路面抗凝冰技術專用乳化劑的應用

胡富平 ，申鐵軍，高 鵬，李毓麒

（1.山西路橋集團晉南項目管理有限公司，山西 太原 030006；2.山西路橋建設集團有限公司，山西 太原 030006；3.長治市武理工工程技術研究院，山西 長治 046000；4.東北大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110000）

引言

與抗凝冰超薄罩面、抗凝冰霧封層相比，抗凝冰微表處的優點是抗凝冰劑混入5～10 mm厚的微表處中，性價比高，使用壽命相對較長。

1 抗凝冰技術推廣的必要性

（1）路面結冰嚴重影響高效、快捷、安全的運行；傳統路面除冰雪技術效率低、效果差，且對路面和基礎設施帶來損害。（2）路面是被動狀態，路表空隙引起冰雪與路面黏結緊密，經過工業CT計算機層析掃描，發現距表面20 mm內空隙大且連通，抗凍融能力差，冰雪與路表黏結緊密。

2 主動型抗凝冰技術的弊端

2.1 工程造價高

采用固-液相變材料每平方米額外增加材料成本40～50元；采用緩釋鹽化物材料每平方米額外增加材料成本約60～100元。

2.2 應用時機受限

因鹽化物材料與乳化瀝青的相容性較差，只能依托新建工程或罩面類養護工程進行施工，無法與霧封層、微表處等預防性養護技術相結合。

2.3 小規模施工困難

對于凝冰嚴重的拐彎處、匝道、隧道出入口等特殊路段，因工程量過小，施工組織困難。

綜上所述，現有主動型抗凝冰技術面臨淘汰，難以大規模推廣應用。

3 主動抗凝冰技術的優缺點

3.1 抗凝冰超薄罩面

（1）優點：技術應用時間較長，成熟度高。 （2）缺點：工程造價高，應用時機受限，小規模施工困難，效果達不到預期。

3.2 抗凝冰霧封層

（1）優點：抗凝冰劑混入到1～2 mm厚的含砂霧封層中，工程造價低，抗凝冰劑利用率高。 （2）缺點：霧封層耐久性下降，使用壽命短。

4 新型抗冰凝技術主要研究內容

抗凝冰微表處技術將抗凝冰劑混入5～10 mm厚的微表處中，性價比高，使用壽命相對較長。

4.1 微表處專用抗凝冰劑的研制

通過篩選適合于微表處體系（即不影響微表處破乳成型速度）的疏水材料，并嘗試不同的添加量以形成不同厚度的疏水緩釋膜，進而獲得具有不同融冰鹽緩釋速率的抗凝冰劑，并調節抗凝冰劑的粒徑大小，從中篩選出適用于微表處體系專用抗凝冰劑配方，見圖1、圖2。

圖1 疏水材料抗凝原理

圖2 不同載體的凝冰鹽緩釋特征

4.2 抗凝冰微表處專用乳化劑的研制

在傳統微表處乳化劑基礎上，通過復配其它表面活性劑，保證抗凝冰微表處體系獲得合適的拌和時間和破乳成型速度[1]。在形成適用于抗凝冰微表處體系的專用乳化劑的同時，還可以進一步調節微表處乳化瀝青體系的pH值和乳化劑摻量，優化微表處乳化瀝青的破乳速度[2]。主要由乳化劑、改性劑、瀝青為原料制得，各原料按組份按重量百分比[3]。改性劑3.1%～5.1%；瀝青29%～79%；乳化劑0.2%～0.5%，該組合物含有復合添加劑、基質瀝青、聚合物改性劑、陽離子型乳化劑[4]，乳化劑A、B、C、D種類型見圖3。A型復合添加劑含烷基苯酚、松香酸，C型陽離子型乳化劑含咪唑啉型乳化劑。

圖3 乳化劑類型分子結構

4.2.1 A型按重量份組成

（1）陽離子型乳化劑瀝青重量的0.2%～0.5%；（2）瀝青30～80份；（3）35～82 ℃熱水32～50份；（4）濃鹽酸，調節pH=1.7～6.0；（5）無機鹽穩定劑，微量[5]。

4.2.2 B型按重量份組成

（1）瀝青31～79份；（2）陽離子型乳化劑瀝青重量0.2%～0.5%；（3）無機鹽穩定劑,微量；（4）濃鹽，調節pH＝1.5～7.0；（5）35～82 ℃熱水32～50份[6]。

4.2.3 C型按重量份組成

（1）聚乙丁烯6～8份；（2）瀝青50～60份；（3）助乳化劑9～11份；（4）基礎乳化劑11～13份；（5）水30～40份；（6）穩定劑0.2～2份[7]。

4.2.4 D型陽離子型按重量份組成

（1）乳化劑1.5～5份；（2）添加劑0.1～5份；（3）改性劑2～10份。

生產乳化瀝青所用陽離子瀝青乳化劑，通過對其進行聚合物接枝改性，以咪唑啉結構為基體，調節集料表面和親水基團的吸附作用[8],控制乳化瀝青破乳速率。以有機酸、有機多胺制備咪唑啉為中間體,再把咪唑啉中間體與有機醛、有機酮經曼尼希反應后進行改性，調節親水端空間位阻、電荷強度，改善乳化性能、慢裂性能，使其制備的乳化瀝青具有優越的慢裂快凝效果，滿足微表處快速開放交通的目的[9]。

4.3 抗凝冰微表處的路用性能與抗凝冰功能研究

研究抗凝冰微表處混合料的配合比設計、早期強度、力學性能，并建立一套抗凝冰功能評價方法，重點評價抗凝冰微表處可降低冰點的程度，并尋求方法評價或預測在不同環境條件下抗凝冰功能的有效作用時間。

5 創新點及技術路線

5.1 創新點

（1）形成一種適用于微表處體系的專用抗凝冰劑，實現抗凝冰劑與微表處材料之間的良好相容性；（2）形成一種適用于抗凝冰微表處體系的專用瀝青乳化劑，實現在摻入抗凝冰劑的條件下仍能保持較快的破乳成型速度；（3）形成一種兼具主動抗凝冰功能和預防性養護功能的抗凝冰微表處技術，不僅可以實現抗凝冰技術的低成本化和快速施工，而且可以獲得相對較長時間（3～4 a）的預期使用壽命。

5.2 技術路線

（1）調研不同抗凝冰劑產品的結構特征和性能特點；（2）調研改進型微表處技術的性能特征和發展現狀；（3）微表處專用抗凝冰劑的研制； （4）篩選適用于微表處體系的疏水材料，并考察不同添加量對抗凝冰劑的影響規律；（5）研究不同級配抗凝冰劑對微表處破乳成型速度的影響規律； （6）研制抗凝冰微表處專用乳化劑；（7）根據抗凝冰劑對微表處乳化瀝青破乳速度的具體影響，復配調整乳化劑配方；（8）研究pH值、乳化劑摻量對微表處乳化瀝青破乳速度的影響；（9）抗凝冰微表處的路用性能與抗凝冰功能評價；（10）研究抗凝冰微表處的配合比設計；（11）評價抗凝冰微表處的早期強度；（12）評價抗凝冰微表處的力學性能；（13）評價抗凝冰微表處的抗凝冰功效；（14）施工工藝研究及技術工程化驗證；（15）研究抗凝冰微表處施工工藝；（16）鋪筑抗凝冰微表處試驗路，實施工程化驗證[10]。

6 結語

在傳統微表處的施工工藝基礎上，根據需要進行適當調整，形成抗凝冰微表處施工工藝，并根據依托工程鋪筑500～1 000 m抗凝冰微表處工程試驗路，充分驗證該技術的工程化實施效果。