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

惡劣氣象條件引發的復雜路況會影響正常的道路交通，使車輛發生制動效果減弱等情況，還會讓駕駛人員對實際路況的判斷出現失誤從而引發交通事故[1-2]。在南方高海拔、高寒濕地區所形成的凍雨、黑冰[3-4]甚至比北方地區的冰雪更嚴重、更危險、更難清除。路面黑冰是出現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出來，在瀝青等較暗的路面上呈現為黑色，因此被叫做黑冰。往往出現在道路的構造深度中，和瀝青路面之間的粘結強度很大[5]，導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重威脅。因此，降低黑冰和瀝青路面的粘結力成為抑制路面結冰的關鍵問題。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，使路面呈現疏水狀態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冰[6-7]，同時減小薄冰對路表的粘附強度，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計

1.1 原材料選擇

抗凝冰疏水涂料的原材料包括：有機硅橡膠乳液，醋酸鉀，堿性硅溶膠，正硅酸乙酯，甲基硅油，促進劑，乳化瀝青，自來水。其中有機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計

我國現行規范[8]要求有機硅橡膠乳液制備的抗凝冰涂料的運動粘度（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力是抗凝冰疏水涂層除冰的關鍵，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 的大小進行評價，通常認為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，以現行規范[8]推薦用量0.4kg/m2為中心，在準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，結果如表2 所示。

表2 接觸角試驗結果

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，當灑布量達到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，導致接觸角不夠大；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，當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

瀝青路面的設計中，抗滑指數是一個很重要的指標，關系到行車安全。本研究依據現行規范[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測定儀、標準尺和噴水壺等。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。試驗結果如表3 所示。

表3 抗滑性能測試結果

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%，不滿足規范要求。分析認為，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行抗凝冰性能的評價，依據現行規范[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強度，粘結強度用表面冰層黏附力表示。試驗結果如表4、表5 所示。

表4 冰點測試結果

表5 表面冰層黏附力測試結果

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，不滿足規范要求，會存在行車隱患。具體使用時，需要根據施工路面情況簡單進行抗滑性能試驗，得到最佳灑布量后再進行施工。

3 工程實例

2021 年12 月22 日興佑交科協同江蘇通用路橋在溧陽104 國道K1246+442 南河大橋進行了抗凝冰疏水涂層試驗段的施工，撒布前對路面進行簡單清掃，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。灑布前后進行了抗滑性能測試，如表6 所示。

表6 抗滑系數以及滲水檢測

12 月27 日在施工路段進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，發現有涂層的路面上，水分擴散的面積較小且不滲透進瀝青路面中，在氣流作用下流動痕跡很長；無涂層路面上，水分快速滲透進路面，擴散面積較大，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，觀察結冰時間和結冰后揭下來的難易程度。發現有涂層路面上開始結冰的溫度較低，結冰速度較慢且結冰后A4 紙可以完整揭下來，無涂層路面結冰溫度較高，結冰速度較快且A4 紙在路面上粘結牢固，無法完整揭下。

可以得出結論，在保證抗滑性能下降值滿足現行規范[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 結論

本研究針對冬季高海拔、高濕寒地區容易出現黑冰，引發交通事故的問題，設計了抗凝冰疏水涂層材料，以灑布量差異化為基礎，對其疏水性能、抗滑性能和抗凝冰性能進行研究，初步結論如下：

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，達到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，達到0.5kg/m2后抗滑性能下降值超過10%，不再滿足現行規范要求；

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。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℃，表面冰層黏結力為92.6N。