瀝青路面用抗凝冰疏水涂層的性能評價

蔡廣楠 趙 佩 王鐵水 魏唐中

（南京興佑交通科技有限公司）

0 引言

惡劣氣象條件引發(fā)的復(fù)雜路況會影響正常的道路交通，使車輛發(fā)生制動效果減弱等情況，還會讓駕駛?cè)藛T對實際路況的判斷出現(xiàn)失誤從而引發(fā)交通事故[1-2]。在南方高海拔、高寒濕地區(qū)所形成的凍雨、黑冰[3-4]甚至比北方地區(qū)的冰雪更嚴(yán)重、更危險、更難清除。路面黑冰是出現(xiàn)在路面上的一層很薄的冰，本身是透明的，路面顏色可以透過薄冰顯現(xiàn)出來，在瀝青等較暗的路面上呈現(xiàn)為黑色，因此被叫做黑冰。往往出現(xiàn)在道路的構(gòu)造深度中，和瀝青路面之間的粘結(jié)強(qiáng)度很大[5]，導(dǎo)致薄冰難以被清除且使路面抗滑能力大幅下降，對道路行車安全造成嚴(yán)重威脅。因此，降低黑冰和瀝青路面的粘結(jié)力成為抑制路面結(jié)冰的關(guān)鍵問題。本研究通過在路表涂布抗凝冰疏水涂料來降低瀝青路面的表面能。涂料中添加適量的抗凝冰成分，使路面呈現(xiàn)疏水狀態(tài)的同時具備一定的融冰能力，使瀝青路面上的水分沿著橫坡被迅速排出從而避免結(jié)冰[6-7]，同時減小薄冰對路表的粘附強(qiáng)度，使路面的薄冰更容易被清除。基于此形成一套針對黑冰的解決方案，為冬季冰雪問題提供新的解決思路。

1 抗凝冰疏水涂料組成設(shè)計

1.1 原材料選擇

抗凝冰疏水涂料的原材料包括：有機(jī)硅橡膠乳液，醋酸鉀，堿性硅溶膠，正硅酸乙酯，甲基硅油，促進(jìn)劑，乳化瀝青，自來水。其中有機(jī)硅橡膠乳液的固含量為52%，堿性硅溶膠的固含量為25%。

1.2 抗凝冰疏水涂料組成設(shè)計

我國現(xiàn)行規(guī)范[8]要求有機(jī)硅橡膠乳液制備的抗凝冰涂料的運(yùn)動粘度（25℃）≤5，涂料的固含量為25%～30%。基于此，本研究抗凝冰疏水涂料的組成設(shè)計如表1所示。

表1 抗凝冰疏水涂料組成

按照表中的比例分別將A、B 組分中的材料混合攪拌均勻存放，在使用前按照比例將A、B 組分混合，以400r/min 的速度攪拌15min 后使用，兩組分混合后的涂料混合后要在30min 內(nèi)使用完。

2 抗凝冰疏水涂層性能評價

2.1 疏水性能

降低薄冰和瀝青路面之間的粘結(jié)力是抗凝冰疏水涂層除冰的關(guān)鍵，因此抗凝冰疏水涂料在路表形成薄膜后的疏水性能很重要。抗凝冰疏水涂料的疏水性能可采用接觸角θ 的大小進(jìn)行評價，通常認(rèn)為θ＞90°時為疏水材料，θ＜90°時為親水材料，接觸角θ 越大說明材料的疏水性能越好。

選擇AC-13 級配制備馬歇爾試塊，以現(xiàn)行規(guī)范[8]推薦用量0.4kg/m2為中心，在準(zhǔn)備好的馬歇爾試塊上分別 以0.2kg/m2、0.3kg/m2、0.4kg/m2、0.5kg/m2、0.6kg/m2涂布等量的涂料，等待其固化完全后即可進(jìn)行疏水性能測試。將制備好的試塊按照涂布量從小到大的順序分別命名為Spr-1、Spr-2、Spr-3、Spr-4、Spr-5。

用液滴圖像分析法[9]擬合測定接觸角θ，結(jié)果如表2 所示。

表2 接觸角試驗結(jié)果

從表2 中可看出，對比空白組，涂料固化后形成的涂層接觸角均大于90°，疏水性能良好，隨著涂料灑布量的增加，接觸角逐漸增大，當(dāng)灑布量達(dá)到0.5kg/m2及以上時，接觸角不再隨著灑布量的變化而變化，接觸角增大了126%。分析認(rèn)為，灑布量小時不能完全覆蓋馬歇爾試塊表面，裸露的部分親水性能仍然較強(qiáng)，導(dǎo)致接觸角不夠大；隨著灑布量的增加，馬歇爾試塊表面被完全覆蓋，接觸角不斷變大，疏水性能不斷提升。但是涂層的疏水性能和材料本身相關(guān)，當(dāng)馬歇爾試塊表面被完全覆蓋后，接觸角不再隨著灑布量的增加而增加。

2.2 抗滑性能

瀝青路面的設(shè)計中，抗滑指數(shù)是一個很重要的指標(biāo)，關(guān)系到行車安全。本研究依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[10]測試評價抗凝冰疏水涂層的路面抗滑性能。試驗主要儀器有擺式摩擦系數(shù)測定儀、標(biāo)準(zhǔn)尺和噴水壺等。在以AC-13 級配為上面層的瀝青路面上選定5 處先測其擺值（BPN），然后涂刷抗凝冰疏水涂料，仍然以0.2kg/m2、0.3kg/m2、0.4kg/m2、0.5kg/m2、0.6kg/m2的灑布量涂刷，待固化后，再測其擺值，并與原路面擺值比較，分別測三次取平均值。試驗結(jié)果如表3 所示。

表3 抗滑性能測試結(jié)果

從表3 中可知，涂層路面較原始路面抗滑性能均有所下降，隨著灑布量的增加，抗滑性能進(jìn)一步的下降。灑布量超過0.5kg/m2時，擺值下降率超過10%，不滿足規(guī)范要求。分析認(rèn)為，涂層路面上的疏水薄膜和原始路面比能將水膜聚集起來，所以涂層路面的抗滑值會有一定程度的降低，但是降低值的大小受灑布量的影響，灑布量過大，疏水薄膜太厚就會導(dǎo)致抗滑性能大幅下降，對行車安全造成威脅。

2.3 抗凝冰性能

本研究從抗凝冰疏水涂層的冰點和表面冰層黏附力兩個方面進(jìn)行抗凝冰性能的評價，依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[10]測定Spr-1、Spr-2、Spr-3、Spr-4、Spr-5 的冰點和冰層與試塊的粘結(jié)強(qiáng)度，粘結(jié)強(qiáng)度用表面冰層黏附力表示。試驗結(jié)果如表4、表5 所示。

表4 冰點測試結(jié)果

表5 表面冰層黏附力測試結(jié)果

從表4、表5 中可知，隨著灑布量的增大，涂層的冰點和表面冰層黏附力都在逐漸降低，這與隨著灑布量增大，相同面積涂層中包含的抗凝冰成分增多有關(guān)系。對比沒有涂層的馬歇爾試塊，有涂層的馬歇爾試塊上表面冰層黏附力明顯降低，導(dǎo)致有涂層的路面上的冰層更容易被清除。

綜上所述，抗凝冰疏水涂層的灑布量過少，瀝青路面覆蓋不完全，疏水性能會較差；灑布量過多，抗滑性能下降過多，不滿足規(guī)范要求，會存在行車隱患。具體使用時，需要根據(jù)施工路面情況簡單進(jìn)行抗滑性能試驗，得到最佳灑布量后再進(jìn)行施工。

3 工程實例

2021 年12 月22 日興佑交科協(xié)同江蘇通用路橋在溧陽104 國道K1246+442 南河大橋進(jìn)行了抗凝冰疏水涂層試驗段的施工，撒布前對路面進(jìn)行簡單清掃，吹去浮塵和雜物，涂料灑布量為0.6kg/m2，乳白色的涂料固化后與路面顏色接近一致，無明顯差別。灑布前后進(jìn)行了抗滑性能測試，如表6 所示。

表6 抗滑系數(shù)以及滲水檢測

12 月27 日在施工路段進(jìn)行了疏水性能和抗凝冰性能測試。疏水性能測試是將等量水直接灑在有涂層路面和無涂層路面上，發(fā)現(xiàn)有涂層的路面上，水分?jǐn)U散的面積較小且不滲透進(jìn)瀝青路面中，在氣流作用下流動痕跡很長；無涂層路面上，水分快速滲透進(jìn)路面，擴(kuò)散面積較大，在氣流作用下無流動性。

抗凝冰性能是在同樣溫度下，將同樣浸濕的A4 紙分別貼在有涂層路面和無涂層路面上，觀察結(jié)冰時間和結(jié)冰后揭下來的難易程度。發(fā)現(xiàn)有涂層路面上開始結(jié)冰的溫度較低，結(jié)冰速度較慢且結(jié)冰后A4 紙可以完整揭下來，無涂層路面結(jié)冰溫度較高，結(jié)冰速度較快且A4 紙在路面上粘結(jié)牢固，無法完整揭下。

可以得出結(jié)論，在保證抗滑性能下降值滿足現(xiàn)行規(guī)范[10]要求的前提下，對比普通瀝青路面，有涂層的路面疏水性良好且具備良好的抗凝冰性能。

4 結(jié)論

本研究針對冬季高海拔、高濕寒地區(qū)容易出現(xiàn)黑冰，引發(fā)交通事故的問題，設(shè)計了抗凝冰疏水涂層材料，以灑布量差異化為基礎(chǔ)，對其疏水性能、抗滑性能和抗凝冰性能進(jìn)行研究，初步結(jié)論如下：

⑴隨著灑布量的增加，抗凝冰疏水涂層的疏水性能逐漸增強(qiáng)，達(dá)到0.5kg/m2后疏水性能不再隨著灑布量的增加而變化，接觸角增大了126%；

⑵隨著灑布量的增加，抗凝冰疏水涂層的抗滑性能不斷下降，達(dá)到0.5kg/m2后抗滑性能下降值超過10%，不再滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；

⑶隨著灑布量的增加，抗凝冰疏水涂層的抗凝冰性能逐漸增強(qiáng)。滿足抗滑性能要求的最大灑布量為0.4kg/m2，此時冰點為-5.4℃，表面冰層黏結(jié)力為92.6N。