(jié)力；與空白瀝青試件比較，其剪切力下降54.1%；與涂刷無(wú)緩釋材料的改性乳化瀝青試件對(duì)比，其剪切力下降13.8%。

（3）涂刷含有緩釋材料的改性乳化瀝青后，瀝青路面摩擦系數(shù)有較小幅度降低，僅降低0.03，說(shuō)明其對(duì)瀝青路面抗滑性能影響不大。其同時(shí)具有較好的融冰雪效果，可有效降低水的冰點(diǎn)，在較低溫度下融化冰層和降低冰層附著力，具有良好的抑制結(jié)冰效果。