抗凝冰乳化瀝青涂層的性能研究

唐士潤 張興軍 馬偉中 汪首元

（1 甘肅公路發展集團有限公司 甘肅省高等級公路養護工程研究中心，甘肅 蘭州 730070；2 甘肅省公路路網監測重點實驗室，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

道路路面積雪結冰問題已經嚴重影響了冬季公路交通安全[1]。各國道路交通部門多年來開展了大量的研究工作，探索出了多種道路表面積雪結冰清除技術和方法。其中，基于橡膠顆粒的自應力彈性瀝青路面鋪裝技術、抗凝冰瀝青路面鋪裝技術都主要應用于新建公路路面除冰雪，不能解決已通車路面的融雪難題[2-4]。而撒布融雪劑和砂石材料、人工和機械清除積雪、熱力融雪等被動清除路面積雪的方法雖然可以應用于通車路面融雪，但是，這些措施效率較低[5]。為此，開發抗凝冰涂層材料對于解決路面融雪化冰難題可以提供一種途徑。抗凝冰乳化瀝青涂層主要結合霧封層預防性養護技術，將防止積雪結冰的融雪材料按一定比例加入乳化瀝青粘結材料中，并涂灑于道路表面，從而起到路面養護和抗凝冰的作用[6]。本文采用自制融雪劑制備抗凝冰乳化瀝青涂層，對涂層材料與集料的粘附性能、抗滑性能與抗凝冰性能進行分析測試，得出適用于冬季路面養護的抗凝冰材料，為冬季預防性養護措施提供借鑒。

1 原材料與實驗方案

1.1 原材料

采用的乳化瀝青為陽離子慢裂快凝型乳化瀝青，按照《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）的要求對其進行基本指標的檢測，各項指標均滿足規范要求。

本文使用了課題組自主研發的抗凝冰材料。首先將醋酸鉀、醋酸鈉、醋酸銨、氯化鈉等原材料進行干燥，待其恒溫質量無變化時將其碾碎、研磨至晶體或粉末狀；然后按照得到的最優配比分別稱取醋酸鉀、醋酸鈉、醋酸銨和氯化鈉，將其放置于可攪拌容器中對其進行充分攪拌，務必使其混合均勻；最后將攪拌均勻的混合物再次進行干燥，待其干燥完畢后再次將其碾碎、研磨至粉末狀，密封保存。

1.2 實驗方案

以陽離子乳化瀝青為載體，將自制固態型融雪劑按乳化瀝青質量的5%、10%、15%加入乳化瀝青中，高速剪切混合均勻成涂層乳液，并對其粘附性能、抗滑性能和抗凝冰性能等主要性能進行了研究。

2 抗凝冰乳化瀝青涂層粘附性能

為確保抗凝冰乳化瀝青涂層噴涂于路面上與集料粘結牢固，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）中乳化瀝青與粗集料粘附性的試驗方法，對摻配不同比例自制固態型融雪劑抗凝冰乳化瀝青混合液與石灰巖粗集料的粘附性進行了驗證評價。以普通乳化瀝青為參照組，對比分析了自制固態型融雪劑對乳化瀝青粘附性和表觀形貌的影響。

圖1 抗凝冰乳化瀝青涂層粘附性對比

如圖1可知，在水煮之前，包裹在集料表面的抗凝冰乳化瀝青涂層與乳化瀝青本來的形態有很大不同。破乳后的乳化瀝青均勻的裹覆在集料表面，且呈現出瀝青自身的黑色，而摻入融雪劑后，抗凝冰乳化瀝青混合液在破乳后同樣可以均勻的裹覆在集料表面，但涂層的顏色變暗，較乳化瀝青變得有點干枯，涂層表面出現凸起的細小白色顆粒物，且隨著摻配比例的增大，顏色變化越明顯，白色顆粒物也越多。經過水煮后的乳化瀝青未出現剝落，與水煮前相比變化不太明顯，表明其與集料的粘附性良好。抗凝冰乳化瀝青混合液在水煮后同樣未發生剝落現象，表明自制固態型融雪劑對乳化瀝青與集料的粘附性沒有產生影響。但出現了比較明顯的變化是水煮后的抗凝冰乳化瀝青涂層恢復了本來的黑色，其表面變得較為粗糙。產生明顯不同的原因是自制固態型融雪劑在摻入乳化瀝青中后溶解于水中，待其破乳后，分散在乳化瀝青中的融雪劑蒸發結晶，從而出現了白色的顆粒物，在水煮后，涂層表面的融雪劑又再次被溶解，乳化瀝青本來的顏色得以恢復，且出現了細小的坑槽，表面變得粗糙。

3 抗凝冰乳化瀝青涂層抗滑性能

通常霧封層施工時乳化瀝青灑布量控制在0.3kg/m2～0.7kg/m2，本節采用制備的普通瀝青混合料的車轍試件為原始路面，選取抗凝冰乳化瀝青混合液的灑布量為0.6 kg/m2，按照《公路路基路面現場測試規程》（JTG E60-2008），利用擺式摩擦儀測試了摻配不同比例的抗凝冰乳化瀝青涂層的摩擦系數，對抗凝冰乳化瀝青涂層的抗滑性能進行了評價。

表1 抗凝冰乳化瀝青涂層的摩擦系數

從表1可以看出，在車轍試件上涂刷乳化瀝青后，其摩擦系數降低了25.9%，摻配質量分數為5%、10%和15%融雪劑的抗凝冰乳化瀝青涂層的摩擦系數分別降低了27.7%、33.1%，36.8%。由此可見，摻配融雪劑后乳化瀝青涂層的摩擦系數有所降低，且隨著摻配比例的增大，抗凝冰乳化瀝青涂層的摩擦系數均不同程度的降低了。說明在測試路面摩擦系數時，噴灑的水溶解了抗凝冰乳化瀝青涂層表面中的融雪劑，融雪劑溶液的存在使得測出的摩擦系數有所降低，表明抗凝冰乳化瀝青涂層降低了路面的抗滑性能。

4 抗凝冰乳化瀝青涂層抗凝冰性能

4.1 粘結力測試

圖2 抗凝冰乳化瀝青涂層與結冰海綿的粘結力

圖3 抗凝冰乳化瀝青圖層浸泡前后外觀圖

通過測試抗凝冰乳化瀝青涂層與結冰海綿之間粘結力用以分析抗凝冰瀝青涂層的抗凝冰性能，該測試方法類似于抗凝冰瀝青混合料的，不同之處是將不同摻配比例的抗凝冰乳化瀝青混合液按0.6 kg/m2的灑布量均勻涂刷于直徑100mm 的培養皿中，靜置24h 后，再將充分吸水飽和的海綿置于載有抗凝冰乳化瀝青涂層的培養皿中，然后放于-10℃的冰箱中冷凍5h，待整個海綿中的水凍結成冰后取出測試粘結力，其結果如圖2所示。

如圖2可知，相比于乳化瀝青與結冰海綿之間的粘結力，抗凝冰乳化瀝青涂層與結冰海綿之間的粘結力均有所降低，且摻配比例越大，降低幅度越明顯，摻配比例為5%、10%、15%的抗凝冰乳化瀝青涂層與結冰海綿的粘結力分別降低了42.6%、68.9%、90.2%。說明抗凝冰乳化瀝青涂層表面的融雪劑溶解于水中，在涂層和海綿之間形成了一層融雪劑溶液，從而有效的緩解了冰結的硬度并延遲了結冰時間。表明抗凝冰乳化瀝青涂層具有較明顯的防止其表面結冰的作用。

4.2 電導率測試

按照前節所述的灑布量在直徑100mm 的培養皿中均勻涂刷不同摻配比例的抗凝冰乳化瀝青混合液，靜置24h后將其置于2000mL 的燒杯中，利用電導率儀監測不同抗凝冰乳化瀝青涂層浸泡液體的電導率隨浸泡時間的變化情況。圖3為抗凝冰乳化瀝青涂層浸泡前后外觀圖，圖4為抗凝冰乳化瀝青涂層浸泡液體的電導率。

圖4 抗凝冰乳化瀝青涂層浸泡液體的電導率

如圖3可知，未浸泡前，抗凝冰乳化瀝青涂層與普通乳化瀝青涂層有所不同，隨著自制固態融雪劑摻配比例的增大，乳化瀝青涂層圓潤、亮黑色的外觀逐漸變為干枯、灰色的。與前展現出不同的地方是，經過涂刷的涂層表面沒有出現凸起的細小顆粒物，說明涂刷作用使乳化瀝青更好地包裹住了融雪劑。浸泡后的抗凝冰乳化瀝青涂層卻與普通乳化瀝青涂層極為相似，僅是原有光滑的表面變得粗糙，表明其表面的融雪劑在水中不斷析出溶解，從而形成一定的粗糙度，并恢復了乳化瀝青自身的黑色。

如圖4可知，普通乳化瀝青涂層浸泡液體的電導率值隨著浸泡時間的持續變化不大，而抗凝冰乳化瀝青涂層浸泡液體的電導率值隨著浸泡時間的持續而不斷升高，其規律與抗凝冰瀝青混合料的相似，不同的是抗凝冰乳化瀝青涂層浸泡1h 后浸泡液體的電導率值升高最明顯，且隨著自制固態融雪劑的摻配比例越大，其升高幅度越大，而1h 后，浸泡液體的電導率值有所升高，但幅度明顯降低。其原因是抗凝冰乳化瀝青涂層的表面能夠被水分輕易地浸入，從而迅速溶解了分散于其中的的融雪劑，致使浸泡液體的電導率值突然升高。但抗凝冰乳化瀝青涂層不同于抗凝冰瀝青混合料，沒有集料骨架提供的空隙，且涂層表面溶解掉的融雪劑提供的微小空隙與下部分散的融雪劑占有空間不能形成連通空隙，水分浸入其中比較困難，因此浸泡液體后續的升高幅度明顯減緩。

5 結語

1）利用水煮法評價了抗凝冰乳化瀝青混合液與集料的粘附性，發現固態添加型融雪劑對乳化瀝青與集料的粘附性影響不大，但隨著固態添加型融雪劑摻配比例的增大，抗凝冰乳化瀝青涂層的外觀顏色變暗，且出現了細小的白色顆粒物。

2）利用擺式摩擦儀測試了抗凝冰乳化瀝青涂層的摩擦系數，發現隨著固態添加型融雪劑摻配比例的增大，抗凝冰乳化瀝青涂層的摩擦系數呈現不同程度的降低，但都能滿足規范要求。

3）利用粘結力測試方法和電導率測試方法評價了抗凝冰乳化瀝青涂層的抗凝冰性能，發現隨著固態添加型融雪劑摻配比例的增大，抗凝冰乳化瀝青涂層具有更好的抗凝冰性能，但隨著時間的持續其緩釋效果較低。