超疏水仿生水泥路面防覆冰設計及模型試驗

高英力，李學坤，黃 亮，袁 江，余先明

(長沙理工大學，橋梁工程安全控制省部共建教育部重點實驗室，長沙 410004)

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超疏水仿生水泥路面防覆冰設計及模型試驗

高英力，李學坤，黃 亮，袁 江，余先明

(長沙理工大學，橋梁工程安全控制省部共建教育部重點實驗室，長沙 410004)

借鑒荷葉表面微構(gòu)造特征，基于超疏水仿生理念，通過微納米路表構(gòu)建與超疏水涂層設計相結(jié)合，對傳統(tǒng)水泥路面表層進行防覆冰、易除冰復合設計；分析超疏水材料的作用機理以及在路面應用的可行性，制備由主體結(jié)構(gòu)混凝土層和超疏水-防覆冰層組成的路面板結(jié)構(gòu)模型。對比超疏水路面和普通水泥路面表層的水滴接觸角大小，分析其路面疏水性能；利用自主設計的“擺錘式附著強度”測試裝置以及劈裂實驗法測試試件“冰-路”附著強度。結(jié)果表明：對比普通水泥路面，超疏水-防覆冰路面表現(xiàn)出優(yōu)良的超疏水性能，冰與路面的附著力大大降低，試驗中殘留附著冰的質(zhì)量以及冰與路面的劈裂強度分別是普通水泥路面的36.80%和27.36%。

超疏水； 防覆冰； 水泥混凝土路面； 設計； 試驗

1 引 言

水泥混凝土路面是公路路面結(jié)構(gòu)的重要組成部分，我國地域遼闊，氣候差異大，道路交通受氣候影響顯著，冬季低溫條件下“冰-路”附著力大且冰渣嵌入路表間隙，導致常用的除冰技術(shù)效率較低，特別是在極端雨雪冰凍條件下，路表水尚未排走就已結(jié)冰，導致路面結(jié)冰不易處理，降低交通運營能力，引發(fā)安全性問題，甚至導致公路全線癱瘓，這種現(xiàn)象在我國中南地區(qū)尤為嚴重。目前，國內(nèi)外應用的除冰技術(shù)主要分為主動抑制路面結(jié)冰技術(shù)和被動抑制路面結(jié)冰技術(shù)[1]。主動抑制路面結(jié)冰技術(shù)是通過在道路工程建設中預先采用某些技術(shù)或材料使路面具備特有功能，達到融雪除冰目的，如發(fā)熱電纜融雪化冰技術(shù)[2]、道路微波除冰技術(shù)[3]、太陽能集熱融雪化冰技術(shù)[4]、相變儲能控溫路面融雪化冰技術(shù)[5]等；被動抑制路面結(jié)冰技術(shù)是在路面結(jié)冰之后采取的一系列方法，主要有撒融雪劑法、人工清除法、機械清除法等。上述方法在一定程度上可起到防冰效果，但總體來看效率不高，甚至有些方法(例如撒融雪劑法等)對路面造成一定損害，且對土壤、水體和大氣等造成污染，破壞生態(tài)環(huán)境。因此，進一步尋找環(huán)保、高效且對路面損害小的除冰技術(shù)十分必要。

超疏水材料是一種新型的表面功能處理材料，具有較好的疏水、疏冰效果，已被廣泛應用于電力、國防、農(nóng)業(yè)和房建等領(lǐng)域[6,7]，但在公路交通領(lǐng)域還未見系統(tǒng)報道。因此，本研究在分析和介紹超疏水材料應用原理基礎(chǔ)上，將其引入水泥混凝土路面，通過微納米路表構(gòu)建與超疏水涂層設計相結(jié)合，對普通水泥混凝土(Ordinary Portland Cement Concrete簡稱OPC)路面表層進行多元協(xié)同復合階層防覆冰設計和制備，開發(fā)出超疏水-防覆冰水泥混凝土(Super-hydrophobic Anti-icing Cement Concrete簡稱SAC)路面結(jié)構(gòu)；在此基礎(chǔ)上，進一步開展路面疏水性能及“冰-路”附著強度試驗研究，預期成果的獲得，可在一定程度上改善水泥路面在冬季極端雨雪條件下的防凍抗滑性能，保證行車安全，并為其在實際工程中的推廣應用提供一定的理論和實踐基礎(chǔ)。

2 試 驗

2.1 超疏水材料及SAC路面可行性分析

荷葉表面微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自清潔性的發(fā)現(xiàn)引起了人們的關(guān)注，被稱為“荷葉效應”。江雷[8]認為這種自清潔的特征是由粗糙表面上微米結(jié)構(gòu)的乳突、表面疏水的蠟狀物質(zhì)以及納米結(jié)構(gòu)的存在引起的，水在這種超疏水表面上具有較大的接觸角及較小的滾動角，如圖1、圖2所示。Onda[9]通過在粗糙表面上涂刷低表面能物質(zhì)制備超疏水涂層，開拓了物質(zhì)表面防覆冰研究的新思路。Sunil M.Rao[10]首次將超疏水材料應用到路面上，其研究表明，超疏水材料的使用，降低了路面水結(jié)冰溫度、延長了結(jié)冰時間，充分證明SAC路面設計與應用是完全可行的。

圖1 荷葉表面微觀結(jié)構(gòu)Fig.1 Micro structure of lotus leaf surface

圖2 水滴在荷葉表面的微觀狀態(tài)Fig.2 The micro state of water-drop on lotus leaf

2.2 超疏水材料的作用機理

根據(jù)超疏水原理可知，超疏水固體界面主要從促進液滴滾落、延緩水的結(jié)晶以及降低冰的附著強度三個方面[11-13]表現(xiàn)出較好的防覆冰性能。

(1)促進液滴滾落

超疏水界面由于微納米粗糙結(jié)構(gòu)的存在，基質(zhì)表面的凹槽被空氣占據(jù)，水珠與基質(zhì)的接觸面積只有總接觸面積的10%左右，其表面還具有極低的滾動角。因此，水滴與基質(zhì)附著力大大降低，特別是在路面橫坡、風力的作用下，使液滴很容易從路面滾落。

(2)延緩水的結(jié)晶

液滴在基質(zhì)表面由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的固態(tài)需要克服吉布斯自由能差，特定液滴成核所需的吉布斯自由能主要與液滴的靜態(tài)接觸角正相關(guān)，增大接觸角可以增大能量勢壘，延緩晶核形成時間，防覆冰涂層通過抑制冰的成核來延緩水的結(jié)晶，從而使水在結(jié)冰之前脫離路面，達到延緩結(jié)晶的目的。

另外，各基層黨組織入黨積極分子平均培養(yǎng)周期差距較大。其中，平均培養(yǎng)周期最短的為2.6年，最長的達到6.2年。

(3)降低冰的附著強度

影響冰對物體表面的附著力的因素非常復雜，有許多機理尚不明確，目前學術(shù)界定性的認為冰的附著強度與接觸角成負線性相關(guān)，一般情況下，對于水和冰而言，二者與其接觸基質(zhì)的相互作用是相似的，滿足公式(1)。SAC路面通過合理構(gòu)建微納米粗糙界面，阻止水分進入粗糙界面的凹槽而結(jié)冰，進而減小冰與基質(zhì)表面的接觸面積，降低冰與基質(zhì)的附著力。

wa=γLV(1+cosθ)

(1)

2.4 SAC路面設計及原理

根據(jù)對SAC路面理論基礎(chǔ)的研究，將超疏水材料引入到水泥混凝土路面設計中，通過微納米路表構(gòu)建與超疏水涂層設計相結(jié)合，對OPC路面表層進行防覆冰設計，結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 路面板結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of pavement slab

圖4 路面細部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The diagram of pavement detail structure

由圖3可知，SAC路面由兩層構(gòu)成，由下至上依次為主體結(jié)構(gòu)混凝土層和超疏水-防覆冰層(又稱表面功能層)，其中主體結(jié)構(gòu)混凝土層的厚度占整個路面板結(jié)構(gòu)的80%～90%(根據(jù)現(xiàn)場實際情況而定)，其性能與普通道路混凝土相似；超疏水-防覆冰層通過摻入一定量聚乙烯醇纖維和鋼渣，使其強度和耐磨性得以大幅提高，同時在其表面涂刷經(jīng)復配得到的超疏水復合功能材料，從而制備出SAC路面。

在混凝土表面構(gòu)建微納米二級結(jié)構(gòu)，其核心技術(shù)在于降低界面自由能，經(jīng)過前期試驗優(yōu)選，最終確定利用經(jīng)復配的硅烷類材料對其表面進行低表面能修飾。為了進一步構(gòu)建表面微納米二級結(jié)構(gòu)，在超疏水-防覆冰層的制備過程中摻入了微米直徑高模量纖維使二者有機融合，再利用低表面能物質(zhì)對其表面進行超疏水改性，使其獲得持久穩(wěn)定的超疏水性能。修飾后的水泥混凝土路面細部結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

3 SAC制備

3.1 原材料

水泥：長沙坪塘水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5水泥；細骨料：湘江河砂，含泥量1%，細度模量2.5；粗骨料：5～20 mm連續(xù)級配碎石，含泥量1.5%，壓碎指標6.2%；粉煤灰：湖南湘潭電廠Ⅰ級粉煤灰，比表面積450 m2/kg；纖維：采用高強度聚乙烯醇纖維(PVA)，長徑比為428～1071，楊氏模量不小于40 GPa，抗拉強度不小于1.6 GPa；納米SiO2由市場購得；疏水材料：由硅烷類材料經(jīng)復配而得。

3.2 混凝土組成及性能

超疏水-防覆冰路面其材料組成、要求、性能等指標如表1所示。

從表1可以看出，主體水泥混凝土結(jié)構(gòu)層和表面功能層材料的力學性能均滿足規(guī)范要求。其中，超疏水-防覆冰層混凝土摻入高耐磨材料鋼渣粉和高抗裂材料聚乙烯醇纖維，不僅有效改善表面耐磨與抗裂性能，且由于粗糙度的提高從而降低了表面自由能，同時整體水泥混凝土的力學性能也得到大幅提升，其28 d整體抗壓強度達到58.2 MPa，抗折強度達到6.31 MPa。

表1 路面混凝土組成及性能Tab.1 Composition and performance of pavement concrete

3.3 模型制備

按照上述結(jié)構(gòu)設計原則和材料要求進行SAC路面模型制備。試驗模具尺寸為450 mm×350 mm×80 mm，如圖5a所示。主體結(jié)構(gòu)混凝土層嚴格按照《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細則》(JTG/TF30-2014)進行澆筑，其厚度約為65 mm，為保證兩層之間的粘結(jié)性，兩層連續(xù)澆筑，由下至上一次成型，無需等待。超疏水-防覆冰層澆筑時應嚴格控制各材料的用量，為達到更好的疏水防冰效果，將其攪拌均勻，制作完畢后在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護24 h。待其硬化后，對表面進行粗糙處理，清洗并干燥，之后在其表面涂刷超疏水復合功能材料得到超疏水-防覆冰層。為達到良好的疏水、耐久性能，在表面處理后用塑料薄膜進行覆蓋，直至表面充分干燥，如圖5b、c所示。

圖5 路面模型制備過程(a)試驗模具;(b)試件制備;(c)塑料薄膜覆蓋養(yǎng)護Fig.5 Preparation process of pavement model

4 SAC路面性能試驗

4.1 疏水性能試驗

分別取SAC試件和OPC試件，進行疏水性能定性分析，結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 SAC試件上的水滴Fig.6 Water-drop on SAC specimen

圖7 OPC試件上的水滴Fig.7 Water-drop on OPC specimen

由圖6和圖7可以看出水滴在OPC表面可自由鋪展開，鋪展高度H遠遠小于鋪展半徑R，而SAC表面水滴更加圓潤，液滴呈現(xiàn)出圓球狀。顯然，SAC表面已經(jīng)具備優(yōu)良的超疏水性能。

4.2 “冰-路”附著強度試驗

4.2.1 擺錘式附著強度表征法

目前，國內(nèi)外尚缺乏簡單、易行的“冰-路”附著強度測試技術(shù)和評價方法，因此，本研究通過自主設計，開發(fā)了“擺錘式附著強度”測試裝置來測定冰的殘留率(如圖8所示)，并通過冰的殘留率來間接反映“冰-路”附著強度。其工作原理為：將試件固定在可調(diào)節(jié)固定夾座上，通過落錘自由下擺產(chǎn)生的豎向沖擊力和水平剪切力破冰，測定冰的殘留率。擺錘的沖擊力度可通過落擺的角度和擺頭上砝碼的數(shù)量調(diào)節(jié)。

圖8 “冰-路”附著強度測試裝置示意圖 1.基座2.固定夾座3.刻度盤4.T型擺頭5.伸縮桿6.控制手柄7.砝碼Fig.8 The diagram of Ice-Road adhesion strength test device

具體試驗方法：①取試件放入相對濕度60%、-(10±2) ℃的冷凍室 ，在試件表面人工噴灑適量的水(噴灑過程中水全部留在試件表面，無溢出、流失等)，冷凍2 h；②在冷凍室內(nèi)稱量此時試件的質(zhì)量為m1(精確到0.1 g)，并記錄；③將試件固定在基座臺的夾座上，調(diào)節(jié)夾座兩端的螺栓固定試件，通過調(diào)節(jié)收縮桿，使豎直放置的擺頭和試件的上表面在同一高度，之后在擺頭上串加一定量的砝碼；④下壓控制柄，將擺頭上調(diào)到適當位置，然后釋放控制柄，任擺頭自由下擺并破冰；⑤擺頭破冰完畢后去除螺栓，將試件取出，用刷子去除試件表面的破碎冰，之后稱量試件的質(zhì)量m2；⑥清除試件表面所有剩余的殘留冰，稱量試件質(zhì)量為m3，計算試件兩次的質(zhì)量差即可得到冰的總質(zhì)量m1-m3、殘留冰的質(zhì)量m2-m3；⑦通過公式(2)測得冰的殘留率。

(2)

分別取6組SAC試件、OPC試件，按上述方法進行試驗，試驗過程如圖9，圖10所示，實驗結(jié)果如表2所示。

圖9 OPC試件表面結(jié)冰現(xiàn)象Fig.9 Icing phenomenon of OPC specimen surface

圖10 SAC試件表面結(jié)冰現(xiàn)象Fig.10 Icing phenomenon of SAC specimen surface

表2 試件表面冰的殘留率Tab.2 Residual rate of ice on the specimen

圖11 SAC和OPC試件表面冰的殘留率對比圖Fig.11 Contrast diagram about the residual rate of ice on SAC and OPC specimen

圖11進一步直觀對比SAC試件和OPC試件表面冰的殘余情況，從圖中可以看出，SAC試件表面冰的殘留率僅為30.5%，而OPC試件表面冰的殘留率高達82.7%，間接反映出SAC路面冰的附著力遠遠小于OPC路面，使得路面上的結(jié)冰更容易清除。這是因為：①隨著接觸角θ的增大，“冰-路”之間的附著力隨之減小，由“4.1節(jié)”可定性得出SAC試件表面水滴的接觸角遠遠大于OPC試件；②OPC表面是親水性的，水滴在表面鋪展后，可迅速滲進孔隙中，結(jié)冰后表面的冰與孔隙中的冰形成穩(wěn)定的物理連接，從而增強OPC表面與冰的附著力；③對于SAC路面，由于表面的微納米粗糙結(jié)構(gòu)，水滴與表面之間存在大量空氣，水分不能滲入孔隙內(nèi)部，只能在表面結(jié)冰，混凝土與冰無內(nèi)部力學聯(lián)系，疏冰性較強，因此SAC路面冰的附著強度遠遠小于OPC路面。

4.2.2 劈裂試驗法

在“擺錘式附著強度表征法”的基礎(chǔ)上，進一步設計了劈裂實驗法來研究“冰-路”附著強度。具體試驗步驟：①分別將提前制備好的100 mm×100 mm×100 mm的SAC試件、OPC試件放入400 mm×100 mm×100 mm的鋼模中，兩試件中間用塑料膜隔開，兩端各留出100 mm的距離，如圖12(a)所示；②在兩端空槽中加滿水(和水接觸的試件側(cè)面為試驗面)，放進(-10±2) ℃的冷凍室，4 h后取出，此時試件和水已經(jīng)凝結(jié)成兩個200 mm×100 mm×100 mm的長方體結(jié)冰混凝土試件，如圖12(b)所示；③拆模，將結(jié)冰的混凝土試件放在壓力機上，在試件和冰的界面兩端放兩根圓弧形墊條并加壓直至劈裂，實驗過程如圖13所示；④記錄并分析，結(jié)果如表3所示。

圖12 試件成型過程Fig.12 Specimen molding process

圖13 劈裂試驗示意圖Fig.13 Split test diagram

表3 劈裂強度值Tab.3 Splitting strength value

由表3數(shù)據(jù)可知，SAC試件的劈裂強度值為1.10 MPa，OPC試件的劈裂強度值為4.02 MPa，其大小是SAC試件的3.6倍。由此可見，SAC路面大大降低了“冰-路”之間的相互作用力，反映了路面結(jié)冰在SAC路面上的附著強度低于OPC路面，有效降低了路面除冰的難度。

5 結(jié) 論

(1)分析了超疏水材料的理論基礎(chǔ)，并通過探討超疏水固體界面促進液滴滾落、延緩水的結(jié)晶以及降低冰的附著強度三個方面的作用機理，論證了超疏水復合材料在路面應用的可行性；

(2)借鑒荷葉表面微構(gòu)造特征，基于超疏水仿生理念，通過微納米路表構(gòu)建與超疏水涂層設計相結(jié)合，對傳統(tǒng)水泥路面表層進行了防覆冰復合設計，并開展了模型制備及實驗；

(3)對比普通水泥路面，水滴在超疏水-防覆冰層上表現(xiàn)出良好的疏水效果；“冰-路”附著強度大大降低，路面殘留附著冰質(zhì)量以及“冰-路”劈裂強度僅為普通水泥路面試件的36.80%和27.36%，有效降低了路面除冰難度。在后續(xù)研究中，將進一步開展實際公路路面工程的應用研究，并在實際工程中進行檢測和評價。

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Anti-icing Design and Model Test of Super Hydrophobic and Bionic Cement Pavement

GAOYing-li,LIXue-kun，HUANGLiang，YUANJiang，YUXian-ming

(Key Laboratory of Bridge Engineering Safety Control by Hunan Province,Department of Education,Changsha University of Science & Technology,Changsha 410004,China)

Using the micro structure characteristics of lotus leaf surface for reference,based on the concept of super hydrophobic bionic,combining Micro-Nano pavement building with super hydrophobic coating design,traditional cement pavement was designed to prevent ice by multi-layer methods.The mechanism of super hydrophobic materials and the feasibility of its application to the pavement were analyzed,the pavement structure model of the main structure concrete layer and the super hydrophobic-anti icing layer was made.Compared to the contact angle of super hydrophobic surface and ordinary cement pavement,the surface hydrophobic properties were analyzed.Using the independent design test device of pendulum adhesion strength and split test method,the Ice-Road System adhesion strength of specimen was tested.Results indicate that super hydrophobic-anti icing pavement has a good hydrophobic effect and the surface adhesion of Ice-Road System is reduced greatly contrasting with ordinary cement pavement.The quality of the residual ice and the splitting strength of Ice-Road System in the test are 36.80% and 27.76% of the common cement pavement,respectively.

super hydrophobic;anti-icing;cement concrete pavement;design;test

湖南省交通廳科技計劃項目(201313)；長沙理工大學橋梁工程安全控制省部共建教育部重點實驗室開放基金項目聯(lián)合資助

高英力(1977-)，男，教授，碩導.主要從事新型道路建筑材料方面的研究.

U416

A

1001-1625(2016)10-3288-07