吳松 楊聰利 常鋒 尹媛媛
中交公路規劃設計院有限公司 長安大學公路學院
摘 要：針對大陸冬季道路積雪結冰導緻交通事故的問題，文章制備了一種疏水抑冰複合劑，并設計了相應的疏水抑冰超薄磨耗層（Hydrophobic antifreezeultra-thin wearingcourse,HA-UTWC）。測試疏水抑冰瀝青的正常技術性質；運用水滴滑落時間與接觸角表征疏水性能；應用鋼球捶擊防覆冰試驗測試冰層與路面間粘附力，表征抑冰性能。同時采用車轍試驗、低溫彎曲蠕變試驗、凍融劈裂試驗、鋪砂法、擺式摩擦系數測試（BPT）、步行式摩擦系數測試（WFT）等驗證HA-UTWC的穩定性和抗滑性等路用性能。結果表明：HA-UTWC具有優良的疏水抑冰性能，能夠降低冰層與路面間粘附性；并通過研究HA-UTWC的路用性能發現，其具備較強的高溫、低溫及水穩定性。雖然HA-UTWC的抗滑性能有一定程度衰減，但仍滿足規範要求，能確定道路安全運作。該疏水抑冰超薄磨耗層具有較強的實用價值，能夠為其他疏水路面、融雪路面等研究和鋪築提供一定參考。
關鍵詞：道路工程;疏水抑冰複合劑;超薄磨耗層;疏水抑冰性能;路用性能;
作者簡介：吳松（1994-），男，甯夏固原人，碩士研究所學生，助理工程師，研究方向：路面結構與材料。;
1 引言
近年來，大陸極端天氣頻現，降雪導緻路面結冰給人們的生産生活造成嚴重影響，由此也引發了許多交通事故。目前應用較多的道路除冰雪方法大緻分為被動除冰雪方法與主動除冰雪方法[1]兩類。被動除冰雪方法包括撒鹽等融雪材料、人工及機械清除，此類方法雖然具備較好的除冰雪效果，但容易對環境及道路本身産生不良影響，同時清除過程會耗費大量資源。是以道路工作者一直緻力于研究主動除冰雪技術。主動除冰雪方法包括鹽化物融雪路面、熱力融雪路面、抑制當機鋪裝路面以及路面疏水塗層等。
國内外研究學者對疏水抑冰路面做了大量研究。李耘祿[2]采用飽和氯化鈉溶液充分浸泡多孔複合集料後進行級配設計、瀝青混合料攤鋪，依靠依數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等總結前人研究經驗，首次提出“多孔載體”概念。首先破碎多孔載體至集料大小的顆粒狀，然後将破碎顆粒浸泡于含有融雪劑的溶液使融雪劑填充于載體孔隙，之後加入混合料，依靠材料破壞實作道路融雪除冰[3]。Won J P等[4]研究了一種可融雪的開放式導電加熱路面系統。通過設定新型路面系統并測量混凝土保護層表面溫度和導電性水泥基複合材料内部溫度，以此确定路面系統熱導率。California DOT[5]摻加廢舊橡膠細顆粒于瀝青混合料并在加州鋪築試驗路，通過長期觀測試驗路使用狀況，路面出現了裂縫和車轍等病害，但整體效果良好。李月光等[6]将ZnO超疏水表面材料塗刷于瀝青路表，并進行抗凝冰技術研究，研究發現該塗層對瀝青路面疏水性能有一定積極作用，對抗滑性的不利影響也滿足規範要求，但耐久性存在缺陷，車輪荷載作用會磨損塗層，降低疏水性能。豆懷兵等[7]将融雪劑摻加于乳化瀝青，通過測試此混合物的電導率、儲存穩定性和蒸發殘留物含量等名額确定融雪劑最佳摻量和攪拌時間，以此評價疏水抑冰性能。
綜上所述，各類主動型除冰雪方法也均存在一定弊端，鹽化物融雪路面鹽分析出不規律及使用後期除雪功效下降嚴重；熱力融雪路面因需要預埋熱力管道等裝置，項目前期投資大、實用性不強；橡膠顆粒瀝青路面因在瀝青混合料中摻加橡膠顆粒使瀝青混合料本身強度損失，橡膠顆粒易從道路表面脫離，是以此方法仍值得考量；路面疏水塗層雖具備較強的疏水性能，但塗層易從路表脫落，同時會造成路面抗滑性能和表觀紋理特征下降；而疏水抑冰超薄磨耗層在具備優異疏水抑冰性能的同時，具備良好的耐磨耗性、抗滑性以及路用性能，是以對疏水抑冰超薄磨耗層進行研究可以為大陸其他疏水路面、融雪路面等的研究和運用提供參考。
2 試驗方法
2.1 原材料
試驗所需主要材料包括：A成分異氰酸酯、B成分胺類化合物、C成分多元醇、D成分乙酸乙酯，乳化劑、瀝青。A成分可為異氰酸酯單體或聚合體，B成分為由端氨基樹脂（端氨基聚醚）和端氨基擴鍊劑等組成的胺類化合物，D成分具有優異的溶解性[8,9]。乳化劑采用十八烷三甲基氯化铵（1831）乳化劑，室溫下為淡黃色固狀物，活性物含量為69%，遊離氨含量為1.6%,pH值為6.7；瀝青采用KLM-70#瀝青，針入度76.3(0.1mm),10℃延度、15℃延度均大于100cm，軟化點47.3℃，測試方法嚴格按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011)[10]的相關規定；集料采用玄武岩碎石，采用《公路工程集料試驗規程》（JTG E42—2005)[11]的方法對集料的技術名額進行測試，測試結果見表1～表4。
表1 集料密度測試結果 下載下傳原圖
表2 粗集料技術名額 下載下傳原圖
表3 細集料技術名額 下載下傳原圖
表4 礦粉技術名額 下載下傳原圖
2.2 疏水抑冰超薄磨耗層混合料材料設計
2.2.1 疏水抑冰複合劑制備
疏水抑冰複合劑的制備溫度為20℃室溫環境，制備方法如下：
①在組分A中加入組分D形成混合物1,A組分與D組分的品質比為11:1，同時使用玻璃棒攪拌約1min，使A組分充分溶解于D組分。
②然後在混合物1中加入C組分，與A組分發生聚合反應，生成一種新的混合物2,C組分與A組分的品質比為5:11。
③在混合物2中，再加入B組分，與剩餘的A組分發生聚合反應，生成混合物3,B組分與A組分的品質比為3:11，然後高速剪切處理約5min，得到目标産物——疏水抑冰複合劑。
各組分間的所有反應過程均在溶劑D乙酸乙酯中進行，且最後生成的混合物進行高速剪切處理5min。
制備路面疏水抑冰複合劑的化學反應機理為：A組分與C組分、B組分分别發生化學反應，反應機理分别如圖1、圖2所示。
圖1 A組分與C組分化學反應機理 下載下傳原圖
圖2 A組分與B組分化學反應機理 下載下傳原圖
2.2.2 疏水抑冰瀝青制備方法
将疏水抑冰複合劑按一定比例（用量分别為0、2%、4%、6%）加入KLM-70#瀝青中，持續高速攪拌至與瀝青均勻混合，瀝青加熱溫度為150℃。
2.2.3 乳化瀝青制備方法
選用十八烷三甲基氯化铵（1831）乳化劑及KLM-70#瀝青和适量水按一定比例（乳化劑為1.0%，瀝青為60%，水為39%）制備乳化瀝青。按照相關試驗測試乳化瀝青的相關性質[12,13]，測試結果見表5。将制備好的乳化瀝青儲存，在普通瀝青混合料試件表面鋪築疏水抑冰超薄磨耗層。
表5 乳化瀝青正常性質測試結果 下載下傳原圖
2.2.4 HA-UTWC材料組成設計
礦料級配選用超薄磨耗層礦料級配UTAC-10（細），礦料級配組成見表6。
表6 UTAC-10（細）礦料級配組成 下載下傳原圖
在确定礦料級配後，分别采用4.7%、4.9%、5.1%、5.3%和5.5%的油石比進行瀝青混合料拌合，然後依據馬歇爾設計方法确定最佳油石比。采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011)[10]中T0702—2011的瀝青混合料試件成型方法制作标準馬歇爾試件，即φ101.6mm×63.5mm的圓柱體試件。最終确定的最佳油石比為5.1%，瀝青混合料馬歇爾體積名額見表7。
表7 瀝青混合料馬歇爾體積名額 下載下傳原圖
将制備好的乳化瀝青均勻灑布在普通瀝青混合料試件上，之後将熱拌的疏水抑冰瀝青混合料攤鋪于乳化瀝青上，鋪築疏水抑冰超薄磨耗層，厚度為20mm。将疏水抑冰超薄磨耗層試件儲存用于後續試驗研究。
2.3 疏水抑冰瀝青技術名額測試
2.3.1 正常技術名額
按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011)[10]測試疏水抑冰瀝青針入度、軟化點、15℃延度以及135℃布氏黏度等名額。
2.3.2 接觸角
采用接觸角測試儀所測接觸角來表征疏水抑冰瀝青的疏水性質[14]，如圖3所示。此方法的技術原理為，液滴滴落至固體表面互相接觸時，通過高倍相機或顯微鏡頭等裝置将此刻接觸狀态的外形捕獲為圖像，之後利用數字圖像處理和算法計算固-液界面接觸角。接觸角越大，表明疏水性越強。本試驗在環境溫度為15℃時進行。接觸角測試的試驗步驟如下：
①疏水瀝青試樣成型：将潔淨載玻片的一端插入加熱溫度為150℃的疏水瀝青後拿出懸挂晾幹，使其表面平整，瀝青膜厚度約為10mm。
②使用接觸角測試儀進行液滴滴落，滴落前需保持試件表面水準。
③水滴滴落後，利用接觸角測試儀的圖像捕獲和分析功能計算接觸角。
圖3 接觸角測試儀 下載下傳原圖
2.3.3 水滴滑落時間
水滴滑落時間是指将疏水抑冰瀝青塗抹于表面光滑的玻璃闆上，待其凝固并恢複至室溫後，将玻璃闆傾斜至一定角度（7°、10°、15°），在玻璃闆頂端滴定量水，通過測試水滴滑落至玻璃闆最底端的時間表征疏水抑冰瀝青的疏水性質[15]，測試原理如圖4所示。水滴滑落時間越快，表明疏水抑冰瀝青疏水性越強。
圖4 水滴滑落時間測試示意圖 下載下傳原圖
2.4 疏水抑冰超薄磨耗層疏水性能技術名額測試
采用水滴滑落時間對HA-UTWC的疏水性能進行表征。由于混合料表面存在紋理特征，水滴滑落時間會受表面紋理特征影響，采用機關長度内水滴滑落時間表征HA-UTWC的疏水性能。首先采用雷射紋理掃描器（圖5）對試件表面紋理特征進行掃描，采集到試件表面各點高程後用MATLAB程式計算經過這些點的曲線長度，進而換算為每延米混合料試件紋理長度[16,17]。然後測試不同摻量疏水抑冰複合劑的HA-UTWC試件在不同傾斜角度（15°、20°、25°、30°和45°）的水滴滑落時間，評價疏水性能。每延米水滴滑落時間越短，疏水性能越強。
圖5 AMES雷射紋理掃描器 下載下傳原圖
2.5 疏水抑冰超薄磨耗層抑冰性能技術名額測試
采用鋼球錘擊防覆冰試驗表征HA-UTWC的抑冰性能。利用425g鋼球在1m高度處自由下落，待鋼球錘擊完成後測算冰層破損面積，測試原理如圖6所示。冰層破損面積越大，HA-UTWC的抑冰性能越強。
2.6 其他路用性能技術名額測試
HA-UTWC的疏水抑冰性能較好，但需對路用性能進行驗證。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011)[10]要求，對HA-UTWC的穩定性進行驗證。同時采用鋪砂法、擺式摩擦儀以及步行式摩擦系數測試儀（WFT)[18]對抗滑性能進行驗證，步行式摩擦系數測試儀如圖7所示，測試速度選擇15m/min。
圖6 鋼球錘擊防覆冰試驗 下載下傳原圖
圖7 步行式摩擦系數測試儀 下載下傳原圖
3 結果與讨論
3.1 疏水抑冰瀝青正常技術名額試驗結果
表8 疏水抑冰瀝青正常技術名額測試結果 下載下傳原圖
表8為疏水抑冰瀝青正常技術名額測試結果。由表8可知，随疏水抑冰複合劑摻量增加，瀝青針入度降低，軟化點、15℃延度及135℃布氏黏度增大。原因為疏水抑冰複合劑為流動狀液體，具備較好的實體力學性能，摻入瀝青後，未與瀝青組分發生化學反應，僅對瀝青産生實體改性作用。
3.2 疏水抑冰瀝青疏水性技術名額試驗結果
表9為疏水抑冰瀝青接觸角測試結果，圖8為接觸角測試儀采集的圖像，表10為疏水抑冰瀝青的水滴滑落時間測試結果。由圖表可知，随疏水抑冰複合劑摻量增加，疏水抑冰瀝青接觸角增大，水滴滑落時間減少。因為疏水抑冰複合劑摻加在高溫熔化的瀝青中會發生熔融，且随着瀝青固化逐漸上浮，在瀝青塗刷層表面形成一層連續、緻密且具有較低表面能的薄膜，表現出良好的疏水性。
表9 疏水抑冰瀝青接觸角測試結果 下載下傳原圖
圖8 接觸角測試儀采集圖像 下載下傳原圖
表1 0 疏水抑冰瀝青水滴滑落時間測試結果 下載下傳原圖
3.3 疏水抑冰超薄磨耗層疏水性能技術名額試驗結果
HA-UTWC的水滴滑落時間測試結果見表11。由表11可得，随試樣傾斜角度和疏水抑冰複合劑摻量增加，HA-UTWC試樣的水滴滑落時間減少。将疏水抑冰複合劑摻入瀝青混合料後，在瀝青混合料試件成型過程中熔融後上浮形成一層連續緻密的疏水性薄膜，這層薄膜會裹覆在瀝青混合料集料表面，或疏水抑冰複合劑熔融後填充于混合料空隙，使混合料具備較強的疏水性能。
3.4 疏水抑冰超薄磨耗層抑冰性能技術名額試驗結果
圖9和圖10分别為鋼球錘擊防覆冰試驗圖檔及采用MATLAB程式測算的冰層破損面積。由圖8和圖9可以看出，随疏水抑冰複合劑摻量增加，冰層破損面積增大。呈現出這一規律的原因是疏水抑冰複合劑在瀝青混合料拌合及HA-UTWC冷卻成型過程中熔融并上浮形成連續緻密的疏水性薄膜，這層薄膜具備較低的表面能，會改善路表的疏水性能。當冷水接觸至試件表面時，水滴與試件的接觸角較大，接觸界面會夾雜空氣，接觸面積減小，這樣當積水結冰之後冰層與路面間的粘附性較小，受到外力作用後易于剝離。
表1 1 HA-UTWC水滴滑落時間測試結果 下載下傳原圖
圖9 冰層破損效果 下載下傳原圖
圖1 0 冰層破損面積測算結果 下載下傳原圖
3.5 疏水抑冰超薄磨耗層其他路用性能技術名額試驗結果
HA-UTWC的高溫、低溫及水穩定性試驗結果見表12，抗滑性能測試結果見表13。由表12可知，随着疏水抑冰複合劑摻量增加，HA-UTWC的穩定性有所提升。這是因為疏水抑冰複合劑為高分子聚合物，在瀝青混合料高溫拌合過程中熔融後摻雜于瀝青膠漿，改善其粘-彈性特性和黏度等名額，增加了瀝青對集料的粘附性，進而提升瀝青混合料的粘-彈性及強度等名額，是以随疏水抑冰複合劑摻量增加，瀝青混合料高溫、低溫和水穩定性均逐漸提升。從表13來看，随疏水抑冰複合劑摻量增加，HA-UTWC的抗滑性能出現衰減。造成這一變化的原因是疏水抑冰複合劑在瀝青混合料拌合及HA-UTWC試件成型過程中熔融并填充了部分混合料空隙，同時随溫度降低，因其表面能較低向混合料表面遷移，在試件表面形成一層連續緻密薄膜，損失了路表的部分紋理特征，造成抗滑性能衰減，但抗滑性能仍滿足規範要求，可確定道路安全營運。
表1 2 HA-UTWC穩定性技術名額試驗結果 下載下傳原圖
表1 3 HA-UTWC抗滑性能技術名額試驗結果 下載下傳原圖
4 結語
通過對疏水抑冰瀝青的技術名額以及HA-UTWC的疏水抑冰性能、路用性能進行試驗研究，得出以下結論：
①相較于普通瀝青，疏水抑冰瀝青具有針入度小、軟化點高、延度大以及布氏黏度高等優點，同時具備較強的疏水性，在工程建設中可根據實際情況進行選用。
②疏水抑冰超薄磨耗層具備較強的疏水抑冰性能，相較于普通路面，其水滴滑落時間更短、冰層破損面積更大，可以降低路表與冰層間的粘附力，更有利于冬季道路除冰。
③疏水抑冰超薄磨耗層具備較強的穩定性，60℃動穩定度、破壞最大應變量與凍融劈裂強度比均優于普通路面，能适應環境變化，具備更廣泛的适用範圍。
④疏水抑冰超薄磨耗層具備優異的疏水抑冰性能和穩定性，雖會造成路面抗滑性能有一定程度衰減，但抗滑性仍能滿足規範要求，能夠確定道路安全運作。
參考文獻
[1] 劉紅瑛，郝培文.道路除冰雪技術及其發展趨勢[J].築路機械與施工機械化，2008,(11):18-21+8.
[2] 李耘祿.抑冰抗滑磨耗層的材料設計與路用性能分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2017.
[3] 劉狀壯.瀝青路面融雪抑冰材料的研發與應用[D].西安：長安大學，2013.
[4] Won J P,Kim C K,Lee S J,et al. Thermal characteristics of a conductive cement-based composite for a snow-melting heated pavement system[J].Composite Structures,2014,118:106-111.
[5] State of California Department of Transportation. Asphalt Rubber Usage Guide[M]. Division of Engineering Services,2003.
[6] 李月光，許榮華，伊書國.超疏水表面材料用于路面抗凝冰技術性能研究[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2018,42(2):221-225.
[7] 豆懷兵，劉狀壯，陳拴發，等.主動融雪抑冰乳液的制備與性能研究[J].公路，2014,59(7):345-349.
[8] 杜旭.噴塗聚脲彈性體及其抗靜電性能改進[D].大連：大連海事大學，2018.
[9] 楊瑛沂.聚丙二醇改性聚脲彈性體的合成及性能研究[D].大連：大連海事大學，2017.
[10] JTG E20—2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[S].
[11] JTG E42—2005，公路工程集料試驗規程[S].
[12] 吳霞.高滲透型透層油開發及應用研究[D].西安：長安大學，2012.
[13] 吳松，韓森，王康，等.疏水防凍路面封層制備與評價方法研究[J].大連理工大學學報，2019,59(5):518-525.
[14] 劉美.關于影像式接觸角測試儀标準片測試方法的探讨[J].計量與測試技術，2021,48(9):68-70.
[15] 韓森，吳松，王康，等.一種用于路面疏水性能的試驗裝置及試驗方法：中國，CN110007066A[P].2019-07-12.
[16] 方偉.融合攝影測量技術的地面雷射掃描資料全自動紋理映射方法研究[D].武漢：武漢大學，2014.
[17] 張廣才，萬守鵬，何繼榮.數字圖像處理技術與MATLAB應用[J].軟體，2019,40(11):139-142.
[18] 韓森，曾國梁，牛龍，等.低速可調滑移率輪胎磨滑路面摩擦系數測試裝置：中國，CN206618673U[P].2017-11-07.
聲明：我們尊重原創，也注重分享。有部分内容來自網際網路，版權歸原作者所有，僅供學習參考之用，禁止用于商業用途，如無意中侵犯了哪個媒體、公司、企業或個人等的知識産權，請聯系删除（郵箱：[email protected]），另本頭條号推送内容僅代表作者觀點，與頭條号營運方無關，内容真僞請讀者自行鑒别，本頭條号不承擔任何責任。