憎水性改性乳化瀝青主動除冰路面表層及性能評價

侯云強

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

我國超過70%的國土在冬季會受到冰雪天氣的影響。對于道路來說，結冰不僅影響人們的出行，也會對出行安全產生不利影響，因此國內外學者對道路工程中的除冰雪技術做了大量的研究，其主要分為主動與被動除冰技術兩種。被動除冰技術主要是對結冰的道路進行機械清除、撒融冰鹽等[1-2]，這種方式不僅消耗人力物力、除冰效率低，而且對環境產生污染。而主動除冰技術可避免被動除冰的缺點，在傳統道路結構的基礎上，為其增加除冰的功能，主要有太陽能除冰技術、微波除冰技術、憎水路面、地冰點路面、發熱電纜除冰技術等[3-4]。其中憎水性除冰技術主要來源于“荷葉效應”，通過增加路面的疏水性，降低冰與路面的黏附性，進而達到道路除冰的目的?，F有研究大多是在傳統的瀝青路面上涂刷或噴灑疏水涂層，但這種方法使路面的抗滑性及耐磨性較差，成本較高。因此，采用憎水性改性乳化瀝青制備除冰表層，保證瀝青路面的除冰效果，同時增強其抗滑性。

1 試驗

1.1 原材料

憎水性改性乳化瀝青路面表層主要由骨料和憎水性改性乳化瀝青組成，其中憎水性改性乳化瀝青是由瀝青、硅橡膠、SBS改性劑、乳化劑、穩定劑、水等原材料制備而成。骨料采用玄武巖，其技術性能和級配如表1、表2所示；基質瀝青選用SK-90號瀝青，其各項指標如表3所示；憎水劑采用硅橡膠，技術性能如表4所示；改性劑采用YH-791H型SBS，技術性能如表5所示；乳化劑可降低體系表面能，進而使瀝青與水形成穩定的分散系[5]，選用陽離子慢裂快凝型乳化劑；穩定劑選用無水氯化鈣[6]；pH值調節劑選用鹽酸；水選用自來水。

表1 骨料的技術性能

表2 骨料級配

表3 SK-90號瀝青技術性能

表4 硅橡膠技術性能

表5 SBS改性劑技術性能

1.2 憎水性改性乳化瀝青制備方法

憎水性改性乳化瀝青是在SBS改性乳化瀝青的基礎上，增加了硅橡膠憎水劑，在剪切作用下，硅橡膠顆粒分散在SBS乳化瀝青中[7]，其具體的流程如圖1所示。

圖1 憎水性改性乳化瀝青

1.3 試驗方法

主要采用室內試驗，采用制備的憎水乳化瀝青混合料制備標準的馬歇爾試件及車轍板。采用靜態接觸角測量儀、拉拔儀、擺式磨擦儀分別檢測不同摻量硅橡膠改性乳化瀝青混合料的性能。憎水性改性乳化瀝青除冰路面表層可在原路面的瀝青面層上進行施工，如圖2所示。

圖2 憎水性改性乳化瀝青除冰路面結構示意圖

1.3.1 靜態接觸角試驗

接觸角的大小可以直接影響憎水性改性乳化瀝青的防冰效果，硅橡膠摻量不同，接觸角也不同。為了獲得最佳的硅橡膠摻量，采用JY-82c接觸角測量儀，測定不同試樣的接觸角大小，制備不同硅橡膠摻量的30 cm×30 cm×5 cm車轍板，并進行切片得到不同摻量硅橡膠1 cm×1 cm×1 cm的試件，進行靜態接觸角測試試驗。

1.3.2 拉拔試驗

評價除冰效果的方法有直接法和間接法，直接法主要是通過落錘擊冰，最后得到除冰的面積直接獲得除冰效率，這種方法對于除冰面積的計算比較困難；而本文采用間接法評價除冰效果，即HC-6000C一體式拉拔強度測試儀，進而反映除冰的效果。除冰效果試驗為非常規試驗，其主要是在標準的馬歇爾試件上鉆孔，固定膨脹螺栓，然后在車轍板上噴灑一定的水，放入冰箱冷凍，最終連接膨脹螺栓與試驗儀器的拉頭，進行黏附力的測量，可見圖3。將憎水性改性乳化瀝青與骨料制備成混合料，按照規范規定制備30 cm×30 cm×5 cm的車轍板以及標準馬歇爾試件進行除冰效果試驗。

圖3 除冰效果試驗示意圖

1.3.3 路用性能試驗

憎水性改性乳化瀝青表層主要用于降低冰與路面的黏附性，但還應滿足抗滑性能，因此采用擺式摩擦儀對車轍板試件進行摩擦系數測定。由于該層在冰雪天氣受到水的影響，所以還需評價其水穩性，通過測試馬歇爾試件的殘留穩定度指標，考察體系的抗水損害性。

2 試驗結果分析

2.1 靜態接觸角測量結果

對摻量0%、2%、4%、6%、8%的硅橡膠改性乳化瀝青制備的混合料切片進行了接觸角測試，接觸角大于90°時，體系為疏水性，同時隨著接觸角越大，理論上防冰效果越好。測試結果如圖4所示。

圖4 不同摻量硅橡膠接觸角結果

如圖4所示，隨著摻量的增加，測得的接觸角整體呈先增加后減少趨勢，在摻量為6%的時候接觸角最大為115°，理論除冰效果最好。這是由于硅橡膠表面的微納米凸狀結構增加了瀝青的疏水性，隨著摻量的增加，疏水性相對表面積越大，憎水性越強。但隨著摻量的繼續增加，水溶液的硅橡膠發生聚團作用，使得硅橡膠分散不均勻，導致接觸角減小。

2.2 除冰效果結果

利用拉拔試驗，測試冰與表層之間的拉拔力，間接評價憎水性改性乳化瀝青的除冰效果。同時，不同凍結溫度下，凍黏力也不同，因此本文測試了在硅橡膠摻量為0%、2%、4%、6%、8%的改性乳化瀝青分別在-2℃、-4℃、-6℃、-8℃下的黏附力。測試結果如圖5所示。

圖5 不同摻量硅橡膠改性乳化瀝青在不同溫度下拉拔強度測試結果

如圖5所示，在硅橡膠摻量為0～4%時，隨著摻量的增加，試件與冰之間的拉拔強度降低，這是由于隨著硅橡膠增加，試件表面接觸角增加，導致試件表面憎水性增強，相應摻量改性乳化瀝青表層與冰的黏附性降低。硅橡膠摻量為4%～8%時，拉拔強度變化不明顯，這一結果的原因為：硅橡膠在此摻量區間的改性乳化瀝青的接觸角變化不大；同時在制成車轍板后，增加了骨料、礦粉等材料，降低了不同摻量硅橡膠對憎水性的影響，因此冰的黏附性相差不大。就溫度而言，在-6℃～-2℃溫度區間，隨著結冰溫度的降低，試件與冰之間的拉拔強度增加，這是由于溫度降低導致冰與試件表面的黏附力增加，但在-8℃～-6℃之間，拉拔強度變化不明顯，試件表面幾乎無冰的殘留，這是由于，在-6℃～-2℃溫度區間，拉拔應力主要破壞了試件與冰的界面黏附力，而在-8℃時，試件表面有大量的冰屑殘留，在此溫度下，主要破壞的是冰自身的內聚力，因此，在-8℃～-6℃溫度之間，拉拔強度變化不大。

2.3 路用性能結果

對不同摻量硅橡膠改性乳化瀝青混合料所制備的車轍板進行了擺式摩擦試驗，測得的BPN結果如圖6所示。

圖6 不同摻量硅橡膠擺式摩擦試驗

如圖6所示，由于硅橡膠改性乳化瀝青混合料所制備的車轍板的BPN值均大于45，滿足規范的抗滑性要求。隨著摻量的增加，可以看出BPN值也在緩慢增加，但增加幅度不大。這是由于隨著摻量的增加，硅橡膠顆粒雖然沒有增加宏觀紋理，但增加了路表面的微觀紋理。且硅橡膠摻量越大，游離抱團的硅橡膠顆粒越多。

為了評價水穩性能，對不同摻量硅橡膠改性乳化瀝青混合料所制備的馬歇爾試件進行浸水馬歇爾試驗，測其殘留穩定度，結果如圖7所示。

圖7 不同摻量硅橡膠浸水馬歇爾試驗結果

如圖7所示，5種硅橡膠摻量的改性乳化瀝青馬歇爾試件的殘留穩定度值都大于85，滿足規范的要求，但同時，隨著硅橡膠摻量的增加，殘留穩定度也有些許降低，這表明硅橡膠的加入降低了水穩性能，但水穩性能依舊可以滿足規范要求。

結合靜態接觸角試驗、除冰效果試驗、擺式摩擦試驗及浸水馬歇爾試驗結果，可以看出硅橡膠摻量為4%的改性乳化瀝青可以同時滿足要求。

3 結論

通過在改性乳化瀝青中增加憎水劑，增加了傳統改性乳化瀝青的疏水效果。同時使用該憎水性改性乳化瀝青與玄武巖制備了憎水性改性乳化瀝青主動除冰路面表層，該功能層不僅可用于新建道路，還可以應用于舊路養護。通過試驗對其除冰效果、抗滑性能、水穩性能進行考察，隨著硅橡膠摻量的增加，得到了以下結論。

a）憎水性改性乳化瀝青的靜態接觸角呈先增加后減小的趨勢，在摻量為6%時，疏水性最強。

b）憎水性改性乳化瀝青表層的抗滑性與水穩性變化趨勢不大，且都滿足規范要求。

c）除冰試驗表明，拉拔力呈現先降低，在摻量為4%后平穩變化的趨勢，證明憎水性改性乳化瀝青可以降低冰與路面的黏附力。同時，隨著溫度的降低，拉拔力也呈先增加后平穩的趨勢，表明在-6℃時，冰與路面的黏附力小于冰本身的內聚力。

結合以上結論，最終選擇硅橡膠摻量4%為憎水性改性乳化瀝青的最佳摻量。